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PROGETTAZIONE

PRODUZIONE

Specifiche

Funzioni

Materie prime /Componenti

Prodotto

DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO

• materiale• macro geometria • micro geometria

Che cosa considerare nella scelta del materiale

• prestazioni del materiale• lavorazioni meccaniche• sistema produttivo

COSTI

DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO

Progettazione del componente:

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Plastiche

Legnami

Metalli

Ceramiche

Compositi

Gomme

Vetro

. . .

Rame

Alluminio

Magnesio

Fe-C

Ottone (Cu+Zn)

Bronzo (Cu+Sn)

Oro

...

Acciai

Ghise

Non esiste un materiale migliore in assoluto!

CATEGORIE

DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO

MATERIALE

SOLLECITAZIONI• carichi• temperatura• pressione• umidità• . . .

COMPORTAMENTO DI UN MATERIALE

PRESTAZIONI• deformazioni del materiale • frattura del materiale • corrosione del materiale• usura del materiale• . . .

Occorre conoscere i comportamenti dei materiali

legati alle funzioni del componente.

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ANALISI DEI MATERIALI

Come facciamo a caratterizzare il materiale per prevederne il comportamento ?

Livello atomico

Livello microscopico

Livello macroscopico

COMPORTAMENTO DI UN MATERIALE

PROPRIETA’ DEI MATERIALI

Cosa otteniamo dall’analisi dei materiali?

Fisiche e chimiche

Meccaniche

Tecnologiche

COMPORTAMENTO DI UN MATERIALE

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PROPRIETA’FISICHE E CHIMICHE

Rientrano in questa categoria proprietà quali:

Peso specifico

Punto di fusione

Dilatazione termica

Resistenza alla corrosione

Calore specifico

Magnetismo

Ecc.

PROPRIETA’ FISICHE E CHIMICHE

PROVEMECCANICHE

Sono quelle proprietà che riguardano la resistenza del materiale ai vari tipi di sollecitazione. Le prove normalizzate per quantificare le suddette proprietà possono essere così suddivise

Statiche

Dinamiche

Periodiche

di Scorrimento

PROPRIETA’ MECCANICHE

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PROVESTATICHE

PROVE STATICHE

Quando il carico viene applicato lentamente (minuti)

PROPRIETA’ MECCANICHE

Prove di trazioneProve di compressioneProve di flessioneProve di torsioneProve di taglioProve di durezza

PROVEDINAMICHE Prove di resilienza

PROPRIETA’ MECCANICHEPROVE DINAMICHEQuando il carico viene applicato velocemente (frazioni di secondo)

Per definire l’influenza della velocità di applicazione del carico sulla resistenza alla deformazione del materiale e per valutare la resistenza alla rottura per urto

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PROVEPERIODICHE Prove di fatica

PROPRIETA’ MECCANICHEPROVE PERIODICHEQuando il carico viene fatto variare periodicamente nel tempo (legge sinusoidale e periodo di frazioni di secondo)

Queste prove permettono di valutare la resistenza a fatica del materiale

PROPRIETA’ MECCANICHEPROVE DI SCORRIMENTOQuando il carico, raggiunto un determinato valore, viene mantenuto costante anche per un tempo molto lungo (decine e a volte migliaia di ore)

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Sono quelle proprietà che riguardano l’attitudine dei materiali ad essere lavorati mediante i vari processi tecnologici

PROPRIETA’ TECNOLOGICHE

PROVE MECCANICHE

Le proprietà meccaniche si misurano eseguendo delle prove sul materiale.

Prova di trazione, Prova di durezza...

Per poter comparare misure diverse è necessario che le prove siano eseguite nelle medesime condizioni. Normative ISO, CEN e UNI regolamentano le condizioni nelle quali le prove devono essere eseguite.

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PROVA DI DUREZZA

Nel campo dei metalli si definisce come durezza la

resistenza che il metallo preso in considerazione

oppone all'azione di un penetratore cui sia applicato

un carico statico.

La prova consiste nel far penetrare nel pezzo in esame una sfera in metallo duro o

acciaio di diametro "D" mediante applicazione di un carico "F" e nel misurare il

diametro "d" dell'impronta lasciata dal penetratore sulla superficie del pezzo, dopo

avere tolto il penetratore.

SF102.0HB ⋅=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

⋅=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−==

22

22

21020

21

dDDD

FHB

dDDDDhS

π

ππ

.

h: profondità dell'impronta; d: diametro dell'impronta

Durezza Brinell F: carico applicato (N) S: area della superficie dell'impronta (mm2)

PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell

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Per confrontare valori di durezza ottenuti con prove differenti è necessario che l’affondamento del penetratore nel materiale sia comparabile nelle diverse prove.

β

Prova ideale

[ ]5.025.0

375.0

÷∈

=

DdDd

Valori accettabili

PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell

Condizioni normali di prova Brinell: Norma UNI EN 10003

I valori normali di F, D e t sonoD = 1- 2 – 2.5 – 5 -10 mmF = k 9.8 D2 [N] t = appl. 2-8 s permanenza 10-15 s

HB D/F/t = . . .

• Il penetratore deve agire su una superficie liscia e piana, esente da ossidi ed impurezze superficiali.

• Lo spessore minimo del pezzo da provare deve essere almeno 8 volte la profondità dell'impronta.

• In considerazione della durezza della sfera di acciaio si raccomanda di evitare l'impiego della prova Brinell su materiali aventi durezza HB superiore a 450.

• Prove successive non devono essere troppo vicine (distanza centri > 4d).

PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell

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HBS sfera in acciaio

• Durezza Brinell 300

• Sfera in acciaio di diametro 5 mm

• Carico di prova 750 kgf (7355N)

• Tempo di permanenza del carico 10 s

PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell

HBW sfera in metallo duro

300 HBS 5/750/10

PROVA DI DUREZZA

Durezza per confronto:

consiste nel comprimere una sfera (di diametro D) fra il materiale in esame e un pezzo campione di cui si conosce la durezza.Permette di eseguire prove su pezzi per i quali non èpossibile utilizzare il normale durometro, ma il valore che si ottiene non è a rigore confrontabile con quelli ottenuti rispettando le norme

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PROVA DI DUREZZA

Materiale X

Materiale noto

Durezza per confronto:

dX

dn

xxnn SHBSHBF ⋅=⋅=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−⋅=

22

22

x

nnx

dDD

dDDHBHB

PROVA VICKERSIl penetratore è costituito da una piramide retta, a base quadrata, di diamante, con l'angolo al vertice (angolo fra due facce opposte) di 136°.

2854.1dFHV

SFHV

⋅=

=

2

)2/136(102.02dsenFHV °⋅⋅⋅

=

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CONDIZIONI NORMALI DI PROVA VICKERS

I valori normali di F e t sono

F = 294 N

t = 15 sec

HV F/t = . . .

Forma dell’impronta Vickers

PROVA VICKERS

620 HV 30/15

• La prova si svolge applicando un carico di 294 N per 10-15 s. Possono essere anche usati carichi diversi, ma sempre compresi nell'intervallo 49-980 N.

• Lo spessore del pezzo da provare non deve essere minore di 1,5 volte la diagonale dell'impronta.

• Posizione tra due impronte deve essere maggior di 2.5 volte la diagonale dell'impronta.

• La grandezza d deve essere pari alla media aritmetica delle misure delle due diagonali dell’impronta.

Norma UNI EN ISO 6507

PROVA VICKERS

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PROVA ROCKWELL

Possono essere definite due diverse scale B e C a seconda

che il penetratore sia una sfera di acciaio temprato e levigato

(scala B) o sia un cono di diamante a base circolare con

punta arrotondata ed angolo al vertice di 120° (scala C).

Norma UNI EN 10109

La sequenza delle prove è la seguente:

Al penetratore accostato alla superficie del pezzo viene applicato un carico iniziale F0 che determina una lieve penetrazione iniziale

Si azzera l’indicatore di profondità del durometro e quindi si applica (in un tempo di 5 – 10 secondi) il carico addizionale F1

PROVA ROCKWELL

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Trascorsi 30 secondi , il carico addizionale F1 viene tolto e la profondità dell’impronta diminuisce leggermente a causa del recupero elastico del materiale

Viene rilevato quindi l’accrescimento rimanente (definito con e) della profondità dell’impronta, da cui si deduce la durezza rockwell

PROVA ROCKWELL

(carico) N 980)(precarico N 98

130

10

0

=+

=−=

FFF

eHRBScala B N.B. :

e in unità di 0.002 mm

PROVA ROCKWELL

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Scala C

PROVA ROCKWELL

(carico) N )(precarico N

147098

100

10

0=+

=−=

FFF

eHRC

PROVA DI DUREZZA

Confronto fra scale di durezza

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Prove di durezza con impronte molto piccole (singolo costituente cristallino o strato indurito mediante trattamento termico)

I carichi applicati sono più bassi (0.025 N -10N)

Dipendente dal carico di prova. Affinché il valore di durezza abbia significato deve essere indicato anche il carico di prova

PROVE DI MICRODUREZZA

Prove di durezza con impronte molto piccole (singolo costituente cristallino o strato indurito mediante trattamento termico)

I carichi applicati sono più bassi (0.025 N -10N)

Dipendente dal carico di prova. Affinché il valore di durezza abbia significato deve essere indicato anche il carico di prova

PROVE DI MICRODUREZZA

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PROVA DI RESILIENZA

Scopo: valutare il comportamento del materiale soggetto ad un urto

Fattori influenti

• velocità di deformazione

• presenza di intagli

• temperatura

Tipi di rottura

• TENACE

• FRAGILE

Si definisce infatti resilienza di un materiale la sua resistenza alle

sollecitazioni dinamiche quali: urti e strappi

PROVA DI RESILIENZA

La prova di resilienza consiste nel sollecitare per urto una provetta in modo da causarne la rottura per flessione o per trazione (strappo).

L’energia assorbita dal materiale viene assunta come valore della resilienza stessa

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PROVA DI RESILIENZA

[ ]J ... LK =

L: lavoro assorbitomg (h1 – h2)

Macchina diprova

Metalli Ferrosi E0 = 296 JMetalli non Ferrosi E0 = 70 J

PROVA DI RESILIENZA

Provino e condizioni di prova

2 mm

R 0.25 mm

45°

Charpy Mesnager

2 mm

R 1 mm

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PROVA DI RESILIENZAR

esili

enza

[J]

Temperatura [°C]

L’acciaio (A) presenta una maggiore resilienza a temperature elevate rispetto all’acciaio (B),ma il comportamento cambia decisamente per temperature inferiori.

PROVA DI RESILIENZA

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PROVA DI FATICAFatica: fenomeno che porta alla rottura di tipo fragile materiali (anche

tenaci) sottoposti a sollecitazioni cicliche al disotto del limite elastico.

Scopo delle prove di fatica: determinare il numero di cicli necessario per portare a rottura il materiale.

Tipi di sollecitazione nelle prove di fatica e relativi cicli realizzabili in ciascun caso.

PROVA DI FATICAEsempi di sollecitazioni cicliche

σ

t

AlternoSimmetrico

AlternoAsimmetrico

PulsanteOndulato

Pulsante

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Risultati di prove di fatica: curve σ-N (di Wöler)

Resistenza a fatica: ampiezza della sollecitazione che rompe il provino a N cicli.

Limite di fatica: resistenza a fatica per N → ∞

Numero di cicli Numero di cicli

Car

ico

mas

sim

o (M

Pa)

Car

ico

mas

sim

o (M

Pa)

acciaio lega di alluminio

PROVA DI FATICA

Fattori tecnologici che influenzano la resistenza a fatica• Rugosità superficiale ↓• Tensioni superficiali di trazione ↓• Tensioni superficiali di compressione (pallinatura, rullatura) ↑• Durezza superficiale (trattamenti termochimici)↑

PROVA DI FATICA

Rottura di schianto

Formazione progressiva della

cricca

semiasse di autocarro