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11. Complementi alle prove meccaniche dei materiali metallici

Andrea Gatto Maria Elena Pacchioni

IL NUOVO PRODUZIONEMETALMECCANICA

VOLUME 3

1 COMPLEMENTI ALLE PROVE MECCANICHE DEI MATERIALI METALLICI

1.2 Prove di scorrimento a temperature elevate

Forno elettrico per prove di trazione in temperatura e prove di scorrimento viscoso

La macchina di trazione deve essere dotata di un forno elettrico per eseguire le prove a temperature elevate e le prove di scorrimento viscoso; deve avere quindi la possibilità di riscaldare la provetta alla temperatura voluta con uniformità e costanza nel tempo. Il forno è costituito da un dispositivo riscal-dante, da un dispositivo misuratore e autoregolatore della temperatura (figura 1) e da un dispositivo per la misurazione degli allungamenti.Il dispositivo riscaldante è un corpo cilindrico che si appoggia e può ruotare su una staffa fissata a una colonna della macchina; gli elementi riscaldanti possono essere in tungsteno/molibdeno (figura 2).

Figura 1Dispositivo per il riscaldamento delle provette durante la prova di trazione, costituito dal forno, dal misuratore e autoregolatore della temperatura.

Figura 2Particolare dell’elemento riscaldante

in lega W-Mo del forno.




VOLUME 3

La provetta, fissata agli estremi con gli ordinari sistemi di bloccaggio o con opportune prolunghe, è riscaldata nella parte centrale mediante resistenze elettriche o elementi ri-scaldanti, regolabili allo scopo di uniformare la temperatura in ogni zona della provetta stessa. L’ambiente riscaldato è termicamente isolato dall’esterno (figura 3). La temperatura voluta viene mantenuta nella camera mediante il segnale retroazionato inviato da termocoppie situate equidistanti nel tratto utile della provetta (figura 4). La figura 4 illustra schematicamente il complesso del dispo-sitivo. La provetta P cilindrica con teste filettate è portata, tramite le prolunghe L, ai dispositivi di serraggio ordinari. Il forno F è costituito da un involucro cilindrico A di lamiera di acciaio rivestito internamente di refrattario. Le tre termo-resistenze R1, R2, R3 forniscono il calore secondo le misure rilevate dalle tre termocoppie C1, C2, C3.La normativa specifica il metodo di prova di trazione dei materiali metallici e definisce le caratteristiche meccaniche che tale prova consente di determinare, per una data tem-peratura: tolleranza sulla temperatura imposta, velocità di ri-scaldamento, modalità di applicazione del carico di trazione dopo il raggiungimento dell’equilibrio termico, velocità di deformazione ammissibile per accettazione della prova ecc.

Per le prove di scorrimento viscoso, (di lunghissima durata), con carico costante e temperatura elevata pure costante, si impiega lo stesso forno elettrico delle prove di trazione a temperature elevate, mentre la macchina di prova ha un di-spositivo di carico con contrappesi o a molla, onde assicura-re un carico di prova costante per lunghi periodi di tempo.

Provette per prove di scorrimento viscoso

Possono avere qualsiasi sezione (circolare come in figura 5, qua-drata, rettangolare ecc.). Il diametro della parte calibrata delle provette circolari non deve essere inferiore a 4 mm. Le provet-te rettangolari devono avere spessore non inferiore a 2 mm e rapporto tra i lati non maggiore di 4 : 1. Le lunghezze del tratto utile sono espresse dalla nota relazione:

L k S0 0= ×

Figura 4Schema del forno elettrico per la prova

di trazione statica a temperatura elevata.

Figura 3Particolare del rivestimento isolante.




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nella quale k assume il valore preferenziale di 5,65 o di 11,3. Per le correzioni della lunghezza ultima tra i riferimenti Lu si seguono le stesse norme che interessano la prova di trazione statica a tem-peratura ambiente.

Attrezzature di provaI dispositivi di riscaldamento devono consentire di mantenere la temperatura costante in ogni punto della provetta e per tutta la durata della prova. Gli scostamenti limite tra la temperatura T pre-scritta e le temperature indicate sono i seguenti:• ± 3 °C per T ≤ 600 °C;• ± 4 °C per 600 °C < T ≤ 800 °C;• ± 5 °C per 800 °C < T ≤ 1000 °C.Per le temperature prescritte maggiori di 1000 °C gli scostamenti limite devono essere oggetto di accordo preventivo tra le par-ti interessate. Il periodo di tempo necessario per raggiungere la temperatura di prova è in genere compreso fra 1 e 4 ore. Dopo questo periodo segue la stabilizzazione, la cui durata è compresa tra 16 e 24 ore.Per l’applicazione di carichi sono preferibili i dispositivi a peso con o senza amplificazione a leva, mentre per il rilevamento delle deformazioni si preferisce solitamente utilizzare dispositivi non a contatto.

Esecuzione delle proveFissata la temperatura di pro-va, si sottopone una serie di provette a carichi di trazione costanti di diverso valore: per ciascuno di essi si rilevano gli scorrimenti misurati a intervalli di tempo prestabiliti, fino alla rottura. I risultati si raccolgono nel diagramma a scale logarit-miche scorrimenti-tempi (figura 6) comprendente la serie delle curve per ogni carico applicato (a temperatura costante), che correlano l’allungamento regi-strato in funzione del tempo, fino alla rottura della provetta.

Figura 6Diagramma scorrimenti-tempi relativo a prove eseguite con carichi unitari diversi agenti a una prefissata temperatura di prova costante.

Figura 5Provetta per prova di creep.

30 mm




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Figura 8Macchina per prova di scorrimento viscoso (creep) a carico costante.

I carichi unitari di rottura per scorrimento, determinati nel corso della stessa prova, possono conve-nientemente essere raccolti nel diagramma a scale logaritmiche carichi-tempi (figura 7). In tal modo si ha una migliore possibilità di rilevare il carico unitario di rottura corrispondente al tempo presta-bilito; la stessa cosa si può fare anche per il limite di scorrimento convenzionale (per esempio 1%).

Risulta evidente che nel caso di apparecchiature che operano a temperature alle quali il materiale è soggetto a fenomeni di creep, si dovrà tener conto di questo parametro in modo da poter stabilire a priori nella progettazione il tempo di esercizio (o la vita residua di un’apparecchiatura in funzione). Le norme UNI, che riportano i valori medi indicativi della banda di dispersione delle prove di resistenza di lunga durata (100 000 ore equivalgono a oltre 11 anni), suggeriscono che il limite inferiore della banda di dispersione, alle temperature indicate, può essere considerato circa il 20% minore del valo-re medio indicato. Nella figura 8 è riportata una macchina per prove di scorrimento a carico costante.

Figura 7Diagramma carichi unitari-tempi dedotto dal precedente per la determinazione allo scorrimento prestabilito (nel caso in esame all’1%) e del carico unitario di rottura per scorrimento a una prestabilita temperatura di prova. Il limite di scorrimento e il carico unitario di rottura per scorrimento del materiale in esame per un tempo diverso da quello delle prove sperimentali si rilevano sulle linee del diagramma per interpolazione o per estrapolazione al tempo desiderato.




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1.8 Prova di trazione sulle funi di acciaio

Si definisce carico di rottura effettivo il carico massimo che viene raggiunto con la prova di trazione condotta fino allo strappo parziale o totale di uno spezzone di fune prelevato e preparato nel rispetto di modalità unificate. Le estremità dello spezzone vengono disciolte e sui fili, disposti a guisa di pennello e dopo decapaggio, viene colata, in apposita forma tronco-conica, una lega allo scopo di formare le teste di affer-raggio (piombatura). Tra le leghe impiegate si cita la Pb Sn 60, il cui punto di fusione è circa 185 °C.Lo spezzone preparato è insediato negli appositi afferraggi (figura 9) e sottoposto a un carico preliminare pari a 1/10 del carico totale richiesto, allo scopo di determinare esattamente la lunghezza del tratto utile e il diametro della fune. Si inten-de per diametro della fune d quello della circonferenza circo-scritta alla sezione rotta sotto il carico predetto. Il tratto utile T è pari a tre volte il passo della spirale del trefolo, ma comun-que non inferiore a 500 mm. Il tratto centrale vale T + 24d.

Figura 9Sezioni di funi in acciaio: sono distinguibili le disposizioni dei trefoli.

Durante la prova la velocità d’incremento della tensione non deve superare 9,81 MPa/s.Tramite la prova si determinano:• gli allungamenti ai carichi aventi valori di 1/3 e di 2/3 del

carico totale di rottura richiesto (prova di carico);• l’allungamento sotto un determinato carico per un tempo

prestabilito;• il carico al momento della rottura del primo filo di un trefolo;• la posizione della rottura e del numero di fili rotti.Si può inoltre determinare il carico somma effettivo: è la som-ma dei carichi di rottura dei singoli fili componenti la fune otte-nuti con la prova di trazione a rottura di ciascun filo.

Prove speciali di compressione statica su tubi e molle

Le prove speciali di compressione statica che possono avere interesse generale nel settore della metalmeccanica sono:• la prova di compressione delle molle (figura 10);• la prova di schiacciamento dei tubi (figura 11).

Figura 10Prova di

compressione su una molla.




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La prima si propone la costruzione del diagramma di taratura della molla: è il grafico carichi-deformazioni ottenuto sottoponendo la molla a carichi progressivamente crescenti e misurando le corri-spondenti deformazioni. La seconda riguarda quei tubi il cui spessore è inferiore al 15% del dia-metro esterno, che è minore di 600 mm. La prova, eseguita su uno spez-zone lungo 1,5 d con un massimo di 100 mm, consiste nel comprimerlo a freddo, fra due piastre parallele, fino a che la distanza Z misurata sotto carico raggiunga i valori indicati nelle rispettive norme di unificazione, senza che nelle zone piegate si producano screpolature.

Prove speciali di flessione statica

Sono quelle destinate a un definito tipo di materiale o a un manufatto per il quale la prova di flessione richiede il rispetto di particolari regole definite nelle norme di unificazione o nei capitolati. Si citano alcuni casi.

Prova di resistenza a flessione su carburi metallici sinterizzati

Le provette di sezione trasversale quadrata o rettangolare, esen-ti da fessure o da difetti di struttura, devono avere le superfici lon-gitudinali rettificate con rugosità Ra ≤ 1 μm e le dimensioni indica-te nella tabella 1.6 del volume. La prova avviene mediante flessione per tre punti: si dispone la provetta su due cilindri di metallo duro di diametro compreso tra 3,2 e 6 mm, montati con gli assi paralle-li (figura 12). L’asse longitudinale della provetta deve risultare per-pendicolare agli assi longitudinali dei cilindri, mentre l’interasse tra i due cilindri deve essere di 30 ± 0,5 mm per le provette tipo A e di 14,5 ± 0,5 mm per quelle di tipo B. Il carico sulla provetta è tra-smesso da un elemento mobile con relativa sfera di metallo duro del diametro di 10 mm, avente rugosità uguale a quella dei cilindri (Ra ≤ 0,63 μm). La prova si esegue applicando sulla mezzeria della pro-vetta il carico con una velocità di incremento del carico uguale o minore di 100 N/(mm2 · s). La resistenza a flessione, in MPa, è data da:

RF L

bafmm=

3

2 2

Figura 11Prova di compressione su un tubo. La prova fornisce il valore di schiacciamento in funzione di un carico imposto con valori però molto inferiori da quelli di collasso del tubo stesso.

Figura 12Prova di flessione

su carburi metallici

sinterizzati.




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La prova non è considerata valida se la rottura avviene sulla faccia sottoposta al carico in un punto di-stante oltre 5 mm rispetto alla mezzeria per le provette tipo A e oltre 2,5 mm per quelle tipo B.Come risultato si assume la media aritmetrica di almeno cinque determinazioni, arrotondata a 10 MPa.

1.10 Microdurezza

Microdurometri

I microdurometri sono costituiti da due parti essenziali:

1. il microscopio, che ha la duplice funzione della ricerca e della centratura del punto da saggiare, nonché del successivo ingrandimento dell’impronta onde effettuare la misurazione delle diagonali;

2. il dispositivo per l’applicazione del carico, che deve avere alcune prerogative:• eseguire l’impronta nel punto prescelto;• impiegare carichi esatti (ripetitività della prova);• applicare i carichi staticamente;• offrire la possibilità di variare il carico.

Nella figura 13 è riportato lo schema funzionale del microdurometro tradizionale con il dispositivo per l’applicazione del carico. La leva (1) è fulcrata in (2); alla sua estremità sinistra è posto il penetratore (3) contenuto nella sua montatura di protezione. Direttamente sopra il penetratore può essere collo-cato il peso (5) costituito da un cilindretto tarato. Il disimpegno della leva è ottenuto con la rotazione dell’eccentrico (7) e la discesa del carico è regolata dal freno a olio (6). Con il bottone (8) si riporta il dispositivo nella posizione iniziale azionando l’eccentrico. Nella figura 14 è riportato un esemplare di microdurometro.

Figura 13Schema del microdurometro con dispositivo per l’applicazione del carico sul penetratore Vickers o Knoop.

Figura 14Microdurometro.




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1.12 Cause di infragilimento

Prova di corrosione intergranulare

La tendenza alla corrosione intercristallina degli acciai è evidenziata da prove di laboratorio, come è specificato in seguito.

a) La provetta (5 15 180 mm3) è incastrata verticalmente a un estremo sul fondo di un recipiente, contenente il reattivo d’attacco alla temperatura costante di 100 °C. Il reattivo è formato per il 63% dalla miscela (91% di nitrato di calcio, 5% di acqua e 4% di nitrato d’ammonio) e per il 37% da ac-qua. L’estremità libera della provetta è sollecitata da un dispositivo di leve allo scopo di provocare la tensione nella sezione d’incastro (figura 15).

b) La provetta (5 15 250 mm3) è prima piegata in mezzeria attorno a un rullo di 25 mm di raggio fino a che le sue estremità distino tra loro di 100 mm, quindi è introdotta in un telaio che riduce elasticamente tale distanza a 85 mm. La provetta staffata è mantenuta nella soluzione bollente per il numero di giorni prescritto (figura 16).

Figura 16Preparazione della provetta per la prova

della corrosione intercristallina degli acciai sotto deformazione costante:

a) piegamento su rullo; b) instaffatura della provetta.

Figura 15Dispositivo per la prova della corrosione intercristallina (stress-corrosion) degli acciai tensionati sotto sollecitazione costante.




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1.13.7 Macchine per prove di fatica

Le macchine per prove di fatica si possono distinguere in riferimento al tipo di prova: genere della sollecitazione, legge di variazione del carico, tipo di provetta ecc.

Macchine per prove a flessione rotanteSi possono classificare nei due tipi fondamentali: a) con provetta di sbalzo, b) con provetta appoggiata.Il caso a) è schematizzato nella figura 17. La provetta P, con sezione di rottura definita (diametro minimo = 6,74 mm, diametro massimo = 10 mm, raggio = 30 mm, lunghezza totale = 80 mm) è fissata a due mandrini M, uno dei quali è accoppiato al motore elettrico dal quale riceve, tramite un convertitore di frequenza, la velocità angolare di 6000 e 12 000 giri/min. All’estremità dell’altro mandrino è applicato il carico F mediante un meccanismo a leva. L’asta A, fulcrata in Fu, determina l’entità del carico F con la regolazione della posizione del peso Q: a ogni unità di spostamento corrisponde nella sezione definita della provetta l’unità di sollecitazione. Il peso supplementare Z serve per la regolazione del sistema.Le reazioni degli appoggi risultano:

RF a l

lR

F

lA Ba=

+=

( )

Figura 17Schema della flessione

con provetta rotante di sbalzo.

Conseguentemente il diagramma dei momenti flettenti è triangolare; nella sezione di rottura vale:

M FsZc Q d b

ds Kbf = =

− +=

( )

cioè varia linearmente con la distanza b.




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Il caso b) è schematizzato nella figura 18, dalla quale si rileva che la provetta rotante, appoggiata agli estremi, è sollecitata dai due carichi uguali e simmetrici F/2 applicati con un sistema a leva analogo al precedente. Conseguentemente, il diagramma dei momenti flettenti è trapezoidale e la provetta può essere a sezione costante.

Figura 18Schema della flessione

con provetta rotante appoggiata.

In entrambi i casi un contagiri consente di rilevare la durata N, cioè il numero di cicli sopportati dalla provetta fino al momento della rottura sotto un determinato carico, permettendo in tal modo di fissare un punto della curva di Wöhler. Altri punti si ricavano con altre prove e altri carichi su provette dello stesso materiale. Nella figura 19 è mostrato un esemplare di macchina funzionante secondo i principi sopra esposti.

Figura 19Macchina per prove

di flessione con provetta rotante appoggiata.

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