PROVE SUI MATERIALI, NORMATIVE, TRAZIONE, FLESSIONE, COMPRESSIONE, DUREZZA, RESILIENZA..., Appunti di Tecnologia Meccanica

Scarica PROVE SUI MATERIALI, NORMATIVE, TRAZIONE, FLESSIONE, COMPRESSIONE, DUREZZA, RESILIENZA... e più Appunti in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! PROVE SUI MATERIALI 1 Le prove sui materiali permettono di verificare le caratteristiche chimiche, meccaniche, fisiche dei materiali e danno la certezza che il materiale ricevuto dalle diverse lavorazioni è conforme alle specifiche normative. Esistono diversi tipi di prove: 1. PROVE MECCANICHE (a noi interessano solo queste) 2. PROVE TECNOLOGICHE 3. PROVE FISICO-CHIMICHE PROVE MECCANICHE Il primo scopo è la caratterizzazione del materiale, ovvero studiare il suo comportamento sotto carico, sotto l’azione di forze esterne. Con le prove studiamo ogni caratteristica del materiale, caratterizzandolo in questo modo sotto l’aspetto metallico. Il secondo scopo è il controllo che può essere: 1. DISTRUTTIVO (anche la semplice deformazione) 2. NON DISTRUTTIVO (non alterano il materiale, indagano dall’esterno) Per conoscere i difetti interni si preferisce usare quello distruttivo. PROVE MECCANICHE si dividono in: PROVE MECCANICHE STATICHE: il materiale è sottoposto a carichi con velocità molto basse, quasi statiche, all’ordine di pochi millimetri al minuto, generalmente 1 o 2 millimetri al minuto (queste prove non sono reali, perché nella realtà non esistono sollecitazione di ½ millimetri al minuto). Ovviamente se nelle prove il carico viene posto a una certa velocità m/s, cambiando gli ordini di grandezza delle velocità di applicazione del carico cambia anche la risposta del materiale. Queste prove servono per caratterizzare il materiale e non per il controllo (sappiamo se il materiale è elastico, duro, ecc.…) Le principali prove meccaniche statiche sono: - PROVA A TRAZIONE - PROVA A COMPRESSIONE - PROVA A FLESSIONE - PROVA A DUREZZA PROVE SUI MATERIALI 2 PROVE MECCANICHE DINAMICHE: il materiale è sottoposto a reali prove di carico, pertanto saprò realmente cosa può accadere. Ad esempio: il materiale assorbe energia in condizione di carico dinamico? Le principali prove meccaniche dinamiche: - PROVE DI RESILIENZA - PROVE DI IMPATTO - PROVE DI FATICA Per tutte le prove meccaniche dinamiche abbiamo delle NORMATIVE. Per alcune prove in particolare dobbiamo per forza seguire le normative altrimenti i risultati non sono validi. Se seguiamo la normativa noi stiamo caratterizzando il materiale. Se non seguiamo la normativa stiamo caratterizzando quel particolare pezzo in quel determinato caso. A volte conviene questo caso quando le aziende commissionano la particolare caratterizzazione di quel tipo di materiale e delle forme. LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 2 La rottura avverrà in punto di debolezza del pezzo, ovvero in un punto in cui è presente un difetto, perché dove è presente un difetto li si andranno a concentrare tutte le tensioni e quindi sarà un punto sovracaricato, perciò si romperà per prima. Affinché la rottura avviene nel tratto Lo, io posso accettare la prova. Se viene al di fuori di Lo, cioè vicino alle teste di afferraggio, significa che quel difetto è talmente importante che mi ha cambiato il comportamento del materiale. La resistenza che andrò a misurare non sarà affidabile perché sarà la resistenza di un materiale troppo difettato per poterlo prendere in considerazione. Perché le estremità sono di sezione maggiore e devono essere raccordate alla percentuale? Abbiamo detto che la prova è una prova monoassiale e sul tratto Lo l’unica forza che il provino deve sentire è quella diretta lungo il suo asse longitudinale. Ma se afferro le estremità tramite delle ganasce oltre alla forza di trazione c’è una forza di compressione. Quindi il nostro provino sarà caratterizzato da: 1. diametro iniziale della sezione del provino do 2. lunghezza utile di misura Lo 3. lunghezza tratto a sezione costante Lc La normativa ci suggerisce che: se il provino è proporzionale significa che Lo è proporzionale a do. La normativa diche che: 1. Diametro d0= 3 - 30 mm 2. Lunghezza tratto di misura L0= 5 - 10 d0 3. Lunghezza tratto (del provino) a sez. costante Lc= L0 + 0.5 - 2 d0 La normativa non ci dà la misura, ma un intervallo in cui scegliere la misura di do o Lo, affinché si continui ad avere la proporzionalità fra di loro. (Se ad esempio abbiamo già provini forti di un determinato diametro) Se li dobbiamo fare daccapo sceglieremo le misure più piccole affinché si risparmi il materiale e quindi i costi. Significa che Lo misura Lo = 5 do  Lo = 15 LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 3 MACCHINA UNIVERSALE DI PROVA per le prove di trazione La macchina che viene usata per le prove di trazione è la macchina universale di prova (https://www.youtube.com/watch?v=D8U4G5kcpcM). Perché si chiama ‘macchina universale di prova’? Perché non serve solo per la prova di trazione, ma per tutte le prove meccaniche statiche. TRAVERSE È costituito da 2 traverse, una superiore e una inferiore. Una delle due traverse è mobile, si muove, cioè trasla verticalmente. In alcune macchine si muovono entrambe. Dove si muovono? Scorrono lungo dei montanti a colonna Traversa superiore e inferiore PRIMO e SECONDO montante Ganasce LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 4 GANASCE Sulle traverse sono montate le ganasce per afferrare il provino. Le estremità delle ganasce si stringono per afferrare il provino. Esse variano al variare della geometria del provino. Possono essere anche filettate per evitare che il provino svincoli dalla presa, oppure possono essere intagliate per alloggiare il provino, più o meno grandi. PARTENZA DELLA PROVA Dopo aver stretto il provino fra le ganasce, facciamo partire la prova. Questa prova monoassiale è una prova a velocità imposta! (non a forza imposta) La traversa mobile si dovrà traslare con una certa velocità. Abbiamo detto che è una prova statica, quindi la velocità è compresa V = 2 / 10 mm/min La velocità è sempre la stessa dall’inizio fino alla fine della prova. Un altro parametro che non deve variare è la temperatura, dovrà essere sempre la stessa e verrà impostato all’inizio della prova, cioè a temperatura ambiente, a meno che dipende dal luogo in cui si trova e la T di evaporazione deve essere diversa dalla temperatura ambiente, allora la macchina sarà composta da una camera termica che mi permette di fare prove ad alta temperatura se ci troviamo in luogo freddo e viceversa. Avviata la prova, il provino incomincia a sentire la forza ed allungarsi. Contemporaneamente alla prova si ha un software che mi segna tutti i dati e otteniamo la cura di carico. FORZA Spostamento/ allungamento DELTAL LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 7 lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico  FORMULA DI HOOK E = MODULO DI YOUNG (modulo di elasticità lineare) E = tanalfa (pendenza di questo primo tratto della curva di carico) Il modulo di Young è la prima caratteristica importante del materiale, ci dice quanto è elastico il materiale. Quanto è più grande alfa, cioè quanto più è grande/alta la pendenza di questo primo tratto, tanto più rigido è il materiale. Il tratto 01 viene detto tratto elastico lineare. Elastico perché il comportamento del materiale elastico significa che se io carico il materiale in valore di forza F che provoca un allungamento DELTAL1, e concludo la prova, cioè scarico il materiale e apro le ganasce, la curva 01 torna a zero, torna ad avere FORZA NULLA perché ho annullato la forza sul materiale. Dato che il comportamento è elastico la curva seguirà il comportamento di andata detta curva di scarico quindi la curva di scarico coincide con la curva di carico in questo primo tratto (perché il comportamento è elastico). Il materiale non conserverà nessuna deformazione da questa prima fase di carico. Cosa significa a livello microscopio? Ogni deformazione esterna si riflette anche internamente. Significa che internamente gli atomi si stanno muovendo. Se mi trovo nella condizione del tratto 01, durante la fase di scarico glia tomi ritornano al loro posto. Durante la fase di carico ho ceduto energia perché ho compiuto lavoro. Tale energia mi viene ridata durante la fase di scarico. Tale energia ci serve per dare energia agli atomi di ritornare nuovamente alla struttura precedente. Per questo non c’è arco tra la curva di scarico e carico ma coincidono. TRATTO 1-2 TRATTO 1-2  tratto elastico non lineare Non è lineare perché non vale più la legge di Hook ed elastica perché consideriamo il comportamento del materiale elastico anche se non è così. In realtà se scarico il provino nel punto 2 cioè fermo la prova, la curva di scarico non segue più il percorso 2-1-0 ma la forza si annullerà (si porterà a zero) lungo la PARALLELA al tratto elastico lineare  avrò quindi una deformazione residua e dato che è minima la trascuro e considero anche lungo il tratto 12 un comportamento elastico del materiale. σ = Eε LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 8 Dal punto 2 si ha un fenomeno detto SNERVAMENTO fino al punto 4. P.S. studiamo il diagramma di un acciaio dolce perché è una curva che presenta tutti i punti. Ogni materiale ha una sua curva di carico. Osserviamo nel punto 2 una caduta di carico e un tratto a forza costante F3. Vediamo che lungo questo tratto l’allungamento aumenta DELTAL3 a DELTAL4 ma la forza non aumenta. Il punto 2 si chiama punto di snervamento iniziale e il punto 4 punto di snervamento finale. Perché si ha questo comportamento? Dobbiamo pensare che la traversa si sta sempre muovendo con la stessa velocità verso l’alto (se consideriamo una traversa mobile) Anche se il provino si sta allungando c’è un momento in cui sente caduta di carico e perde una forza interiore e dopo diche continua ad allungarsi a forza costante. A cosa è dovuto questo fenomeno? Grazie a chi? Abbiamo detto che gli atomi stanno muovendo e da questo punto 3 in poi non hanno più bisogno di una forza crescente ma continuano a muoversi, questo grazie ai difetti (dislocazioni). Gli atomi scorrono fino ad arrivare alle dislocazioni e si assesteranno senza che sia necessaria una forza crescente. • Durante il taglio, gli atomi scorrono uno sull’altro • Lo scorrimento avviene per il movimento delle dislocazioni LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 9 Ma una volta assestati gli atomi abbiamo un’altra fase detta INCRUDIMENTO dove la forza deve di nuovo crescere per avere l’allungamento del provino. Cosa è successo? Che gli atomi si sono assestati nella dislocazione e si dice che si è formata una FORESTA DI DISLOCAZIONI che ora ostacola l’interiore deformazione ovvero lo scorrimento degli atomi, quindi il provino deve risentire di questa forza crescente. DEFORMAZIONE PLASTICA Da questo momento in poi (dal punto 4 in poi) si ha la deformazione plastica o permanente significa che gli atomi rompono i loro legami precedenti e si vanno a posizionare in nuove posizioni di MINIMA ENERGIA, si riposizionano in equilibrio (legami tra i piani atomici si intende). Perciò ad esempio se dal punto 4’ interrompo la prova a scarico il materiale, la forza si porterà a zero (si annullerà secondo la curva di scarico parallela sempre al tratto elastico lineare). Qualunque punto in poi dal punto 4 io interrompo la prova, annullo la forza, la curva di scarico seguirà sempre la parallela al tratto elastico lineare. Cosa significa? Se mi fermo al punto 4’ io ho allungato il provino fino a DELTAL4’ ma quando vado a scaricare il provino e vado a misurare il suo allungamento non è più DELTAL4’ ma sarà DELTAL’4’. Che cosa rappresenta l’area di questo triangolo? [DELTAL’4’DELTAL4’ 4’] Rappresenta l’energia che il provino restituisce per portarsi alle condizioni di DELTAL’4’. Viene detta ENERGIA ELASTICA, che viene restituita una volta scaricato il provino. E tutta l’energia sottesa all’intera curva? È l’energia che il materiale conserva per mantenere queste nuove condizioni di equilibrio cioè l’energia necessaria per deformare permanente il materiale. Alla fine il valore di ENERGIA TOTALE che devo fornire al materiale per arrivare al punto 4’ è uguale ad una ALIQUOTA che chiamo Epl = energia plastica che il materiale conserva Più un’aliquota di energia Ee = energia elastica che il materiale restituisce Etot = Epl + Ee Quindi per deformare il materiale devo compiere un lavoro e trasferisce al provino una certa quantità di energia. LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 12 Al di sotto del sigma di snervamento il materiale non causerà deformazioni e ho comportamento elastico. Al di sopra del sigma di snervamento il materiale ha una deformazione permanente e ha un comportamento plastico.  RESISTENZA A TRAZIONE cioè il SIGMAs  CARICO ULTIMO cioè SIGMAg  ALLUNGAMENTO A ROTTURA (calcolato in %) A = [(Lu-Lo) /Lo]x100  COEFFICIENTE DI STRIZIONE Z = [(So-Su) /So]x100 L’allungamento a rottura e il coefficiente di strizione sono 2 parametri importanti perché ci danno INFORMAZIONI SULLA DUTTILITA’ E FRAGILITA’ DEL MATERIALE. Un MATERIALE FRAGILE ha un allungamento a rottura più o meno del 7% Un MATERIALE DUTTILE ha un allungamento a rottura più o meno del 30% Es. Materiale fragile = vetro (non si allunga e non presenta strizione e la rottura avviene per schianto) Es. Materiale Duttile = acciaio (materiale che si allunga del 30% rispetto alla lunghezza iniziale e presenta strizione)  ENERGIA ASSORBITA è un indice di duttilità e fragilità del materiale. Un materiale fragile si rompe per schianto e non assorbe energia, un materiale duttile assorbe energia per deformarsi prima di rompersi, per allungarsi o stritolarsi. DUTTILITA’ = Proprietà tecnologica della materia che indica la capacità di un corpo o di un materiale di deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a rottura, cioè la capacità di sopportare deformazioni plastiche. Un corpo è tanto più duttile quanto maggiore è la deformazione raggiunta prima della rottura. LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 13 https://www.youtube.com/watch?v=lXyG68_caV4&feature=youtu.be CURVE SIGMA-EPSILON PER DIFFERENTI MATERIALI METALLICI LA PROVA DI TRAZIONE MONOASSIALE Secondo normativa 14 Dalla curva dell’acciaio C10 alla curva C70 cambia la RIGIDITA’ andiamo su RIGIDITA’ CRESCENTI la prudenza è maggiore. Cambia anche la RESISTENZA CARICO ULTIMO, DUTTILITA’ DEL MATERIALE  abbiamo allungamenti a rottura diversi, tutto questo è causato dalla % DI CARBONIO NEL FERRO. MAGGIORE È LA QUANTITA’DI CARBONIO PIU’ IL MATERIALE SI IRRIGIDISCE, cioè diventa PIU’ RESISTENTE e MENO DUTTILE. OGNI MATERIALE HA UN SUO COMPORTAMENTO E QUINDI UNA SUA CURVA DI CARICO. All’aumentare della % di Carbonio aumenta la rigidità. Come risultato della prova otteniamo la curva forza allungamento. La curva dovrebbe idealmente corrispondere allo spostamento della traversa all’allungamento del provino. Ma questo idealmente perché il provino non è solidale alla macchina che non è un pezzo unico, ma ci sono delle ganasce le quali possono essere smontate, cambiate eccc.. Possono esserci infatti dei giochi fra la traversa e le ganasce o tra ganasce e provino. Quindi lo spostamento della traversa non può corrispondere all’allungamento del provino. Se non ci interessa un’altra precisione possiamo anche considerare buono il risultato. STRUMENTI PER MISURE PRECISE Ma se vogliamo misure effettivamente precise dobbiamo usare due strumenti: 1) ESTENSIMETRO (se sono elettrici) è la stessa cosa dell’estesiometro e da alla fine lo stesso segnale di deformazione ma per primo ci darà un segnale elettrico che verrà trasmesso all’estensimetro. Consideriamo al curva di carico del rame = non si vede lo snervamento ma abbiamo un semplice cambiamento di pendenza ma lo snervamento c’è sempre. C’è sempre un sigma che ci crea la deformazione e plastica permanente. COME SI PRENDE SULLE ASCISSE? Scegliamo ad esempio la 0.2% e tracciamo la parallela al tratto elastico lineare e la intersechiamo alla curva e così ci ricaviamo il sigma di snervamento. LA PROVA DI COMPRESSIONE Che differenza c’è con la prova di trazione? DIFFERENZA SOSTANZIALE: La traversa mobile si muoverà in senso opposto, cioè deve comprimere il provino sempre a velocità costante. Non si arriverà ad un punto di rottura ma si avrà l’aumento della sua sezione. La geometria del provino non potrà essere più ad osso di cane. - Provette cilindriche o prismatiche Le ganasce non terranno più le estremità del provino, ma dei piatti che lo comprimeranno. La prova di compressione può essere di tre tipi: 1. DI FRANTUMAZIONE (materiali fragili) andremo a distruggere il materiale. 2. COMPRESSIONE MECCANICA 3. DI SCHIACCIAMENTO (usato per i polimeri) DIFFICOLTA’ NELL’INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Un parametro incontrollabile durante la prova è L’ATTRITO TRA LE SUPERFICI DI CONTATTO TRA I PIATTI E IL PROVINO, il quale influenza la deformazione del provino. - LA PROVA DI COMPRESSIONE Otteniamo anche qui una: CURVA FORZA-SPOSTAMENTO Ho un incremento, una fase quasi costante e poi un’impennata finale. L’incremento è dovuto dalla sollecitazione, aumenta più la sollecitazione che la deformazione. Perché? Perché partiamo da un materiale fermo. C’è un’inerzia iniziale del materiale che esso oppone alla deformazione, Quindi la forza deve essere notevole per incominciare a comprimerlo e a deformarlo. Poi segue un TRATTO COSTANTE come SOLLECITAZIONE, ma si deforma molto perché una volta vinta l’inerzia iniziale il materiale si comprime e deforma senza opporre resistenza. IMPENNATA FINALE: Il materiale ha raggiunto il suo limite e non può essere compresso più. Il TRATTO COSTANTE è agevolato dai difetti. Una volta assestati tutti i difetti il materiale non si deforma più e quindi la sollecitazione subisce un’impennata. I valori relativi a 3 tratti variano da materiale a materiale e sono diversi tra loro. PROVA DI FLESSIONE La prova di flessione è una prova meccanica statica. Il provino viene messo in flessione, più specificamente un PROVINO PRISMATICO, posto su 2 supporti e caricato nel punto centrale. Per fare la prova utilizziamo sempre la MACCHINA UNIVERSALE DI PROVA. In questo caso la ganascia inferiore però afferrerà un UTENSILE dove verrà posto il provino. La LUCE DEL PROVINO è la lunghezza del provino che ci interessa. Le parti esterne non intervengono alla prova perché la risposta del provino ci è data da questa zona qui. Ovviamente se cambia la luce cambia la risposta del materiale. Perché? La normativa ci dice che la luce deve essere proporzionale alla larghezza del provino. [La luce deve essere 20 volte la larghezza del provino] Il provino sarà compresso nel punto L/2. Questa prova si chiama PROVA DI FLESSIONE SU 3 PUNTI (1, 2, L/2). PROVA DI FLESSIONE PROVA DI FLESSIONE A 4 PUNTI Posta su particolari materiali e in particolari condizioni (Utilizzata anche per avere informazioni sul comportamento a taglio del materiale) Non avremo più un PUNTO DI SOLLECITAZIONE CENTRALE ma avremo 2 PUNTI DI SOLLECITAZIONI. Il nostro utensile non prevederà un solo percussore di applicazione del carico ma 2. Su 4 punti perché avremo i 2 soliti punti di appoggio e poi 2 punti di carico. RISULTATI Nella prova di flessione avremo che la sollecitazione massima, quindi la resistenza massima, è data: momento flettente modulo di resistenza a flessione distanza tra gli appoggi / (luce) P = carico applicato f = modulo flettente (di quanto si inflette il provino) f  L 48 FL 3 EI  1 12 M f L 2 EI max  M f W M f  PL 4 PROVA DI FLESSIONE F = sempre il carico L = distanza tra gli appoggi I = momento di inerzia di area rispetto al piano neutro LA PROVA DI DUREZZA 1 La prova di durezza è una prova meccanica statica. SCOPO: Quanto è duro il materiale? DUREZZA: la definizione che useremo di durezza è quella legata alla prova meccanica eseguita (dato che ci sono molte sue definizioni). La durezza la definiamo come RESISTENZA alla deformazione plastica, significa che la prova meccanica studiata comporterà una deformazione plastica al materiale. LA PROVA Abbiamo un utensile, INCUDINE, dove appoggiamo la PROVETTA, la quale ha superfici piane. Poi abbiamo un PENETRATORE (la sua forma geometrica dipenderà dal tipo di prova). Esso viene accostato alla superficie della provetta, dopodiché incominciamo ad applicare una FORZA STATICA con VELOCITA’ COSTANTE MOLTO BASSA. Il penetratore sotto l’azione di questa forza incomincerà a deformare la superficie cioè a penetrarlo. Maggiore è il CARICO più profonda sarà la prenotazione quindi più profonda sarà la deformazione. Applicato il carico scarichiamo il materiale, allontaniamo il penetratore dal materiale e vedremo un’IMPRONTA, cioè una DEFORMAZIONE PLASTICA. La andiamo a misurare, dalle sue dimensioni andiamo a ricavare la durezza del materiale. La prova di durezza viene fatta con una MACCHINA OPERATRICE detta DUROMETRO. Penetratore Incudine Pezzo Forza Impronta LA PROVA DI DUREZZA 4 PROVA BRINELL * TIPO DI PENETRATORE = il penetratore è una sfera di acciaio temprato o carburo di tungsteno, la tempra (è un trattamento termico che serve ad incrudire il materiale). Il materiale usato deve essere duro perché se no quando vado a fare le prove, deformando il pezzo, deformo anche il penetratore. La sfera può avere vari DIAMETRI e questo dipenderà dallo spessore della provetta: - s < 3 mm D = 2.5 mm - 3 mm < s < 6 mm D = 5 mm - 6 mm < s D = 10 mm SCELTA DELL’ENTITA’ DEL CARICO P Come scegliamo l’entità di carico P? P = KD2 k = costante del materiale (quindi ci sono valori tabellati) LA PROVA DI DUREZZA 5 D = diametro della sfera I VALORI DI k SONO TALI DA OTTENERE IL VALORE DI P in Kp Quindi [k] = Kp/mm2 Quindi cosa misura k? Indica la RESISTENZA DEL MATERIALE Se il Dmax della sfera è 10, k potrà essere max = 30 Quindi possiamo applicare carichi fino a P = 30 X 100 = 3000 Kp con la prova Brinell. DEFINIZIONE DI DUREZZA BRINELL La durezza Brinell si indica con HB (Hardness Brinell) e sarà uguale al carico su una superficie, perché noi appunto applichiamo un carico tramite il penetratore su una superficie: HB = P/S Kp/mm2 S = superficie dell’impronta (perché la durezza è legata all’impronta) Più sarà piccola l’impronta più è alta la durezza del materiale. f = profondità dell’impronta pigrecoD = perché il penetratore è una sfera (nella partentesi ho scomposto f in OA – OB) Quindi sostituendo avremo la durezza di Brinell: )( 2 22 dDD D DfS    LA PROVA DI DUREZZA 6 Una volta allontanato il penetratore andremo a studiare l’impronta al microscopio. L’impronta sarà CIRCOLARE perché il puntatore è sferico. Andremo ad effettuare la sua misura per ottenere la sua durezza, ma faremo più misure ORTOGONALI, perché l’impronta potrebbe non essere perfettamente circolare perché quando sulla provetta viene applicato il carico, questo può incontrare un difetto/impurità. Quindi prendo queste 2 ortogonali e faccio la media, in questo modo mi avvicinerò quanto più vicino alla realtà. Quando faccio una prova di durezza so il carico che sto applicando, perché abbiamo detto che il carico dipende sia dal materiale tramite k, sia dalla geometria del materiale tramite il D della sfera, ricordandoci che il D della sfera è legato allo spessore del pezzo. Quindi: ATTRAVERSO IL D DELLA SFERA IL CARICO È FUNZIONE DELLA GEOMETRIA DEL NOSTRO PEZZO. Il carico è quinti noto, tramite la prova ricaviamo il d dell’impronta e con questi due valori uso delle tabelle. Una volta noto il CARICO e il DIAMETRO esistono delle tabelle in cui potremo sapere la durezza Brinell. Ma possiamo sempre calcolarla tramite la formula finale prima ottenuta. Nella NOTAZIONE FINALE dovrò scrivere: Con 5/750/30 cosa indichiamo? 5 = diametro della sfera (D) 750 = carico applicato (P) 30 = tempo di applicazione (t) HB  2P D(D D2  d2) Notazione finale: HB 5/750/30 = 185 Kp/mm 2 LA PROVA DI DUREZZA 9 PROVA VICKERS Il PENETRATORE è una PIRAMIDE CON PUNTA DIAMANTATA con BASE QUADRATA. Daro che è a punta è più soggetta a rompersi rispetto alla sfera quindi viene rinforzata da una superficie diamantata. Se il materiale studiato fosse perfetto l’impronta dovrebbe essere un quadrato, ma invece otterremo un ROMBO. Lo andremo a misurare: andiamo a misurare le diagonali. CARICO APPLICATO P = 30 / 50 Kp DIFFERENZA CON LA PROVA BRINELL Rispetto alla prova Brinell il carico è meno pesante perché se no la punta tenderebbe a rompersi, quindi in questa prova a differenza della precedente andremo a misurare la DUREZZA SUPERFICIALE. DEFINIZIONE DI DUREZZA VICKERS LA PROVA DI DUREZZA 10 PROVA DI MICRODUREZZA Con lo stesso penetratore della prova Vickers lo usiamo nelle prove di microdurezza, PIRAMIDE CON PUNTA DIAMANTATA CON BASE QUADRATA. SCOPO: Poiché i carichi variano tra P = 100 / 500 gr, ci troviamo sulle centinaia di gr, quindi solo molto più leggeri dei precedenti. Ci troveremo proprio in superficie e quindi TESTEREMO LA DUREZZA DEL GRANO, oppure per misurare la durezza dei LAMERINI. Oppure serve anche a testare la durezza dei FILI (ad es. quelli di rame nei circuiti). CARICO P P = 100  500 gr Possiamo anche usare un altro tipo di penetratore a punta piramide a base rombica (KNOOP). Questa viene utilizzata quando la larghezza della provetta è molto piccola e la lunghezza molto lunga. DEFINIZIONE DI DUREZZA KNOOP LA PROVA DI DUREZZA 11 PROVA ROCKWELL C Avremo una PROVA ROCKWELL C se il penetratore è un CONO con PUNTA DIAMANTATA e un angolo al vertice di 120°.  = 120 Per la PROVA ROCKWELL B viene utilizzato un penetratore a sfera di acciaio temperato con: D=1/16; 1/8; ¼; ½ di pollice Come avviene la prova? Modalità di esecuzione Applichiamo dapprima un PRE-CARICO. Seguito poi da un CARICO. Il PRE-CARICO lo chiamiamo Fo mentre il CARICO F1. Se applichiamo il pre-carico il penetratore si porterà ad una PROFONDITA’ Io. Al pre-carico poi aggiungiamo il carico F1 il penetratore si porterà ad una profondità maggiore I1. A questo punto scarichiamo il materiale al solo carico F1 cioè ANNULLIAMO solo F1. Il penetratore si porterà ad una profondità I2 la quale sarà Io < I2 < I1. La differenza tra I1 e I2 lo indichiamo con ‘e’, questo mi darà il VALORE DI DUREZZA. Questa è ciò che accade nella prova Rockwell. Accade ciò perché questa prova è l’unica che non dobbiamo vedere i suoi effetti al microscopio. I 2 - I 1 = e LE PROVE DINAMICHE 2 PENDOLO DI CHARPY La prova di resilienza usufruisce di una macchina detta PENDOLO DI CHARPY. Vi è un pendolo, il provino è prismatico con sezione quadrata, lato 10 mm. Il pendolo oscilla. Il provino si trova con una certa altezza h che chiameremo QUOTA ZERO. Il pendolo partirà da una altezza h INIZIALE. Il pendolo sarà bloccato a questa quota iniziale. Poiché la massa è quella ed è nota anche l’altezza iniziale è quella anche ci è nota, significa che L’ENERGIA POTENZIALE DEL PENDOLO È NOTA ED È SEMPRE LA STESSA. Da qui parte: PER AVVIARE LA PROVA SBLOCCHIAMO IL PENDOLO IL QUALE OSCILLERA’ IN CADUTA LIBERA. Nel momento in cui inizia a muoversi tutta l’energia potenziale incomincia a trasformarsi in ENERGIA CINETICA. Oscilla fino a colpire il provino. Il provino è poggiato su dei supporti e l’avanzamento del provino in avanti è impedito da 2 spallette (il provino deve essere bloccato nel momento in cui il pendolo lo colpisce). Quando il pendolo colpisce il provino, esso si deforma sempre di più fino a rompersi. Quando il provino si rompe il pendolo oltrepassa la zona dove era poggiato il provino ed arriverà ad un’ALTEZZA FINALE la quale sarà MINORE di quella INIZIALE, perché una parte della sua energia viene trasferita al provino. Il provino la assorbe e la utilizza per deformarsi fino ad arrivare a rottura. LE PROVE DINAMICHE 3 Quando l’altezza finale è QUASI UGUALE all’altezza iniziale? Quando abbiamo un materiale FRAGILE come il VETRO il quale non ha deformazione plastica ma subito si rompe quindi assorbe pochissima energia. Più un materiale è tenace, più l’altezza del pendolo è piccola (perché deve assorbire più energia per deformarsi plasticamente fino a rottura). Come facciamo ad avere informazione sull’energia assorbita? Vi è una scala graduata sul pendolo. Quando il pendolo raggiunge la massima altezza dopo aver colpito il provino si blocca sul valore. Il PENDOLO è tagliato, vi è un cunco che impatta il provino. Al lato opposto vi è un intaglio. Nel punto impattato la sezione resistente del provino 10x10 è più piccola in base alla profondità dell’intaglio. La sezione è più piccola per favorire la rottura perché sarà un punto con più alta concentrazione di tensione. Possiamo osservare 3 FASI DELLA ROTTURA: INNESCO: se il materiale è intero, viene colpito dal pendolo, incomincia a deformarsi. Ci sarà un momento durante tale trasformazione che la rottura comincerà in punto ovvero dove è l’INTAGLIO. Il materiale va in trazione e compressione e dove è in trazione che incomincia a rompersi. Quindi è li dove avrò l’innesco di tensione. PROPAGAZIONE LENTA/DUTTILE: la rottura poi si propaga per tutta la sezione. Con quale velocità si propaga la rottura? (la direzione è proprio quella dessa sezione) Dipende dalla DUTTALITA’ o FRAGILITA’ del materiale. Quanto più è fragile il materiale la velocità sarà più alta. Un materiale duttile la velocità è minore. PROPRAGAZIONE FRAGILE: man mano che la ROTTURA SI PROPRAGA ad esempio lenta, mentre se consideriamo un acciaio (materiale duttile) succede che la SEZIONE RESISTENTE diventa sempre più PICCOLA, il carico è sempre quello ma la sezione sarà sempre più piccola tanto che si avrà una ‘rottura per schianto’ come se fosse un materiale fragile. [se un materiale è fragile la rottura si riduce a sole 2 fasi: innesco e propagazione fragile]. Abbiamo due tipi di INTAGLI: LE PROVE DINAMICHE 4 PROVETTA CHARPY INTAGLIO DI CHARPY: è a forma di U. La profondità dell’intaglio è di 5 mm. Quanto misura la sezione resistente? 5 x 10. PROVETTA CON INTAGLIO A V È a forma di V. La profondità dell’intaglio è di 2mm. Quanto misura la sezione resistente? La sezione resistenze misura 8 x 10. LE PROVE DINAMICHE 7 LE PROVE DI FATICA Importanti per le applicazioni dei materiali in CONDIZIONI DI CARICO REALI. Qualunque struttura sottoposta a carico/carichi è sottoposta a cicli di fatica. FATICA =DEF= STANCHEZZA DI UN MATERIALE Esempio tipico: l’ala di un aereo. L’oscillazione dell’ala è un carico di fatica. Il CARICO DI FATICA è un CARICO PERIODICO. Un carico che varia con legge ciclica nel tempo (si ripete nel tempo). Non è come il carico di impatto che è istantaneo. Che succede quando un materiale è sottoposto a fatica? Si rompe per stanchezza e si rompe in corrispondenza di un valore di resistenza che è INFERIORE al valore di RESISTENZA STATICA di un materiale valutato con la prova di trazione. LE PROVE DINAMICHE 8 Es: sappiamo che un materiale ha una resistenza di 450 Mpa. Io mi aspetto che resista ad una SOLLECITAZIONE DI 450 Mpa. Ma quando invece è sottoposto a FATICA, la sua resistenza è INFERIORE cioè si rompe in corrispondenza di un carico inferiore rispetto a quello valutato con la sua resistenza statica. Un materiale che si stanca, si rompe per un valore di sollecitazione inferiore rispetto ad un materiale che non è stanca. Un’ala sottoposta a sollecitazioni nel tempo, all’inizio funziona, dopo un po’ incomincia ad innescarsi la rottura in un punto (fase di innesco rottura). La fase precedente dell’innesco (scorrimenti oltre il limite di rottura (microcricche)) è chiamata FASE DI INCUBAZIONE (perché si ha l’idea della rottura. L’ala incomincia ad oscillare, dopo vari voli (cicli) la struttura incomincia a staccarsi (dopo vari cicli di carico) che la porterà alla rottura. Si romperà in punto d rottura (dove c’è un PUNTO DI DEBOLEZZA/PUNTO DI DIFETTO o UN PUNTO DI DISCONTINUITA’ dovuta alla geometria o uno SPIGOLO ecc..). Poi avviene la propagazione è veloce se il materiale è fragile, è lento se il materiale è duttile. Anche qui ci sono 2 FASI DI PROPAGAZIONE: man mano che la rottura si proroga la sezione di rottura diventa sempre più piccola e quindi diventa meno resistente al carico iniziale che è sempre lo stesso fino a che non è diventato talmente piccolo che non resiste più al carico e si rompe per schianto. COME E’ CARATTERIZZATO UN CARICO DI FATICA??? Se deve essere un CARICO CICLICO segue una SINUSOIDE. Essa è un’OSCILLAZIONE, raggiungerà un massimo e un minimo nel TEMPO. ABBIAMO UN’ALTERNANZA DI SOLLECITAZIONI e abbiamo TIPI DI SOLLECITAZIONE che si possono ALTERNARE cioè TRAZIONE, COMPRESSIONE, FLESSIONE, TORSIONE, TAGLIO. Queste sono le SOLLECITAZIONI che possiamo trovare in 1 ciclo di fatica. TIPI DI CICLO Distinguiamo: CICLO ALTERNO SIMMETRICO Questo carico è caratterizzato come? LE PROVE DINAMICHE 9 Abbiamo un carico alterno simmetrico. Parte da zero, il pre-carico quindi è nullo, perché la struttura parte scarica. Il carico incomincia a crescere nel quadrante positivo, perché per convenzione ad una sollecitazione positiva si associa la trazione. Se invece la sollecitazione è negativa gli si associa una compressione. Quindi: la struttura parte scarica poi viene posta a trazione fino a raggiungere il valore massimo di trazione fino a che non diminuisce e si alterna alla compressione fino ad un valore massimo di compressione fino ad annullarsi e alternarsi alla trazione. Quindi un ciclo alterno simmetrico presenta un precarico nullo e alternanza di trazione compressione in cui max sono UGUALI in valore assoluto. CICLO ALTERNO ASIMMETRICO Uguale al 1° per alternanza di compressione e trazione. Il precarico non è uno cioè la struttura è già carica e i valori di max di trazione e con flessione non sono uguale in valore assoluto. Anche in questo caso si alternano carichi di trazione e compressione no con valori max uguali. Non sono simmetrici. CICLO DALLO ZERO Anche qui il pre-carico è diverso da zero. Su questa struttura il carico di fatica è costituito da trazione la quale raggiunge un max e poi incomincia a diminuire l’entità del carico fino ad annullarsi per poi riprendere. La situazione può essere perfettamente speculare, cioè ALLO ZERO, inizia un precarico di compressione aumenta fino a raggiungere un max poi si annulla e così via. CICLO PULSANTE Si alterna la trazione che avrà un massimo e un minimo. Il precarico è diverso da zero. La struttura sarà sempre in trazione. ------------ (non si porta mai allo zero). Questo carico è un CARICO PERIODICO il quale ha numerose caratteristiche: cioè ha un precarico che lo caratterizza, ha una sollecitazione massica che lo caratterizza, ha una sollecitazione minima che lo caratterizza, ha un’ampiezza della sollecitazione, e ha una sollecitazione media che lo caratterizza.  A = ( max -  min ) /2  m = ( max +  min ) /2