Relazione di Laboratorio di Meccanica ( materia TMPP, Meccanica): PROVA DI TRAZIONE, Esercizi di Meccanica

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RELAZIONE DI MECCANICA LABORATORIO TECNOLOGICO: LA PROVA DI RESISTENZA A TRAZIONE Anno scolastico 2021/2022 Classe **** Indice……………………………………………………………………………………………..p. 1 La prova di resistenza a trazione………..……………………………………………………….p. 2 Scopo della prova……………………………………………………………………………….…p. 3 Condizioni della prova…………………………………………………………………………….p. 3 Macchina universale………………………………………………………………………………p. 3 Provette per la prova di trazione…………………………………………………………………p. 5 Tracciatura della provetta…………………………………………………………………………p. 6 Lettura del provino dopo la prova di trazione……………………………………………...……p. 6 Analisi della frattura…………………………………………………………………………….....p. 8 Descrizione della prova…………………………………………………………………...………p. 8 Definizioni formali……………………………………………………………...…………….…..p. 10 Passaggi per l’esecuzione della prova…………………………………………………...….…p.11 Raccolta dati……………………………………………..……………………………………..…p. 11 Elaborazione dati…………………………………………………………………………………p. 12 Considerazioni finali………………………………………………………………………..….…p. 13 1 La macchina universale è la macchina generalmente usata per fare questo tipo di prove distruttive. La macchina utilizzata per la nostra prova è costituita da un pistone idraulico, una incastellatura, due ganasce/locazione dove poter posizionare le code del provino, un elemento che va a misurare l’allungamento del provino (nel nostro caso un filo che mette in rotazione un rullo su cui viene posizionato un foglio che andrà a formare il grafico, nelle macchine più nuove è presente la predisposizione per l’estensimetro), uno strumento per misurare il carico applicato al provino (nel nostro caso una scala graduata a orologio e un meccanismo sempre mosso da fili per muovere verticalmente la penna sul rullo sopracitato). La normativa prevederebbe un carico statico di 9.8N/(mm2s) (da manuale). Purtroppo la macchina utilizzata per la prova non ha strumenti per misurare questo avanzamento, quindi viene fatto in modo approssimativo. Questo comunque non andrà a intaccare i risultati della prova. Il termine “universale” si riferisce alla grande variabilità di prove che questa macchina ci consente di effettuare, grazie alla flessibilità consentita dalla possibilità di utilizzare accessori specifici per le più disparate esigenze. Essenzialmente queste macchine consentono di applicare forze controllate, offrendo la possibilità di esplorare il comportamento del materiale sottoposto a sollecitazioni. Esistono varie tipologie, in base al principio di funzionamento (idraulico, elettromeccanico, e più raramente pneumatico) e alle caratteristiche costruttive (a una, due o più colonne, a cilindro centrale, ecc.). La macchina dà la possibilità di regolare la velocità della ganascia superiore. Consente di poter caricare forze da 100 a 2000 N. Schema macchina prova materiali con dinamometro e pulsatore 4 PROVETTE PER LA PROVA DI TRAZIONE Il provino è una barretta a sezione costante circolare, quadrata o rettangolare, costituita in modo da avere le estremità robuste atte al serraggio. Esistono quattro tipi di geometrie standardizzate da UNI. La provetta utilizzata per la nostra prova di trazione rispetta la vecchia normativa in cui la provetta doveva essere proporzionale secondo criteri specifici. il prelievo e la preparazione del provino devo avvenire per asportazione di truciolo La norma attuale invece rende la prova di trazione più libera dettando solo alcune parti della provetta: la provetta deve avere una lunghezza a dimensioni costante, la parte a diametro costante deve essere ben divisa dalla parte da inserire all’interno delle ganasce o degli alloggiamenti e possibilmente bisognerebbe evitare spigoli vivi che potrebbero creare un incremento di carichi in quel punto invalidando la prova. Con il termine “saggio” si intende la parte di materiale, prelevata dall’elemento di cui si vuole effettuare il collaudo, in quantità sufficiente per ricavare da esso una o più provette. Si definisce “barrotto” la parte del saggio, che ha subito un trattamento meccanico ed eventualmente un trattamento termico, destinato alla preparazione delle provette. La provetta è parte di un “saggio”. Essa ha forma e dimensioni fissate, lavorata di macchina o no, portata allo stato voluto per subire una determinata prova. Sulla provetta può essere effettuato un trattamento termico che conferisca uno stato diverso da quello di partenza. In una provetta si distinguono le seguenti parti: - La lunghezza totale (Lt); - La lunghezza della parte centrale calibrata (Lc); - La lunghezza iniziale (L0) delineata tra i due riferimenti “2”; - Il diametro della parte calibrata (D0); - Le teste di serraggio “1” che hanno forma (ad esempio possono essere filettate) e dimensioni tali da essere afferrate dalle ganasce della macchina universale; - I raccordi ad arco di cerchio tra la parte calibrata e le teste di serraggio per i motivi precedentemente descritti. La norma relativa al prelievo del provino è la UNI 551-86. La geometria del provino può variare in funzione del materiale da testare, dal processo tecnologico con cui è stato prodotto il materiale (es. stampaggio, fusione, etc.) e dalla tipologia di componente da cui il provino è stato ricavato. 5 I provini devono avere una lunghezza Lc tale che: 𝐿𝑐 = 𝐿0 + (0, 5 ÷ 2) * 𝑑 Inoltre, il tratto utile L0 viene ricavato, generalmente, dal diametro: 𝐿0 = 5𝑑 TRACCIATURA DEL PROVINO La provetta prima della prova va “divisa” tramite tracciatura sulla lunghezza utile prendendo come riferimento i due capi di questa e dividendo la lunghezza in parti uguali e pari. Per eseguire questa operazione esiste un apposito strumento che tramite delle camme alza e abbassa uno strumento in acciaio rapido in relazione all’avanzamento del piano. I segni apportati sul provino vengono fatti con delle piccole incisioni e non con degli intagli poiché questi ultimi causerebbero delle rotture premature che altererebbero il risultato della prova. LETTURA DEL PROVINO DOPO LA PROVA DI TRAZIONE Ai fini di determinare la lunghezza finale del provino in seguito alla rottura (Lu) del provino, verrà considerata valida la prova se: a. Si raggiunge l’allungamento previsto; b. Considerato il tratto utile suddiviso in tre parti, la rottura si è posizionata nel terzo medio. Detto questo abbiamo davanti due statistiche: nel primo caso la rottura avverrà nel terzo medio e nel secondo avverrà in una posizione esterna a quest’ultima; nella seconda casistica è possibile che le parti interessate si mettano d’accordo e si può procedere alla correzione. PRIMO CASO (rottura nel terzo medio) In questo caso si misura la distanza tra i capi della lunghezza utile prima e dopo la prova: ovviamente in seguito alla prova bisogna riunire la provetta con una morsa ed eseguire la misura sulla provetta ricostruita trovando la lunghezza Lu. 6 Il carico di prova viene applicato gradualmente senza superare i 49 N/mm2 ed è necessario incrementare il carico a non più di 9,8 N/mm2 sino alla rottura del saggio. Intuitivamente, il provino essendo sottoposto a trazione subirà un certo allungamento e contemporaneamente la diminuzione delle sue dimensioni trasversali. Tale diminuzione comporta un aumento del calore. Quando la macchina è in funzione, come accennato prima, c’è un sistema che traccia il diagramma carichi-allungamenti. Il comportamento dell’acciaio (ad esempio) è caratterizzato dalle seguenti fasi: ● Fase elastica proporzionale A-B: in questa fase il comportamento del materiale rispetta la legge di proporzionalità diretta fra i carichi e gli allungamenti (legge di Hooke). Le deformazioni sono reversibili poiché al cessare del carico applicato ritorna alle dimensioni iniziali; ● Fase elasto-plastica B-C: in questa fase il diagramma da rettilinea diventa curvilineo, incurvandosi verso destra. La provetta si allunga e le deformazioni diventano plastiche. In questo range vi è il carico limite di elasticità sotto il quale le deformazioni diventano minime; ● Snervamento C-D: in questa fase il materiale si deforma a carico costante delimitando il carico unitario di snervamento superiore e inferiore. Va precisato che questo comportamento è caratteristico nei materiali duttili. I materiali più fragili come la ghisa e l’acciaio ad alto tenore di carbonio arrivano quasi subito a rottura direttamente. Possiamo notare già in questa fase il fenomeno della strizione ovvero il restringimento della sezione che è osservabile anche a occhio nudo; ● Fase plastica D-E: in questa fase vi è il cosiddetto incrudimento del materiale con l’aumento della durezza e della resistenza alla deformazione. Il punto E rappresenta il carico massimo sopportato dal provino e una volta superato tale valore ci si avvicinerà sempre di più alla rottura; ● Fase plastica E-F: in questa fase si ha l’instabilità della deformazione preceduta dalla rottura nel punto F. La provetta prima di rompersi si allunga anche se il carico diminuisce (infatti c’è differenza tra carico unitario di rottura e carico unitario ultimo). Il grafico di fianco mostra le diverse tenacità, che verrà descritta nelle definizioni formali, di alcuni materiali: 9 DEFINIZIONI FORMALI Legge di Hooke: La legge afferma che se le sollecitazioni esterne superano il limite di elasticità, il materiale abbandona gradualmente il comportamento elastico e compaiono deformazioni permanenti sempre più evidenti passando al comportamento elastoplastico e, infine, a quello plastico. Definiamo tensioni normali σ, allungamenti relativi ε e modulo di Young E: σ = 𝐸 · ϵ Modulo di Young: Quest’ultimo è dato dal rapporto tra il carico specifico e la deformazione plastica. Tenacità: La tenacità può essere considerata come la capacità di assorbire energia e di deformarsi plasticamente prima della rottura. Carico unitario di scostamento della proporzionalità: Viene definito come il rapporto tra il carico applicato e l’area della sezione iniziale: 𝑅𝑝 = 𝐹𝑝 𝑆0 Snervamento: Indica il fenomeno che ha luogo nel materiale a un certo livello di sforzo (carico di snervamento), caratterizzato dallo sviluppo di elevate deformazioni irreversibili (plastiche). Incrudimento: Dopo aver superato il carico di snervamento, il materiale si incrudisce ossia è necessario applicare un carico sempre crescente per far avanzare la deformazione permanente Se la prova viene interrotta dopo il superamento del carico di snervamento e successivamente ripresa, il materiale avrà subito un incremento del limite di snervamento. Carico unitario di snervamento: Nel tratto elasto plastico possiamo definire il carico unitario di snervamento superiore e inferiore: 𝑅𝑒𝐻 = 𝐹𝑒𝐻 𝑆0 𝑅𝑒𝐿 = 𝐹𝑒𝐿 𝑆0 Carico unitario di rottura: In corrispondenza del punto più alto del diagramma, che indica la forza massima applicata, si definisce il carico unitario di rottura detto anche resistenza a trazione: 𝑅𝑚 = 𝐹𝑚 𝑆0 Carico unitario ultimo: Questo carico viene determinato in corrispondenza dell’ultimo punto presente nel grafico (F) ed è riferito alla sezione minima dopo la rottura: 𝑅𝑢 = 𝐹𝑢 𝑆𝑢 Allungamento percentuale: In generale, è una caratteristica del materiale che fornisce un valore sulla sua duttilità. Tanto più un materiale è duttile tanto più la deformazione prima della rottura sarà grande. Terzo medio: Prendendo in considerazione L0, questo viene diviso in tre parti uguali e la prova di trazione si considera valida quando la rottura avviene nell’intervallo in mezzo. Strizione: La strizione è la diminuzione della sezione del provino dopo la rottura. Il coefficiente di strizione a sezione costante risulta essere: 𝑍% = Ø𝑖2−Ø𝑢2 Ø𝑖2 · 100 Effetto Poisson: I carichi unitari appena esplicitati sono riferiti alla sezione iniziale S0. In realtà il progressivo aumento del carico comporta un restringimento della sezione per l’effetto Poisson. Ciò spiega perché il carico unitario ultimo è superiore, come vedremo nell’elaborazione dei dati, rispetto al carico unitario di rottura. Più in generale, questo effetto consiste nella manifestazione di deformazioni laterali orizzontali in presenza di una deformazione assiale verticale. Oltre ad una deformazione di compressione o di trazione, si avrà anche una deformazione laterale rispettivamente di dilatazione o contrazione. Il diagramma diventerà, di conseguenza: 10 Rottura duttile: Abbiamo questo tipo di rottura quando, in seguito alla deformazione plastica, lo scorrimento dei cristalli avviene secondo piani orientati a circa 45° rispetto alla sollecitazione esterna. L’allungamento e la diminuzione della sezione sono elevati e il carico di snervamento è molto inferiore rispetto al carico di rottura. Rottura fragile: Abbiamo questo tipo di frattura a causa della decoesione dei cristalli e la rottura risulta netta e perpendicolare alla sollecitazione esterna. La rottura è improvvisa, gli allungamenti bassi e il carico di rottura è molto vicino a quello di snervamento. PASSAGGI PER L’ESECUZIONE DELLA PROVA 1. Segnare il provino sull’apposita macchina; 2. montare il provino; 3. Azzerare il grafico segnando l’asse x e y con la penna; 4. Applicare il carico; 5. Attendere la rottura; 6. Leggere il valore massimo segnato dalla macchina e segnarlo all'apice del grafico; 7. Proporzionare il grafico e individuare i vari carichi notevoli. RACCOLTA DATI PRIMA PROVA Materiale: C17 Fondo scala = 5000 kg Forza unitaria di snervamento superiore FeH = 3250 kg Forza unitaria di snervamento inferiore FeL = 2800 kg Forza unitaria di rottura Fm = 3930 kg Forza unitaria ultima Fu= 3650 kg Rottura: al centro e perfetta N = 10 L0 = 50 mm Lu = 67,65 mm Øu = 5,60 mm Øi = 10 mm (normata) Per conseguire il confronto, è stato fornito il valore di forza massima pari a 42-50 kg/mm2. SECONDA PROVA Materiale: C40 Fondo scala = 10000 Kg Forza unitaria di snervamento superiore FeH = / Forza unitaria di snervamento inferiore FeL = / Forza unitaria di rottura Fm = 6560 kg Forza unitaria ultima Fu = 5550 kg Rottura: al di fuori del terzo medio e a semicoppa N = 10 L0 = 50 mm 11