Caratterizzazione Meccanica Dei Materiali

8/16/2019 Caratterizzazione Meccanica Dei Materiali

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Modi semplici di sollecitazione

Campione indeformatodi volume Vo

Campione deformatodi volume V

p

p

p

(c)(a)Trazione

uniassiale(b) Taglio semplice(c) Compressione

idrostatica

A

Campione indeformato

lo D l

F

Sforzo normale( in Pa = N/m 2 )oA

Fσ

Deformazione normale(adimensionale )

o

o

o ll-l

llD

(a)x

yz

A

Campione indeformato

F x

y o

A

Sforzo tangenziale( in Pa = N/m 2 )A

F

Deformazione tangenziale(adimensionale )

0y

Δx

(b)x

yz


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Risposta alle sollecitazioni meccaniche

t

Sforzo

t i t f

TIPICHE RISPOSTE (OUTPUT)

SOLLECITAZIONE (INPUT)

t

Deformaz.

t i t f

Comportamentoelastico

tt i t f

Comportamentoelasto-plastico

tt i t f

Rottura

Deformaz.

Deformaz.


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Prova di trazione uni-assiale

Tipica geometria di un provinoper test sulle plastiche

Tipica configurazione sperimentaledi una prova di trazione sulleplastiche

Ganasce

Estensimetro

Traversa

mobile

Cella di

carico

T r a

t t o u

t i l e d e l p r o v

i n o

T r a

t t o u

t i l e e s

t e n s

i m e

t r o

T r a

t t o u

t i l e d e

l p r o v

i n o

l 0 e s

t e n s

i m e

t r o

l o p r o v

i n o

d i s t a n z a a

f f e r r a g g

i

l o p r o v

i n o

d i s t a n z a a

f f e r r a g g

i

l o e s

t e n s

i m .


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Curve sforzo-deformazione

lo = 60 mmT = 2.18 mmWc = 6.82 mm

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Deformazione [mm/mm]

S f o r z o

[ M P a

]

provino 1

0

200

400

600

800

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Spostamento [mm]

F o r z a

[ N ]

provino 1

0

200

400

600

800

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Spostamento [mm]

F o r z a

[ N ]

provino 1provino 2provino 3

0

10

20

3040

50

60

70

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Deformazione [mm/mm]

S f o r z o [

M P a

]

provino 1provino 2provino 3dimensioni

provini

W c

T

TWA co lo

W 0


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Un esempio di polimero duttile: il PE

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800

S f o r z o

[ M P a

]

Allungamento [%]

0

1

2

3 4

5

67

8

821 3 540 6 7

Comportamento sforzo-deformazione di un PE (Eraclene BC 82 della PolimeriEuropa) testato a trazione (T = T amb ; v trav. = 10mm/min).


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Un esempio di polimero duttile: il PE

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800

S f o r z o

[ M P a

]

Allungamento [%]

0

1

2

34

5

67

8

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Deformazione residua in campioni di PE (Eraclene BC 82 della Polimeri Europa) testati a trazione(T = T amb ; v trav. = 10mm/min).


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Materiali a comportamento duttile

Esempio di curva sforzo-deformazione relativa a un materiale concomportamento duttile

DeformazioneO

x

Sforzo


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Deformazione

A

O

x

Sforzo

s A

A


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Deformazione

A

O

Bs sn = s B x

Sforzo

B sn

Punto disnervamento

s C


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Deformazione

A

O

BC

C’ pl,C el,C

C

s sn = s B x

Sforzo

B sn

Punto disnervamento

s C


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Deformazione

A

O

BC

D’ pl,D el,D

D

x

Sforzo

B sn

Ds sn = s B

Punto disnervamento

M i li d il


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Deformazione

A

O

BC

pl,E el,E

E

x

Sforzo

D

Es sn = s B

Punto disnervamento

B sn

E’

M i li f il


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Materiali a comportamento fragile

Tipici esempi di: comportamento elastico lineare (a) e non lineare (b, c)

Tipica curva sforzo-deformazione di unmateriale a comportamento fragile

Tipico aspetto di provinidi materiali con rotturafragile

Sforzo

Deformazione

Sforzo

Deformazione

(a) (b)Sforzo

Deformazione

(c)x x x

Punto dirottura

Sforzos r= s C

r= C

A

B

C

DeformazioneO

s A

A

x

D i i d ll i i


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Determinazione della resistenza a trazione

Determinazione della resistenza meccanica a trazione per materiali a comportamento fragile (a)e a comportamento duttile (b)

x

Sforzo Punto disnervamento

Deformazione

Sforzo

R m,t = s r

Punto dirottura

r

(a)

R m,t = s sn

(b)

x

Deformazionesn

D t i i d ll i id t i


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Determinazione della rigidezza a trazione

Determinazione del modulo a trazione per materiali le cui curve sforzo-deformazione presentano(a) oppure non presentano (b,c,d) un tratto iniziale lineare

Sforzo

Deformazione

(a)

εσE modulo elastico

Sforzo

Deformazione

(b)ε)( σlimE

0εin modulo iniziale

Sforzo

Deformazione

(c)

modulo secante εσE ε

σ

ε

Sforzo

Deformazione

(d)

modulo corda12

12, εε

σ-σE21

2σ

2ε

1σ

1ε

Ult i i g d d t i bili di t l


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Ulteriori grandezze determinabili mediante la prova

snε

0r d εσ(ε)U• Modulo di

resilienza (U r )snsnr

σε21

U (elasticità lineare)

s

sn

s sn

U r

r ε

0t

d εσ(ε)U• Modulo ditenacità (U t )

r

U tU t

s

x

• Indici diduttilità

• Allungamento% a rottura

• Riduzione %d’area

r

s

x

duttilità 100

l

ll

o

or

100A

AA

o

r o

C t t t i t i li f t


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Comportamento a trazione: materiali a confronto

x

x

x

x

x

x

500

400

300

200

100

S f o r z o

[ M P a

]

2010 30 40 50 60 300 350 Def. [%]

Si 3N4

Al2O 3

PMMA PE

S 355

X5 CrNi 18-9

x

x

500

400

300

200

100

S f o r z o

[ M P a

]

0.20.1 Def. [%]

Al2O3

Si 3N4

S 355

X5 CrNi 18-9

PMMAPE

Comportamento a trazione: moduli a confronto


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Comportamento a trazione: moduli a confronto

Metalli Ceramici Polimeri

M o

d u

l o e

l a s t i c

o [ G P a

]

0.2

8

0.6

1

Magnesio, Stagno Alluminio

Platino

Argento, Oro Zinco, Titanio

Acciai Molibdeno

G rafite

Si monocristallo

Vetro sodico-calcico

Calcestruzzo

Si3N4 Al2O3

PC

0.4

0.8

2

46

10

2 0

4 06 08 0

10 0

2 00

6 008 00

10001200

4 00

Leghe del Cu

Tungsteno

SiC

Diamante

PTFE

HDPE

LDPE

PP

Poliestere

PSPET

, Nichel

Comportamento a trazione: resistenze a confronto


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Comportamento a trazione: resistenze a confronto

a = annealed (ricotto)hr = hot rolled (laminato a caldo)ag = aged (invecchiato)cd = cold drawn (trafilato a freddo)cw = cold worked (lavorato a freddo)qt = quenched & tempered(temprato & rinvenuto)

(1)Sforzo a snervamento(2)Sforzo a rottura

LEGENDA

R e s

i s t e n z a m e c c a n

i c a

[ M P a ]

PVC-U

PA 6,6

LDPE

20

40 50

100

10

30

2 00

3 00

4 00

5 00 6 00 7 00

1000

2000

Stagno (puro)

Al (6061) ag

Ti (puro) a

Acciaio (4140) qt

Ti (5Al-2.5Sn) a W (puro)

Mo (puro)

HDPEPP

umida

seccaPC

PET

Metalli (1) Ceramici (2) Polimeri (1)

Acciaio(4140) a

Acciaio(1020) cd

Cu (71500) cw

Acciaio(1020)hr

Ta (puro) Cu (71500) hr

Al (6061) a

Si monocrist.

Grafite

Al2O3

Calcestruzzo

Diamante

Vetro sodico-calcico

Si3N4

Prova di compressione uniassiale


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Prova di compressione uniassiale

s

Trazione

R m,t = s r

R m,c =│s min │

Compressione

s

s

(a)

s

s

s s

(b) (c)

Configurazione della prova dicompressione (a) e problemi associatialla corretta conduzione della prova:deformazione a botte (b) esvergolamento (“ buckling ”) delprovino

(a) Curva completa sforzo-deformazione per ilcalcestruzzo; (b) provino di calcestruzzo durantela prova di compressione e (c) provino rotto incompressione

(a) (b) (c)

Intervallo di linearità

X

X

Compressione vs trazione


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-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

-0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

[mm/mm]

[ M P a ]

Compressione vs trazione

Curve sforzo-deformazione di resine epossidiche a temperatura ambiente

x

Provino dopo lo scarico

Superficie difrattura delprovino rottoa trazione

Prova di flessione


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Prova di flessione

Configurazione perl’esecuzione di unaprova di flessione sutre punti

Forza

Trazione

CompressioneStratoneutro

Proprietà a flessione (3 punti)


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Proprietà a flessione (3 punti)

22wh

L3Fs2L

h δ6ε

F

d

L

F

wh

Formule per il calcolo di deformazione esforzo a trazione nella zona delle fibretese nel caso di un provino a forma diparallelepipedo rettangolo sollecitato aflessione su tre punti

3

3

4whL

δF

E

Per i ceramici:R m,f = MOR

(Modulus Of R upture)

Determinazione di modulo elastico e

resistenza a flessione per un materialecon comportamento elastico lineare (adesempio: ceramico); caso di un provinoa forma di parallelepipedo rettangolosollecitato a flessione su tre punti

XR m,f = s r

s

Viscosità dei fluidi


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Viscosità dei fluidi

oyv

AηF

Legge di Newton

dt

d

Valori tipici di viscosità per alcuni fluidi

* 1 Pa s = 10 P

Fluido Viscosità [Pa s]*Aria 10 -5

Acqua 10 -3

Olio di oliva 10 -1

Miele 10Polimeri allo stato fuso 10 2-10 6

Vetro “fuso” (500 °C) 10 12

Vetro 10 40

x

yzA F

vy 0

A

y 0

v

v = 0

F

Moto di una lamina di area A, posta sulla superficie di un fluido ad un’altezza y o , cheviene trascinata velocità costante v tramite l’applicazione di una forza F

Possibili tipi di comportamento nei fluidi


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Possibili tipi di comportamento nei fluidi

Processo Tipiche velocità dideformazione [s -1 ]

Sedimentazione di polveriin sospensione

10 -6 10 -4

Estrusione di polimeri 10 0 - 10 2

Miscelazione di liquidi 10 1 - 10 3

Flusso di liquidi in tubi 10 0 - 10 3

Operazioni di spruzzo 10 3 - 10 4

Possibili andamenti dello sforzo di taglio in funzione della velocità di taglio: a) fluidonewtoniano; b) fluido pseudoplastico; c) fluido dilatante. Le curve d) ed e) corrispondono a fluidiche necessitano di uno sforzo minimo (sforzo di snervamento) per potere fluire.

Metodi standard di prova


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Metodi standard di prova

Tipica articolazione di una norma• Scopo e campo di applicazione• Riferimenti ad altre norme• Significatività e principio del metodo• Definizioni• Apparecchiature di prova• Tipi di provini e loro trattamento• Numero di provini da usare e condizioni diprova• Procedimento per l’esecuzione della prova • Calcolo dei risultati• Resoconto della prova• Eventuali annotazioni e disegni

Principali enti di normalizzazione• ASTM (American Society for Testing of Materials - USA)• DIN (Deutches Institut f ϋ r Normung – Germania)• BSI (British Standard Institution – Regno Unito)• UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione – Italia)

• CEN (Comité Européen de Normalisation – EU)

• ISO (International Organization for Standardisation)

Esempi di norme per prove sulle plastiche• Prova di trazione: ISO 527 ASTM D638•

Prova di compressione: ISO 604 ASTM D695• Prova di flessione: ISO 178 ASTM D790• Prova di creep: ISO 899-1,2 ASTM D2990• Prova di resilienza (Charpy): ISO 179 ASTM D6110• Prova di resilienza (Izod): ISO 180 ASTM D256

Bollettini tecnici (schede tecniche)


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Bollettini tecnici (schede tecniche)

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