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Le prove sui materiali Le prove meccaniche meccaniche tecnologiche
fisico-chimiche Le prove meccaniche Scopi: Caratterizzazione del materiale Controllo (distruttivo o non distruttivo) 1
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Principali prove meccaniche statiche Importanza della normativa
Trazione Compressione Flessione Durezza Importanza della normativa 2
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La normativa ASTM E 8M - 01 1. Scopo 2. Documenti di riferimento
3. Terminologia 4. Significatività e uso 5. Attrezzature 6. Provini 7. Procedure 8. Rapporto 9. Precisione 10. Parole-chiave 11. Appendici
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Provino sagomato secondo norma: sezione circolare
La prova di trazione monoassiale Provino sagomato secondo norma: sezione circolare - Diametro d0= mm - Lunghezza tratto di misura L0= d0 - Lunghezza tratto a sez. costante Lc= L d0 3
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La macchina universale di prova e il montaggio del provino
L’esecuzione della prova - velocità della traversa mobile fissata - temperatura fissata il comportamento di diversi materiali: - un metallo (alluminio) - una materia plastica con strizione (polipropilene) - una materia plastica senza strizione (nylon) 4
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Sforzo e deformazione nominale
F (forza a trazione assiale media) Sforzo nominale σ = A0 (superficie resistente iniziale) A0 Δl A Unità dello sforzo: PSI or N/m2 (Pascal) 1 PSI = 6.89 x 103 Pa Variazione lunghezza Deformazione nominale = ε = Lunghezza iniziale Unità della deformazione: in/in o m/m
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I risultati della macchina
- L0 = lunghezza iniziale del provino fra i riferimenti - L = allungamento totale - La curva F-DL Elaborazione dei risultati - = F/S0 (N/mm2) - = L/L0 5
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Proprietà meccaniche Modulo di Elasticità (E): lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico (Legge di Hook) Maggiore la resistenza di legame, maggiore il modulo di elasticità Esempi: Modulo di elasticità dell’acciaio: 207 GPa Modulo di elasticità dell’alluminio: 76 GPa s σ (sforzo) Δσ E = E = Δε ε (deformazione) Δσ Δε e Porzione lineare della curva sforzo/deformazione
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Solitamente il rapporto di Poisson varia tra 0.25 e 0.4.
w0 w . Rapporto di Poisson = Solitamente il rapporto di Poisson varia tra 0.25 e 0.4. Esempi: Acciaio inossidabile Rame 5
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τ = sforzo di taglio = T (forza di taglio)
A (superficie applicazione forza di taglio) spostamento a taglio Deformazione di taglio γ = distanza “h” sulla quale agisce lo sforzo Modulo elastico G = t / γ 5
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Meccanismo di scorrimento
Durante il taglio, gli atomi non scorrono uno sull’altro Lo scorrimento avviene per il movimento delle dislocazioni 5
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Ogni cristallo ha un numero di sistemi di scorrimento caratteristici
I sistemi di scorrimento sono una combinazione di piani e direzioni di scorrimento Ogni cristallo ha un numero di sistemi di scorrimento caratteristici Nel cristallo CFC, lo scorrimento avviene nei piani ottaedrici {111} e nelle direzioni <110> 4 piani di tipo (111) e 3 direzioni [110] 4 x 3 = 12 sistemi di scorrimento 5
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struttura cristallina; caratteristiche di legame atomico; temperatura;
Lo sforzo critico di taglio è lo sforzo richiesto per provocare scorrimento in un monocristallo di metallo puro Dipende da: struttura cristallina; caratteristiche di legame atomico; temperatura; orientamento di piani di scorrimento relativi a sforzo di taglio. Lo scorrimento inizia quando lo sforzo di taglio nel piano di scorrimento nella direzione di scorrimento raggiunge uno sforzo di taglio critico equivalente allo sforzo di snervamento Esempi: Zn EC % puro 0.18 MPa Ti EC % puro 13.7 MPa Ti EC % puro 90.1 MPa 5
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Parametri caratteristici:
- Modulo elastico - Sollecitazione di snervamento (casi 1 e 2) - Resistenza a trazione - Carico ultimo - Allungamento a rottura (%) A = [(Lu-Lo)/Lo]x100 - Energia assorbita - Coefficiente di strizione (%) Z = [(So-Su)/So]x100 6
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Sforzo di snervamento Lo sforzo di snervamento è lo
sforzo al quale il metallo o la lega mostrano una significativa deformazione plastica offset sforzo di snervamento a 0.2% è quello sforzo al quale avviene una deformazione plastica pari allo 0.2% La linea di costruzione, che parte allo 0.2% di deformazione, parallela al campo elastico, è disegnata per trovare l’offset dello sforzo di snervamento a 0.2% di deformazione
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Curve s-e per differenti materiali metallici
Acciai Altri 7
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- Importanza della strizione per la relatività delle misure
Diagramma di macchina e diagramma reale: relatività delle misure effettuate - Importanza della strizione per la relatività delle misure - Significato fisico del coefficiente di strizione 8
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Frattura dei Metalli – Frattura Duttile
La frattura causa la separazione di un solido stressato in due o più parti. Frattura duttile: alta deformazione plastica e lenta propagazione della cricca Tre stadi: il provino forma un collo e cavità all’interno le cavità formano una cricca e la cricca si propaga fino alla superficie, perpendicolare allo sforzo La direzione della cricca cambia di 45° portando alla frattura coppa-cono
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Frattura Fragile Nessuna deformazione plastica significativa prima della frattura Comune per alti livelli di deformazione e bassa temperatura Tre stadi: La deformazione plastica concentra la dislocazione sui piani di slittamento Si formano microcricche dovute allo sforzo di taglio dove le dislocazioni sono bloccate La cricca si propaga fino alla rottura Esempio: Zinco EC monocristallino sotto alti sforzi sul piano {0001} va incontro a frattura fragile SEM di una frattura duttile SEM di una frattura fragile
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Frattura duttile e fragile
Frattura fragile
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Frattura fragile Le fratture fragili sono dovute a difetti come:
Pieghe; flussi indesiderate di grano; Porosità; Strappi e cricche; danni da corrosione; infragilimento da idrogeno. A bassa temperatura di lavoro, avviene la transizione duttile-fragile.
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La prova di compressione
Limitata alle ghise Di tre tipi: di frantumazione (materiali fragili) compressione meccanica di schiacciamento Provette cilindriche o prismatiche Difficoltà nell’interpretazione dei risultati 9
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Trattamento dei risultati
La prova di flessione Trattamento dei risultati Mf = momento flettente W = modulo di resistenza a flessione L = distanza tra gli appoggi I = momento di inerzia di area rispetto al piano neutro Difficoltà di interpretazione dei risultati 10
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Le prove di durezza Definizione di durezza Il durometro 11
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Le principali prove di durezza Brinell Vickers Rockwell B e C
Regole generali raggio di curvatura della superficie in prova 25 mm distanza tra centro dell'impronta e il bordo = 2.5 d (preferibilmente 3 d); tra due centri di due impronte adiacenti = 3 d (preferibilmente 4 d) carico applicato lentamente e in direzione ortogonale alla superficie (2°) buona finitura superficiale spessore dei pezzi 12
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Prova Brinell Tipo di penetratore: sfera
Scelta del diametro del penetratore - s < 3 mm D = 2.5 mm - 3 mm < s < 6 mm D = 5 mm - 6 mm < s D = 10 mm 13
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- Valori di K, per ottenere P in Kp
Scelta del carico P P = KD2 - Valori di K, per ottenere P in Kp 14
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Definizione di durezza Brinell
HB = P/S Kp/mm2 S = superficie dell’impronta Notazione finale: HB5/750/30 = 185 Kp/mm2 15
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Durezza Brinell per confronto (Poldi)
Legame fra durezza e resistenza a trazione Per gli acciai: Durezza Brinell per confronto (Poldi) 16
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Prova Vickers Tipo di penetratore: piramide di diamante Carico P
P = 30 50 Kp Definizione di durezza Vickers 17
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Prova di microdurezza Tipo di penetratore: piramide di diamante a base quadrata piramide a base rombica (Knoop) Carico P P = 100 500 gr Definizione di microdurezza Vickers Definizione di durezza Knoop 17
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Tipi di penetratore: cono di diamante, = 120
Prova Rockwell C Tipi di penetratore: cono di diamante, = 120 sfera di acciaio temprato, D=1/16; 1/8; ¼; ½ di pollice Modalità di esecuzione I2 - I1= e Carico Prova normale: F0 = 10 Kp F1 = 50; 90 o 140 Kp Prova superficiale: F0 = 3 Kp F1 = 12; 27 o 42 Kp 18
