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DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
PROVE MECCANICHE PROVE MECCANICHE PROVE MECCANICHE PROVE MECCANICHE
Università di Roma “Tor Vergata”
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Le prove meccaniche si eseguono allo scopo di misurare le proprietà
meccaniche dei materiali, ossia quelle che caratterizzano il comportamento di
un materiale sotto l’azione di forze esterne.
La misura delle proprietà è effettuata mediante prove, condotte nel rispetto di
norme precisate dalle unificazioni, che si dividono in base a:
Le Prove MeccanicheLe Prove Meccaniche
METODOMETODO DIDI ESECUZIONEESECUZIONE in:
• Convenzionali
• Simulate
• Reali
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Le Prove MeccanicheLe Prove Meccaniche
TEMPOTEMPO DIDI APPLICAZIONEAPPLICAZIONE DELDEL CARICOCARICO in:
• Statiche (trazione, compressione, flessione, durezza)
• Dinamiche (resilienza)
• Periodiche (fatica)
• Sotto carico costante (scorrimento, usura)
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Durante l’esecuzione delle prove, a seguito dell’applicazione del carico, nel pezzo si
avranno deformazioni (cambiamento della dimensione unitaria del corpo) e
sollecitazioni (carico per unità di superficie).
Le Prove MeccanicheLe Prove Meccaniche
Le sollecitazioni statiche, dinamiche, periodiche o costanti
si classificano inoltre in base alla direzione del carico
rispetto all’asse geometrico del campione da testare in:
• trazione (compressione)
• flessione
• torsione
• taglio
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PROVA di TRAZIONE PROVA di TRAZIONE PROVA di TRAZIONE PROVA di TRAZIONE
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Misura delle proprietà di RESISTENZA, DEFORMABILITA’ ed
ELASTICITA’ del materiale
Prova di TrazioneProva di Trazione
Fornisce grandezze, che per quanto convenzionali, sono utilizzate:
• nella progettazione
• nella valutazione sull’applicabilità di processi tecnologici ad un materiale
• in indagini di carattere scientifico o di failure-analysis
SCOPO:
La prova di trazione rappresenta il più importante test convenzionale.
La prova di trazione è:
→ STATICA
→ DISTRUTTIVA
→ UNIFICATA
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Prova di TrazioneProva di Trazione
La prova di trazione è eseguita su provette (con dimensioni e geometria
opportuna) attraverso l’applicazione di un carico monoassiale crescente (se pur
lentamente).
I risultati della prova di trazione sono rappresentati da un diagramma carico-
allungamento e da una serie di grandezze relative a resistenza, deformabilità, ed
elasticità del materiale del provino.
La normativa di riferimento per l’Europa è la UNI EN 10002.
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini provini
Nelle provette di trazione si distinguono:
• Tratto utile L0
• Tratto calibrato LC ( L0+d0/2< LC< L0+2d0 )
• Le teste opportunamente raccordate al tratto calibrato
• La sezione che può essere circolare, quadrata, rettangolare.
a) Provetta cilindrica a testa semplice
b) Provetta cilindrica a testa filettata
c) Provetta cilindrica a testa appoggiata
d) Provetta rettangolare a testa semplice
e) Provetta rettangolare a testa forata 8
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini provini
La geometria delle provette può variare in funzione
di:
• Materiale da testare (duttile o fragile)
• Processo tecnologico con cui è stato prodotto il
materiale (fusione, deformazione, ecc )
• Tipologia di componente da cui il provino è
stato ricavato (lamiera, tubo, filo ecc..)
N.B. In tutti i casi la posizione e la modalità di
prelievo del provino rispetto al pezzo da
collaudare hanno grande importanza
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Provini per la prova di trazione a sezione circolare e rettangolare; il tratto L è il tratto calibrato,
il tratto L0 è quello di riferimento, del quale si misura l’allungamento.
Prova di Trazione: Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini provini
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini provini
Affinché tutte le grandezze che si ottengono dalla prova risultino indipendenti dalla
geometria della provetta è necessario che il rapporto fra la lunghezza L0 e la sezione
iniziale S0 rispetti le seguenti relazioni:
Provette
proporzionali
L0=k√S0
L0=nd0
Nelle normative Europee k=5,65 ed n=5
Nelle normative americane k=4,61 ed n=4
Diametro iniziale provette
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Dopo aver determinato l'area della sezione iniziale e aver marcato la lunghezza iniziale,
la provetta è posizionata con opportuni dispositivi nella macchina di prova in modo
che il carico sia applicato assialmente.
La velocità della macchina deve essere quanto più possibile costante e può variare
entro limiti che dipendono dalla natura del materiale.
Prova di Trazione: Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini provini
La prova si può eseguire in 2 modi differenti,
incrementando il carico oppure la deformazione.
La macchina più completa è quella in grado di
assicurare la velocità di deformazione programmata
scegliendo il carico corrispondente: il carico diventa la
variabile dipendente.
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Descrizione Descrizione macchina di trazionemacchina di trazione
• Telaio costituito da una traversa mobile ed
una fissa; nella zona di mezzeria tra le due
traverse sono alloggiate le due teste di
afferraggio del provino. Il movimento relativo
tra le traverse consente di sollecitare il
provino a trazione.
• I trasduttori di segnale necessari ai fini di
misura:
• Forza applicata (cella di carico)
• Spostamento della traversa mobile
(controllo di moto della traversa mobile)
• Effettivo allungamento
(estensometro)
In una macchina per la prova di trazione si possono distinguere:
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Strato di uscita
Prova di Trazione: Prova di Trazione: Descrizione Descrizione macchina di trazionemacchina di trazione
Macchina IdraulicaMacchina Idraulica A VitiA Viti
La traversa mobile è solitamente azionata da un dispositivo idraulico o
elettromeccanico (a viti).
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Misura delle Misura delle deformazioni deformazioni
Per la misura delle deformazioni residue alla rottura occorre valutare la
lunghezza de provino dopo la prova riaccostando le due porzioni rotte del
provino.
L’allungamento percentuale a rottura viene valutato misurando la distanza
Lu ottenuta tra le due sezioni di riferimento opportunamente evidenziate
nel tratto utile (inizialmente a distanza L0)
Provino a sezione circolare dopo rottura e riaccostamento delle due metà (acciaio
duttile).
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: AndamentoAndamento di una prova di trazionedi una prova di trazione
Durante la prova possiamo registrare il diagramma cartesiano che riporta in ascissa gli
allungamenti del provino e sulle ordinate il carico di trazione ad esso applicato: questo
diagramma è chiamato Diagramma Carichi-Allungamenti. Per un materiale come l’acciaio a basso tenore di carbonio, il diagramma si presenta come
quello mostrato.
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: AndamentoAndamento di una prova di trazionedi una prova di trazione
Simulazione di una prova di trazione che evidenzia il comportamento del provino
man mano che procede la prova.
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: AndamentoAndamento di una prova di trazionedi una prova di trazione
Deformazione elastica
Deformazione plastica
omogenea
Strizione
Periodo elastico
Periodo grandi
deformazioni
Periodo strizione
In generale nella prova di
resistenza alla trazione di
un materiale metallico si
possono distinguere tre
periodi:
• ELASTICO
• delle GRANDI
DEFORMAZIONI
•della STRIZIONE
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Periodo Elastico Periodo Elastico
In campo elastico:
Teoricamente: in queste condizioni la parte della curva interessata è un segmento
rettilineo, e le deformazioni si annullano se il carico viene riportato a zero.
Realmente: la curva si discosta quasi subito dalla tangente all’origine, ma se il carico
F non supera un certo limite Fe carico al limite elastico scaricando il provino la
deformazione si annulla
Per definire Fe si fissa una piccolissima deformazione permanente, e , che si
conviene di trascurare e raggiunta la quale si considera raggiunto il limite elastico.
Si assume:
e = 0.001% della lunghezza di misura
Generalmente il periodo elastico può essere suddiviso in:
→ Periodo di elasticità e proporzionalità
→ Periodo di sola elasticità
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Periodo Elastico Periodo Elastico
Periodo di elasticità e proporzionalità: quando il materiale è sottoposto ai primi
carichi, l’allungamento cresce in proporzione al carico imposto. Al cessare del carico
la provetta riacquista le dimensioni iniziali e quindi si può ritenere valida la legge di Hooke.
Fp carico limite di
proporzionalità è limite superiore
di tale periodo, oltrepassato il quale
la deviazione dalla legge di
proporzionalità è superiore alla
piccola deformazione e
Fp < Fe
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Periodo Elastico Periodo Elastico
Periodo di sola elasticità : aumentando il carico, il materiale è ancora elastico, cioè
le deformazioni permanenti sono trascurabili rispetto a quelle elastiche.
Deformazione plastica
permanente e, (in percentuale)
indotta dal carico applicato dopo
che questo viene riportato a 0.
Se L0= 100mm si ha una deformazione assoluta trascurabile e = 1μm
0S
Fe
e in N/mm2
Tensione al limite elastico, σe
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Periodo Grandi Deformazioni Periodo Grandi Deformazioni
Periodo delle Grandi Deformazioni: oltre il limite elastico il metallo cede
deformandosi uniformemente mentre il carico cresce lentamente. Il passaggio tra i due
periodi può essere graduale oppure la curva può presentare uno o più punti singolari.
Il carico Fs , nel caso di punto singolare, è il carico in corrispondenza del quale si
passa bruscamente dalle piccole alle grandi deformazioni e prende il nome di carico
di snervamento
Il periodo delle grandi deformazioni si estende
generalmente sino al punto M (punto di massima
deformazione uniforme).
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Periodo Grandi Deformazioni Periodo Grandi Deformazioni
Qualora dal diagramma carichi allungamenti non
risulti rilevabile il valore del carico di
snervamento, si stabilisce convenzionalmente di
sostituirlo con quel carico che induce una
deformazione permanente dello 0,2%: Fs(0,2).
0S
FR s
ss
Tensione di snervamento, σs
in N/mm2
Si indica anche con il simbolo Rs ed è uno dei
dati più pratici e più importanti
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Periodo Strizione Periodo Strizione
Periodo della Strizione: A partire dal punto M ha inizio il fenomeno della strizione in
seguito al quale tutta l’ulteriore deformazione si concentra in un breve tratto della
provetta.
Tensione di rottura a trazione, σm
in N/mm2
0S
FR m
m
Fm è definito carico massimo di
rottura o resistenza alla trazione.
Fu è definito carico ultimo.
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ELASTICA
PLASTICA UNIFORMEMENTE
DISTRIBUITA
STRIZIONE LOCALIZZATA
DEFORMAZIONE
Prova di TrazioneProva di Trazione:: Strizione Strizione
Il diametro in corrispondenza della sezione
di massima contrazione si riduce da dp a du
mentre la zona fuori dalla strizione non si
deforma ulteriormente
STRIZIONE LOCALIZZATA
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Forma dei diagrammiForma dei diagrammi
a. Oltre il punto S si verifica un vero e proprio periodo di snervamento con doppio limite
di snervamento, inferiore e superiore (come in certi acciai a basso contenuto di
carbonio)
b. La curva presenta nettamente un punto singolare S
c. Non si distingue il punto singolare, passaggio graduale tra i primi due periodi (es. rame)
d. Caso di rottura prematura prima di raggiungere il carico Fm (materiali poco deformabili)
Per materiali molto deformabili si hanno tutti e tre i periodi descritti. Si possono
distinguere alcuni sottotipi di diagrammi:
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Risultati della provaRisultati della prova
Tenacità del materiale
L’area sottesa dalla curva tensione-deformazione
rappresenta l’energia assorbita dal provino prima
della rottura ed è indice della tenacità del
materiale.
Materiali fragili minore area sottesa dalla curva
Materiali duttili maggiore area sottesa dalla
curva
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Risultati della provaRisultati della prova
Modulo di Resilienza
Modulo di resilienza: rappresenta
l’energia elastica che viene immagazzinata
dal materiale durante la prova di trazione
ed è individuato dall’area sottesa dalla
parte elastica della curva tensione-
deformazione.
In un materiale fragile la frattura avviene in campo elastico la resilienza
coincide con la tenacità, mentre per un metallo che prima di rompersi subisce una
importante deformazione plastica, resilienza e tenacità sono assai diverse.
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Risultati della provaRisultati della prova
Allungamento percentuale a rottura: A%
E’ definito dalla variazione di lunghezza del
tratto utile, dopo rottura, riferito alla
lunghezza iniziale e moltiplicato per 100.
Lu: lunghezza dopo rottura del tratto
utile.
Questo dato è un indice della duttilità del
materiale. Maggiore è l’A% maggiore è la
sua duttilità.
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Risultati della provaRisultati della prova
Strizione percentuale Z
Coefficiente di strizione percentuale Z: è
definito dalla variazione della sezione di rottura
Su rispetto alla sezione iniziale So e moltiplicato
per 100.
Per provette cilindriche
Su = aubu
S0 = a0b0
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Risultati della provaRisultati della prova
Facendo riferimento alla legge di Hooke il
modulo elastico E può essere
determinato come rapporto fra il carico
unitario di trazione σ entro i limiti di
proporzionalità e la deformazione ε
corrispondente.
Modulo di elasticità a trazione E
o più rigorosamente
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Influenza della Influenza della TemperaturaTemperatura
L’effetto della Temperatura influenza:
• Il Modulo Elastico (E)
• La tensione di Snervamento (s)
• La tensione ultima di trazione (u)
• La tenacità del materiale
L’effetto della Temperatura
sul Modulo Elastico per
diversi materiali
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Curva Curva realereale
Nei diagrammi visti le ascisse e le ordinate sono riferite alla sezione e alla lunghezza
iniziali, il carico di rottura risulta, paradossalmente, inferiore ai valori precedenti mentre
si verifica che due valori diversi di deformazione richiedono uguale carico.
In realtà la deformazione si accumula mentre la lunghezza varia. Se ci riferiamo ad un
incremento di deformazione infinitesimo dε, in corrispondenza dell’allungamento L+dL,
allora si ha:
Deformazione reale:
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Curva Curva realereale
La definizione di deformazione reale è più adeguata a descrivere la deformazione nel
campo dei grandi spostamenti. La deformazione ingegneristica può essere utilizzata
per valori di deformazione sino al 3-4% senza commettere errori apprezzabili.
Un esempio della inadeguatezza della deformazione ingegneristica nel definire la deformazione nel
campo dei grandi spostamenti si ha considerando un cilindro che subisca una deformazione una volta
di trazione ed un’altra di compressione. Si supponga che in trazione il cilindro raddoppi la sua
lunghezza ed in compressione la dimezzi. A meno del segno le due deformazioni di trazione e
compressione subite dal cilindro dovrebbero quindi essere uguali. Ciò però è così solo nel caso delle
deformazioni reali.
0
0
L
LL )1ln(
Deformazione ingegneristica Deformazione reale
%501005.0
%1001002
0
00
0
00
L
LL
L
LL
C
T
69.05.0
ln
69.02
ln
0
0
0
0
L
L
L
L
C
T
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Curva Curva realereale
In campo plastico avanzato, a seguito dell’instaurarsi di una marcata strizione della sezione
trasversale, anche la definizione data di tensione nominale non è più adeguata a
descrivere il reale valore di tensione presente nel provino. Si può definire un valore di
tensione reale che vale sin quando il provino permane in stato monoassiale di tensione.
S
FTensione reale
Il legame tra la tensione reale e quella nominale è immediato nel caso in cui vale
l’ipotesi di deformazione a volume costante.
0
000
L
L
S
SLSSL
1
00
0
0 L
L
S
F
S
S
S
FΔV=cost
00
lnlnS
S
L
L 1f
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Curva Curva realereale
II profilo della curva mostra chiaramente che lo sforzo vero aumenta, cioè il metallo
più è deformato e più è resistente, mentre lo sforzo ingegneristico rappresentato
apparentemente diminuisce perché riferito alla sezione iniziale.
La curva può essere approssimata
dalla seguente equazione:
T = KTn
• K è il coefficiente di sforzo
• n l’esponente di incrudimento
• L’equazione può essere riscritta
come:
log T = log K + n log T
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: Differenti tipi di curveDifferenti tipi di curve
Per valori differenti di n, l’esponente di incrudimento, si ottengono alcuni tipi delle
curve ideali descritte.
• Per n=0 si ha un comportamento rigido perfettamente plastico
• Per 0<n<1 comportamento intermedio
• Per n=1comportamento perfettamente elastico
• Elastica, perfettamente plastica • Perfettamente elastica
• Rigida, perfettamente plastica
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a) Frattura fragile in metalli policristallini
b) Rottura di taglio in singoli cristalli duttili
c) Rottura duttile coppa-cono in metalli
policristallini
d) Completa rottura duttile in metalli
policristallini, con il 100% di riduzione di
area
Prova di Trazione: Prova di Trazione: Modalità di Modalità di rottura dei materialirottura dei materiali
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Frattura duttile legata alla presenza di inclusioni
o precipitati. Si ha: deformazione plastica intorno
alle inclusioni, formazione di microcavità, loro
allungamento nella direzione della sollecitazione
e coalescenza delle microcavità.
Sequenza di eventi che porta alla formazione della frattura di forma coppa-cono
Tipica frattura coppa- cono a seguito
di un test di trazione
Ogni tipo di frattura è
caratterizzata da una
particolare morfologia
Cause e meccanismi di
rottura
MICROFRATTOGRAFIAMICROFRATTOGRAFIA MACROFRATTOGRAFIAMACROFRATTOGRAFIA
Prova di Trazione: Prova di Trazione: Rottura del campioneRottura del campione
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Prova di Trazione: Prova di Trazione: ConsiderazioniConsiderazioni
La velocità di applicazione del carico e di deformazione. Influenzano:
•carico massimo, che tende ad aumentare all’aumentare della velocità di
deformazione;
• limite di snervamento che ad alte velocità di deformazione tende ad aumentare ma
può addirittura scomparire.
La forma del provino. Influenza i valori ottenuti dalla prova solo relativamente alle
prove scientifiche.
Coassialità afferraggi. Influenza i valori del carico di snervamento superiore ed
inferiore. Migliore è la coassialità maggiore è la differenza rilevabile fra Fs ed Fe.
Rigidezza della macchina. Incide sulla misura di Fs ed Fe. Macchine molto rigide
evidenziano meglio la differenza fra i due valori quando questa è presente.
Lavorazione dei provini. Influenza soprattutto la duttilità del materiale, che è maggiore
se la lavorazione è più accurata.
Temperatura. Incide su tutte le grandezze misurate.
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PROVA di COMPRESSIONE PROVA di COMPRESSIONE PROVA di COMPRESSIONE PROVA di COMPRESSIONE
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• È la prova che misura la capacità del materiale
di resistere a sollecitazioni di compressione…
• Consiste nel sottoporre ad una forza di
compressione crescente una provetta cilindrica
valutandone contemporaneamente le
caratteristiche comportamentali
…Provetta:„
Consiste in un campione cilindrico di materiale
avente:
…Le basi piane e rettificate
Diametro iniziale 10 mm<D0<30 mm
…Altezza iniziale L0 = 1,5 D0
Prova di Prova di CompressioneCompressione
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Prova di Prova di Compressione: Compressione: Macchina di provaMacchina di prova
„ Gruppi della macchina di prova:
• … Incastellatura con piani di appoggio della provetta
• … Traversa superiore mobile della macchina
• … Superfici lucidate a specchio
• … Materiale di durezza superiore a quello da comprimere
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Andamento della prova:
• …La traversa superiore comprime la
provetta contro il piano inferiore della
macchina rilevando il carico
• �L’applicazione del carico non deve
superare i 30 N/mm² al secondo riferiti
a S0
• …Alla rottura della provetta la prova
viene interrotta e valutati i risultati
Prova di Prova di Compressione: Compressione: Risultati della provaRisultati della prova
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• „Carico unitario di rottura a compressione Rc:
Rc = Fc/S0 (N/mm²)
È definito dal rapporto tra la forza applicata per portare la provetta a rottura
e la sezione iniziale della provetta
Prova di Prova di Compressione: Compressione: Risultati della provaRisultati della prova
• Carico unitario di compressione per un accorciamento prefissato Rc50, si
manifesta per quei materiali di buona deformabilità che in corrispondenza di un
accorciamento prefissato (ad es. 50%) non presentano cricche:
Rc50 = Fc50/S0 (N/mm²)
È definito dal rapporto tra il carico applicato per accorciare la provetta del 50%
rispetto alla lunghezza iniziale L0
• Carico unitario al limite di deformazione permanente Rc (0,2%):
Rc (0,2%) = Fc(0,2%) / S0
È il carico in corrispondenza del quale si evidenzia un accorciamento prefissato
permanente della provetta pari allo 0,2% 45
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PROVA di FLESSIONE PROVA di FLESSIONE PROVA di FLESSIONE PROVA di FLESSIONE
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Prova di Prova di FlessioneFlessione
• Le prove di flessione descritte dalle normative ISO 178 e ASTM D 790 rappresentano
tipici metodi di caratterizzazione di materiali plastici rigidi e semirigidi. Risultati
caratteristici di queste prove sono: il modulo elastico a flessione, il carico al 3,5 % di allungamento, e l'allungamento a snervamento e a rottura.
• Le provette hanno sezione quadrata, rettangolare o circolare con dimensioni trasversali
costanti per tutta la lunghezza (UNI 559)
• Determinazione delle caratteristiche dei materiali limitatamente alle deformazioni
elastiche
• Verifica del carico corrispondente a una determinata freccia
• Per materiali fragili, che non presentano deformazioni permanenti fino alla rottura,
rivela il carico di rottura della provetta
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Prova di Prova di Flessione: Flessione: Modalità di provaModalità di prova
• In alternativa si possono utilizzare due
carichi uguali e simmetrici (a quattro punti)
• La freccia f è misurata
perpendicolarmente al piano degli
appoggi
• La provetta, posta su due rulli liberi, è caricata con un carico posto a metà distanza
dagli appoggi (a tre punti)
A tre punti
A quattro punti
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Prova di Prova di Flessione: Flessione: Carico di flessioneCarico di flessione
Carico di flessioneCarico di flessione
• Dal modulo a flessione:
s
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PROVA di DUREZZA PROVA di DUREZZA PROVA di DUREZZA PROVA di DUREZZA
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Prova di DurezzaProva di Durezza
La prova di durezza misura la resistenza di un materiale metallico ad un
penetratore o ad un utensile da taglio.
La durezza influenza la resistenza all'usura, all' incisione, al taglio e talvolta anche
alla corrosione.
Prove di durezza: si determina la resistenza opposta da un materiale a lasciarsi
penetrare da un altro materiale.
La durezza è un indice della deformabilità plastica delle superfici del materiale in
esame.
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La durezza H (hardness) può essere definita come:
• la resistenza alla deformazione elasto-plastica (concetto fisico);
• la resistenza alla scalfittura (concetto mineralogico);
• la resistenza che la superficie di un materiale oppone alla sua penetrazione
(concetto tecnologico).
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Prova di DurezzaProva di Durezza
Prove statiche
Si basano sulla misura dell'impronta lasciata sulla superficie del saggio o provetta
da un penetratore adeguatamente caricato. Appartengono a questa classe le
misure di durezza: Brinell, Vickers, Rockwell e Knoop.
Si distinguono per:
• tipo di penetratore usato
• carico applicato,
• tecnica di rilevamento della dimensione dell'impronta lasciata sul saggio
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Prove di rimbalzo
In cui un oggetto di massa e dimensioni definite è fatto cadere o proiettato sulla
superficie da provare misurandone il rimbalzo. Le superfici più dure sono meno
plastiche e fanno rimbalzare maggiormente ogni oggetto che le urti.
Appartengono a questa classe le prove di durezza Shore e quelle degli strumenti
elettronici portatili (Equotip, Esewey, ecc.)
Prova di DurezzaProva di Durezza
Prove di rigatura (scratch test)
In cui l‘oggetto più duro incide il più tenero. Appartiene a questa classe la prova
alla lima ed ogni prova atta a classificare i materiali secondo la scala di Mohs.
Prove sclerometriche
In cui un utensile (microaratro), generalmente di diamante ed adeguatamente
caricato, viene trascinato sulla superficie con velocità costante. La durezza, anche
locale, è valutata misurando l' ampiezza del solco.
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Prova di DurezzaProva di Durezza
Prove di smorzamento
In cui si misura la diminuzione dell’ampiezza dell'oscillazione d'un pendolo
attrezzato con un perno duro che sfreghi sulla superficie del pezzo da provare. Il
pendolo di Herbert appartiene a questa classe.
Prove di taglio
Nelle quali si misura la forza necessaria per tagliare un truciolo d'opportune
dimensioni dalla superficie del pezzo da provare, tramite un utensile standardizzato.
Prove d’abrasione
Nelle quali la superficie del pezzo da provare striscia, sotto adeguato carico, contro
un disco rotante. La misura della durezza è valutata in base all'usura.
Prove d'erosione
In cui un abrasivo, in particelle di date dimensioni, è proiettato contro la superficie
da provare. La variazione di peso darà una valutazione della durezza.
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
55
Per identificare la durezza di un materiale è bene ricordare l’esistenza della scala di
Mohs usata particolarmente in mineralogia: essa è formata da dieci sostanze naturali
standard la cui collocazione dipende dalla capacità che hanno di scalfire, consumare o
deformare il materiale che occupa una posizione più in basso.
Prova di DurezzaProva di Durezza
Minerale N° Caratteristiche
diamante 10 materiali duri non rigabili con una punta d’acciaio
corindone 9 “
topazio 8 “
quarzo 7 “
ortoclasio 6 materiali semiduri rigabili con una punta d’acciaio
apatite 5 “
fluorite 4 “
calcite 3 “
gesso 2 materiali teneri rigabili con l’unghia
talco 1 ‘’
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di DurezzaProva di Durezza
• Test:
• statici convenzionali
• BRINELL
• VICKERS
• ROCKWELL
• KNOOP
• Test economici, semplici e minimamente invasivi
• La durezza dipende dal sistema (dispositivo + metodo) con cui si misura
Necessità della standardizzazione (norme) scale di durezza.
Nella norma è indicato:
• Metodo con il quale si effettua la prova
• Verifica e calibrazione della macchina di prova
• Calibrazione dei materiali di riferimento
durometro
singolo valore di durezza
(correlabile ad altre proprietà)
56
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di DurezzaProva di Durezza
• La scelta del metodo di prova per la misura della durezza dipende da:
• Tipo di materiale
• Caratteristiche del pezzo da esaminare
• Dalle informazioni che si vogliono ottenere
• Dalla rapidità e dalla possibilità di automatizzare le prove
• N.B. Le metodologie di
prova che saranno illustrate
sono valide solo per i
materiali metallici che si
prestano ad essere deformati
plasticamente.
57
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di DurezzaProva di Durezza
58
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: DurezzaDurezza BrinellBrinell
C
D
F
O
B
d
A
f
Indentatore: Sfera di acciaio temprato o carburo di tungsteno diametro D
)(
2102.0102.0
22 dDDD
F
S
F
S
PHB
P [kgf]
S [mm2]
F [N]
D, d [mm] S = area della calotta sferica dell’impronta
f = affondamento=OA-OB 22
22
2
1
22dD
dDOB
22
2
1dDDf
22
2dDD
DDfS
)(
2
22 dDDD
P
S
PHB
)(
2102.0
22 dDDD
FHB
2
DOA
SFERA: Acciaio temprato se HB<350 (HBS) o metallo duro per HB fino a 650 (HBW)
N.B.: La costante 0.102 deriva da 1/g=1/9.80665=0.102
Dimostrazione della relazione:
59
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
Durometro per
l’esecuzione della
prova Brinell
60
I risultati della prova dipendono dalla
relazione fra il carico F applicato e il
diametro D della sfera. La comparabilità
dei risultati delle prove dipende dagli
angoli di penetrazione β. Se per prove
effettuate con F e D diverse questi sono
uguali allora le misure sono comparabili.
d/D = cost
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
K dipende dal materiale
Scelta del carico
2
102.0
1KDF [N]
D si sceglie in base allo spessore (se possibile è consigliata la sfera da 10 mm)
Il carico deve essere scelto in modo che
0.25 D < d < 0.5 D
Materiali ferrosi K=30
Leghe di alluminio K=5
Leghe di stagno e piombo K=1
s (mm) D (mm) P (kgf)
>6 10 3000
36 5 750
<3 2.5 187.5
Materiali ferrosi
Legge di similitudine meccanica
61
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
Carichi in funzione dei materiali in prova
62
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
Esempio
600 HBW 1/30/20
600 Valore della durezza Brinell (kgf/mm2, ma non si indica)
HBW Simbolo della durezza Brinell
1/ Diametro della sfera in mm
30 Forza applicata (294.2 N≈30 kgf)
/20 Tempo di permanenza (20 s) – se non indicato si intende 10-15 s.
Designazione
La durezza Brinell è indicata con il termine HBS (se sfera di acciaio) o HBW (se
carburo di tungsteno) seguito da numeri che rappresentano il diametro del penetratore
(in mm), la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s).
Esistono tabelle in cui, noto il diametro dell’impronta, si legge direttamente il valore della durezza Brinell corrispondente a un certo carico applicato
63
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
Parametri di prova
64
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
Modalità di prova
• Il carico P applicato gradualmente deve essere esattamente il valore fissato e
la durata di applicazione deve essere stabilita, almeno 10-15s, e mantenuta
costante.
• Superficie liscia e piana
• Impronte distanziate tra loro e il bordo
• Spessore del pezzo almeno 8 volte la profondità di penetrazione
• Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo la
prova
dist. centro impronta – bordo ≥ 2.5D
dist. centri 2 impronte ≥ 4D
65
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza BrinellDurezza Brinell
• Idoneo per testare materiali disomogenei (impronta grande).
• Adatto per effettuare test su grandi semilavorati (forgiati, laminati, ecc.).
• È necessaria una minima preparazione della superficie prima di effettuare il test.
• Test semplice, robusto e caratterizzato da un ridotto costo del penetratore.
• Correlazione tra la durezza Brinell e la resistenza a trazione (UTS [MPa] =0.35∙HB)
• Restrizione del range di applicazione fino ad un massimo di 650 HBW.
• Limitazione qualora si debbano testare provini piccoli e con ridotto spessore.
• Tempo di prova relativamente lungo a causa della misura del diametro dell’impronta.
• Danneggiamento del provino a causa della grande impronta.
• Dipendenza dei risultati dall’operatore.
• L’esecuzione di numerose prove può affaticare l’operatore ed incrementare l’errore di misura.
Vantaggi:
Svantaggi:
66
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza VickersDurezza Vickers
Indentatore: piramide in diamante a base quadrata con angolo al vertice di 136°
21891.0102.0
d
F
S
F
S
PHV
P [kgf]
S [mm2]
F [N]
d [mm] S = area della superficie dell’impronta
d = media delle due diagonali
ahS2
14
2
2da
68sin
2
4
dh
68sin2
1 2dS
P in genere 30 kgf
Dimostrazione della relazione:
221891.068sin2102.0
d
F
d
FHV
h
d a
67
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza VickersDurezza Vickers
Modalità di prova
• Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione, finitura ottimale.
• Carico applicato gradualmente
• Impronte distanziate tra loro e il bordo
• Permanenza del carico almeno 10-15s
• Spessore del pezzo almeno 1.5 volte la diagonale dell’impronta
• Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova
*Se la superficie è curva i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori
dist.centro impronta – bordo e dist. centri 2 impronte deve essere almeno 4d
68
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza VickersDurezza Vickers
Esempio
350 HV 10/20
350 Valore della durezza Vickers (kgf/mm2, ma non si indica)
HV Simbolo della durezza Vickers
10 Forza applicata (98.1 N≈10 kgf)
/20 Tempo di permanenza (20 s) – se non indicato si intende 10-15 s.
Designazione
La durezza Vickers è indicata con il termine HV seguito da numeri che rappresentano la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s).
Esistono tabelle in cui, note le diagonali dell’impronta, si legge direttamente il valore di una durezza Vickers corrispondente a un certo carico applicato
69
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza VickersDurezza Vickers
• Non esiste valore della durezza che impedisca l’uso della prova Vickers.
• Possibilità di testare componenti piccoli e sottili.
• L’impronta è molto piccola e può non compromettere la funzionalità e l’aspetto
estetico del componente testato.
• Richiesta una preparazione accurata della superficie da testare.
• Tempi di prova relativamente lunghi per la necessità di misurare la lunghezza delle
diagonali.
• Elevata suscettibilità del penetratore in diamante al danneggiamento.
• Se l’impronta è piccola, forte dipendenza del risultato della misura dalla preparazione
superficiale.
• Dipendenza dei risultati dall’operatore.
• L’esecuzione di numerose prove può affaticare l’operatore ed incrementare l’errore di
misura.
Vantaggi:
Svantaggi:
70
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
Indentatore (2 possibilità):
- Cono di diamante con angolo di apertura di 120° e raggio di raccordo di 0.2 mm
- Sfera di acciaio temprato con durezza non inferiore a 850 HV e diametri 1/16,
1/8, 1/14, 1/2 pollice
• Mantenimento della forza iniziale F0 per un
tempo specifico
misura della profondità di assestamento
•Applicazione di una forza aggiuntiva F1
• Mantenimento della forza totale per un tempo
specifico (Ft=F0+F1)
• Rimozione della forza aggiuntiva F1
• Mantenimento della forza iniziale F0 per un
tempo specifico
misura della profondità di penetrazione
Carico in 2 tempi:
71
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
I parametri della prova cambiano a seconda del penetratore utilizzato e il valore della
durezza sarà espresso in funzione della profondità di penetrazione con le seguenti formule:
eNHR HRB = 130 – e per prove con penetratore sferico
HRC = 100 – e per prove con penetratore conico
N = numero specifico della scala
e = aumento residuo della profondità
di penetrazione in unità specifica
della scala (unità specifica 0.001 o
0.002 mm)
72
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Esempio
60 HRC
60 Valore della durezza Rockwell
HR Simbolo della durezza Rockwell scala C
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
Designazione
La durezza Rockwell è indicata con le lettere HR seguite da una lettera che indica
la scala (HRB , HRC)
73
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
Esistono diverse scale per la misura della durezza Rockwell che si usano a seconda del
campo di applicazione.
Queste scale differiscono nel tipo di penetratore e carico applicato.
Esistono 2 Tipi di Prova Rockwell
con F0=3 Kg e
F1= 12
F1= 27
F1= 42
con F0= 10 Kg e
F1= 50
F1= 90
F1= 140
SUPERFICIALE NORMALE
74
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
Scale di durezza
75
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
Campi di applicazione delle scale Rockwell
76
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
Modalità di prova
• Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione.
• Impronte distanziate tra loro e il bordo
• Permanenza del carico 1-8 s per il carico iniziale 1-15 s per il carico totale (a
seconda della scala)
• Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova
*Se la superficie è curva con raggio di curvatura inferiore a 25 mm i valori di durezza devono essere corretti con
opportuni fattori
dist.centro impronta – bordo ≥ 2.5 diametri d’impronta (cmq > 1mm)
dist. centri 2 impronte ≥ 4 diametri d’impronta (cmq > 2mm)
77
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza RockwellDurezza Rockwell
• Durata della prova relativamente breve, in quanto il valore della durezza è direttamente visualizzato dopo il test.
• Il test può essere automatizzato.
• Costi relativamente limitati della macchina di prova grazie all’assenza di dispostivi di misura ottici.
• Nessuna influenza dell’operatore perché il valore di durezza è visualizzato direttamente sullo strumento.
• Tempi di addestramento dell’operatore ridotti.
• Poco indicato per testare materiali induriti superficialmente.
• Elevata suscettibilità del penetratore in diamante al danneggiamento (conseguenti errori di misura).
Vantaggi:
Svantaggi:
78
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Riepilogo Riepilogo -- Regole generaliRegole generali
1. La superficie di prova deve avere un raggio di curvatura almeno uguale a 25 mm, per valori inferiori la durezza diventa funzione del raggio
2. impronte distanziate tra loro e dai bordi
3. carico applicato lentamente ed in direzione perpendicolare ( 2°) alla superficie
4. lo spessore del pezzo non deve consentire che si risentano effetti dell’impronta sulla superficie opposta a quella di prova
5. finitura tale da consentire la formazione di una impronta dai contorni netti e quindi misurabili con precisione
Nota: Se il raggio di curvatura è inferiore a 25 mm il valore misurato va corretto con dei fattori riportati in opportune tabelle
79
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Durezza: Prova di Durezza: Riepilogo Riepilogo -- Regole generaliRegole generali
• Delle tre prove la più versatile, precisa, non-distruttiva, per le modestissime
dimensioni dell' impronta, e valida in un intervallo di durezze praticamente illimitato, è
la prova Vickers
• La prova Brinell e' meno laboriosa, ma può esser talvolta distruttiva per l'eccessiva
dimensione delle impronte; e risente meno delle variazioni legate alle eterogeneità
microstrutturali
• La prova Rockwell è la più semplice e rapida, ma anche la meno precisa ed affidabile;
può dare valori errati per molteplici motivi: per esempio un cedimento dell' appoggio
dovuto ad una qualsiasi causa (superficie ossidata o sporca, supporto cedevole,
deformazioni elastiche, slittamenti, ecc.) darà misure in difetto.
80
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di MicrodurezzaProva di Microdurezza
PROVA DI MICRODUREZZA: simile alla VICKERS
ma impiega carichi inferiori P ≤ 1 kgf
Valgono le relazioni:
I penetratori sono di due tipi:
• Piramide a sezione quadrata VICKERS
• Piramide a base rombica tipo KNOOP, con rapporto tra le diagonali di 1/7
Penetratore Knoop per
microdurezza
Impronta nella prova
Vickers
con P [kgf] HV = 1.854 2mediod
PHK = 14.224
2d
P
81
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di MicrodurezzaProva di Microdurezza
Schema di un durometro Apparecchio di misura per
microdurezza
82
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
Prova di Prova di MicrodurezzaMicrodurezza
La prova di MICRODUREZZA serve in particolare per:
Misura su fogli sottili (fino a 0.0127 mm)
Fili di piccolo diametro
Controllo di durezza per rivestimenti superficiali
Misura della durezza dei microcomponenti
Controllo di processo nei trattamenti superficiali quali:
cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione
Regole Generali
• Valgono le regole indicate precedentemente
• In più il pezzo deve presentare una superficie con un grado di rugosità molto basso
Impronte di microdurezza
Vickers
83
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
• Il test di indentazione strumentata consiste nel far penetrare un indentatore di
geometria nota all’interno del componente in esame e nel monitorare
contemporaneamente e continuamente la forza e la profondità di penetrazione.
Con questo test si ottengono valori della durezza e altre proprietà del materiale,
senza la necessità di misurare l’impronta.
• L’indentatore può essere:
• Un penetratore Vickers;
• Un penetratore piramidale a base
triangolare di diamante (Berkovich);
• Una sfera di metallo duro;
• Una sfera in diamante.
Prova di Prova di Indentazione strumentataIndentazione strumentata
84
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
A
PY3
Per i metalli:
Displacement [mm]
Lo
ad
[N
]
P
FIMEC
Flat - top Cylinder Indenter
for Mechanical Characterization
1 mm 2 mm
B. Riccardi and R. Montanari:
Indentation of metals by a flat-ended cylindrical punch
Materials Science and Engineering A Vol. A381 (2004), p. 281
Prova FIMECProva FIMEC
85
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
B. Riccardi and R. Montanari:
Indentation of metals by a flat-ended cylindrical punch
Materials Science and Engineering A Vol. A381 (2004), p. 281
Temperatura di transizione duttile-fragile
Prova FIMECProva FIMEC
86
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87
PROVA di FATICA PROVA di FATICA PROVA di FATICA PROVA di FATICA
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
88
• Le prove di fatica si eseguono allo scopo di
fornire informazioni relative al comportamento
di un materiale metallico sottoposto a cicli di
sollecitazione che si ripetono nel tempo.
• Le sollecitazioni possono essere di tipo semplice
(trazione, compressione, flessione e torsione)
oppure possono risultare da una combinazione
di sollecitazioni semplici.
• Le sollecitazioni normali e/o le sollecitazioni
tangenziali prodotte nella provetta variano, di
regola, seguendo una funzione ciclica nel tempo
• La prova viene eseguita a diversi stress amplitude (S) e per un numero di cicli (N) che portano a rottura la provetta.
Prova di Fatica: Prova di Fatica: GeneralitàGeneralità
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
89
• Curve tipiche della prova sono le S-N curve
• Stress amplitude (S) è definita come lo stress massimo a cui è sottoposta la
provetta.
• Il massimo stress al quale il materiale può essere soggetto senza rottura a fatica è
noto come limite di fatica (endurance limit)
Prova di Fatica: Prova di Fatica: CurveCurve
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
90
PROVA di CREEP PROVA di CREEP PROVA di CREEP PROVA di CREEP
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
91
• Metodo per determinare il comportamento a creep per rilassamento da stress.
• Il materiale viene sottoposto a prolungata trazione costante o ad un carico di
compressione a temperatura costante.
• La deformazione è registrata a intervalli di tempo specificati e viene tracciato un
diagramma di deformazione vs tempo. (metalli)
• Nei metalli il meccanismo di creep ad alta temperatura è attribuito allo
scorrimento dei bordi di grano
• Rilassamento da stress (stress relaxation): il provino si deforma di una data
quantità e la diminuzione dello stress nel periodo prolungato di esposizione a
temperatura costante viene registrato. (termoplastici)
• Procedure standard di prova da creep sono dettagliate nella norma ASTM E-139,
ASTM D-2990 e D-2991 (materie plastiche) e ASTM D-2294 (adesivi).
Prova di Prova di CreepCreep: : GeneralitàGeneralità
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
92
In una tipica curva di creep si possono distinguere 3 fasi:
• primo stadio (creep primario): deformazione elasto-plastica, che aumenta con velocità
decrescente favorita dalla mobilità delle dislocazioni più favorevoli (creep logaritmico);
• secondo stadio (creep secondario): equilibrio tra l'incrudimento e la ricristallizzazione: la
deformazione prosegue a velocità quasi costante ;
• terzo stadio (creep terziario): deformazione aumenta rapidamente, arrivando
velocemente alla rottura, a causa delle microcricche appuntite e dei microvuoti e dello
scorrimento diffusivo dei giunti dei grani.
Prova di Prova di CreepCreep: : CurvaCurva
slope= d/dt= velocità di creep
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
93
PROVA di RESILIENZA PROVA di RESILIENZA PROVA di RESILIENZA PROVA di RESILIENZA
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
94
Prova di ResilienzaProva di Resilienza
• Definizione: è la resistenza di un materiale agli
urti
• Rappresenta l’attitudine di un materiale ad
assorbire energia nell’intervallo elasto-plastico
• La prova di resilienza consiste nel rompere
a flessione per urto con un sol colpo,
con mazza a caduta pendolare, una
provetta intagliata nella sezione mediana
e poggiata su due sostegni.
• L’energia assorbita si misura in J e rappresenta la
resistenza agli urti del materiale (resilienza)
• La prova di resilienza può essere: - Charpy
- Izod
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
95
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: macchina di provamacchina di prova
• Nella prova di resilienza il peso di caduta è sotto forma di un pendolo;
• La massa oscillante e il raggio dell'arco determinano la quantità di energia cinetica
generata.
• La maggior parte delle macchine di prova sono dimensionate per fornire una
valutazione di energia di 300 joule. (oggi max 450 joule per acciai)
• L'energia cinetica massima è raggiunta al punto più
basso dell'oscillazione e la provetta è disposta in
modo preciso in questo punto.
• La provetta si fratturerà o sarà severamente
deformata.
• Il pendolo continuerà a viaggiare ad un'altezza
massima dall'altro lato dell'oscillazione in cui un
indicatore registra l'energia persa (assorbita) nella
frattura della provetta.
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
96
RESILIENZA = Energia assorbita
E = mg (H – h) [J]
dove: h = R – R cosα = R (1 – cosα)
UNI EN 10045
Unità SI
K [J]
Pendolo di Charpy
In condizioni normali l’energia disponibile è
di 300±10 J (altrimenti deve essere specificata)
La velocità di impatto deve essere 5÷5.5 m/s
Normativa precedente
RESILIENZA = Energia/Area resistente S
cosα1RHmgK
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: CharpyCharpy
Provino
K= mg [H - R(1-cosα)]
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
97
• Lunghezza 55 mm,
sezione quadrata lato 10 mm
• Intaglio ortogonale agli spigoli, nella
mezzeria del provino
Provetta Mesnager K
(norma UNI ritirata)
Provetta con intaglio a U o a buco di chiave KU
profondità intaglio 5 mm, raggio del fondo 1 mm
sezione utile 0.5 mm2
Provetta con intaglio a V KV
apertura intaglio 45°, profondità 2 mm,
raccordo sul fondo 0.25 mm, sezione utile 0.8 cm2
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: lala provetta provetta CharpyCharpy
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
98
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: esempiesempi
KU = 210 J
energia disponibile 300 J (condizioni normali, il valore viene omesso)
provetta normale con intaglio a U o a buco di chiave
energia assorbita 210 J
KV 100 = 65 J
energia disponibile 100 J (condizioni ≠ normali, il valore è specificato)
provetta normale con intaglio a V
energia assorbita 65 J
KV 150/7.5 = 83 J
energia disponibile 150 J
provetta con intaglio a V di sezione ridotta di larghezza 7.5 mm
energia assorbita 83 J
Nel caso di prove con provetta di sezione ridotta con intaglio a V devono essere aggiunti indici
relativi all’energia disponibile e alla larghezza della provetta
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
99
• Normalmente le prove vengono effettuate a T ambiente (23±5°C); per prove a T
diverse la provetta deve essere immersa nel mezzo di riscaldamento o raffreddamento
per un tempo sufficiente e non devono trascorrere più di 5 s tra il prelevamento dal
mezzo e la fine della prova.
• A basse temperature la resilienza assume valori inferiori a quelli ottenuti a temperature
superiori.
• Esiste un campo di temperature per il quale la resilienza subisce una brusca variazione
(campo di transizione duttile-fragile)
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: effetto della Temperaturaeffetto della Temperatura
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
100
La prova di resilienza è eseguita su provini a differente temperatura, valutando l’energia
assorbita nell’urto. È possibile quindi determinare una temperatura di transizione
duttile-fragile Ttr. Convenzionalmente Ttr è individuata in corrispondenza del valor
medio di energia assorbita. In alternativa, poiché la frattura di tipo fragile è caratterizzata
da un aspetto cristallino, si può determinare la Ttr come il valore di temperatura in
corrispondenza del quale si ha un grado di cristallinità del 50%.
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: effetto della Temperaturaeffetto della Temperatura
L’intervallo di transizione dipende da:
• forma e dimensioni dell’intaglio
• dimensioni del provino
• velocità dell’urto
• criterio adottato per rilevare la curva di transizione
DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA
101
Valore della resilienza K (daN m/cm2)
per alcuni materiali
–vecchia normativa-
Tabella comparativa
fra i valori di resilienza
misurati con prove diverse
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: valori di Resilienzavalori di Resilienza
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• I risultati che si ottengono dalla prova NON sono grandezze intrinseche del
materiale e non sono quindi utilizzabili nella progettazione.
• I risultati che si ottengono sono fortemente dipendenti dalle modalità di prova,
dalla grandezza che si misura ecc.
• Vi è l’impossibilità di misurare le componenti dello stato triassiale di tensione.
• Permette di mettere in evidenza in laboratorio la transizione duttile fragile nel
comportamento dei materiali, nello stesso intervallo di temperatura
• Grandezze ricavabili dalla prova:
o Resilienza (KU o KV per indicare il tipo di provino)
o Cristallinità (percentuale di superficie di rottura che ha aspetto cristallino)
o Contrazione trasversale (che il provino subisce in corrispondenza al fondo intaglio)
Regole Generali
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: risultatirisultati
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I risultati della prova possono variare considerevolmente in particolare nell’intervallo di
transizione a causa di:
• variazioni locali dell’acciaio
• impossibilità di ottenere intagli perfettamente uguali (sono critiche forma e profondità
dell’intaglio)
• variabile posizionamento del provino sulla macchina
• Prova semplice
• Temperatura variabile
• Confronto il comportamento del materiale soggetto a diversi trattamenti, confronto
materiali diversi. Controllo di qualità.
Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: risultatirisultati
Vantaggi:
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Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: provaprova
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Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: rottura del provinorottura del provino