_lezione07__prove meccaniche_1 (2)

8/17/2019 _lezione07__prove meccaniche_1 (2)

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Proprietà meccaniche

Prof. Biamino – Scienza e Tecnologia dei Materiali - POLITO

Breve richiamo: i legami chimici

Legame covalente: gli elettroni più esterni degli atomi legativengono condivisi tra questi ultimi in misura uguale (legameomeopolare) o in misura diversa, risentendo della maggioreattrazione dell’atomo più elettronegativo (legameeteropolare).

Legame ionico: consiste nel trasferimento di elettroniall’atomo più elettronegativo; la forza di legame è una forza di

attrazione coulombiana tra ioni positivi e negativi.Legame metallico: le posizioni reticolari sono occupate da ionipositivi immersi nel gas elettronico degli elettroni di valenza;le forze di legame sono ancora forze coulombiane tra elettronie ioni positivi.

Legami secondari: le forze di Van der Waals sonoresponsabili, a seguito della formazione istantanea di dipoli edella loro reciproca attrazione, dei deboli legami esistenti neisolidi molecolari.

Legami + deboli



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Deformazioni

Sforzi e deformazioni

Deformazione

elastica

Deformazione

plastica

Al termine dell’applicazione della

sollecitazione il materiale torna

della dimensione originale

Al termine dell’applicazione della

sollecitazione il materiale restapermanentemente deformato


Prove meccaniche più diffuse

Prove di resistenza a trazione: consente di valutare la resistenza, larigidità e la duttilità del materiale sottoposto ad un carico di trazionecrescente fino a rottura.Prove di resistenza a compressione: si effettua su materiali chepresentano scarsa resistenza a trazione o che sono destinati alavorare in compressione, viene condotta applicando un caricocrescente di compressione fino a rottura.

Prova di durezza: esprime la resistenza del materiale sotto un caricostatico, la durezza è valutata come la capacità di un materiale diresistere all’ indentazione, sotto un carico statico. Indice di resistenzaall’abrasione. Prova di resilienza: viene condotta applicando in modo istantaneo uncarico sufficientemente elevato da provocare rottura, consente diquantificare l’energia assorbita dal materiale durante la frattura efornisce informazioni sulle modalità con cui la frattura di realizza.Resistenza agli urti.



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Prove meccaniche più diffuse

Prova di scorrimento viscoso (creep): consiste nella misura delladeformazione subita dal materiale sotto l’azione di un carico statico ditrazione inferiore a quello necessario alla rottura; la prova vienecondotta a temperature superiori a quella ambiente (si sceglierà peresempio un valore di temperatura prossima alla massimatemperatura di esercizio del materiale).Prova di fatica: consiste nel valutare la resistenza del materiale asollecitazioni applicate ciclicamente; le singole sollecitazioni sono dientità sufficiente a deformare il materiale in modo modesto ma,quando ripetute, possono causarne la rottura dopo n cicli.Ovviamente il parametro più interessante che può essere determinatocon questa prova è il valore massimo di carico specifico che èsopportato per un numero di cicli tanto elevato da poter essereconsiderato infinito.Prova di flessione: consiste nel sollecitare a flessione il materiale concarichi crescenti fino a rottura; solo i materiali che devono resistere aflessione in opera (per esempio il calcestruzzo) vengono sottoposti aquesto test. Test molto usato per i materiali ceramici.


Principio di funzionamento dello

strumento

Prova di trazione

Geometria dei provini



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Prova di trazione: geometria dei proviniLa geometria dei provini è strettamente normata e dipende

dal tipo di materiale

Si definiscono una sezione del provino (A0)e una lunghezza del tratto utile (l0)


Prova di trazione: esecuzione della prova

Carico [N]

allungamento [mm]

controllo di carico: cioè facendo aumentare ilcarico con velocità costante;controllo di deformazione: cioè applicandocarichi tali da provocare un allungamentolineare nel tempo

Sforzo nominale[MPa]

Deformazione nominale[mm/mm] o [%]



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Rilevazione dell’allungamento

Si ricorre ad un estensimetro che ci misura l’allungamento del solo tratto utile (escludendo eventuali slittamenti o giochidel sistema traversa-afferraggi)


Diagramma sforzo - deformazione

Prova di trazione

Proprietà ricavabili dalla prova di

trazione:

• il modulo elastico del

materiale

• il carico di snervamento

• il carico di rottura

• l’allungamento % a rottura

• la strizione % a rottura



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Modulo elasticoSi ricava dall’analisi del primo tratto lineare di curva:

periodo delle deformazioni elastiche

nedeformazio*Esforzo

*E

E = modulo di Young o modulo elastico

Le deformazioni elastiche sono descritte dalla Legge di Hooke

Pertanto E corrisponde alla

pendenza del tratto rettilineo

Quanto più è elevato quanto più

il materiale è rigido


Modulo elastico



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Modulo elastico

E ceramici > E metalli >> E polimeri


Modulo elasticoIl comportamento elastico può essere discusso sulla base delle

curve che descrivono le forze agenti tra gli atomi e quindi le curve

di Condon-Morse

Pertanto E corrisponde

alla tangente alla curva in

r 0 r0

Legame metallicoLegame ionico

Legame covalente

Aumenta la forza dellegameaumenta la rigidità delmateriale



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Modulo elastico

Il modulo elastico si può vedere come proporzionale alla forza del

legame del materiale considerato e quindi anche alla sua temperatura

di fusione.

Materiale Temp Fusione [° C] E [GPa]

TiC (Carburo di Ti) 3160 310

Al2O3 Allumina 2045 370

W 3410 393

Fe 1536 207

Cu 1083 111

Al 660 70

Pb 327 14

Polietilene 130 1


Modulo elastico

Materiale Temp Fusione [° C] E [GPa]

TiC (Carburo di Ti) 3160 310

Al2O3 Allumina 2045 370

W 3410 393

Fe 1536 207

Cu 1083 111

Al 660 70

Pb 327 14

Polietilene 130 1



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Modulo elastico

Il modulo elastico dei materiali diminuisce

all’aumentare della temperatura

E (Gpa)


Carico di snervamento

La deformazione all’inizio si realizza localmente nelle zone dove si Concentrano le tensioni poi si propagano a tutto il campionesottoforma di bande di deformazione (bande di Luder)



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Carico di snervamento

Valutazione grafica


Carico di rottura


Si valuta tracciando una linea

orizzontale tra il punto

massimo della curva e l’asse

degli sforzi


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Allungamento percentuale a rottura

Indicazione della duttilità del materiale: quanto più il materialesubisce allungamento quanto più è duttile

In presenza diestensimetro

Al termine della prova

si accostano le due

parti del provino e si

misura la lunghezza

del tratto utile (l)

1)

2)


Strizione

Diminuzione della sezione del provino



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Strizione percentuale

Indicazione della duttilità del materiale: quanto più il materiale

subisce strizione quanto più è duttile

Al termine della prova si accostano le due parti del provino e simisura la sezione minima del tratto utile (Af )

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Curva sforzo reale deformazione reale

deformazione

Lo sforzo reale non corrisponde con quello nominale, matiene conto della variazione della sezione del provino nelcorso della prova


Confronti di prove di trazione

i) fragili (vetri, ceramici,polimeri termoindurenti)

ii) semiduttili(leghe, alcuni polimeri,compositi)

iii) Duttili acciai

iv) duttili(metalli puri, acciai, leghe,polimeri)



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Prova di trazione

Effetto della temperatura

ferro

Polimero (Polimetil metacrilato)


Prova di trazione

Polimeri termoplastici



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Gli elastomeri: curva sforzo deformazione

Nel primo tratto deboli sollecitazioni provocano grandi deformazioni;poi progressivamente occorrono tensioni maggiori per provocareun’ulteriore deformazione elastica

Sono interessate leforze di Van derWaals tra le catene

Sono interessati ilegami chimici dellecatene


Gli elastomeri: curva sforzo deformazione

Catena polimerica di unelastomero non

sollecitato

Catena polimerica di unelastomero sollecitato



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Prova di trazione


Prova di compressione

Per materiali duttili è poco significativa e di difficile interpretazione

.

Inconvenienti: distorsione del provino

Utile per i materiali fragili o poco duttili (idonei acarichi compressivi):



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Prova di compressione


Principio di funzionamento

Prova di durezza

Durezza = capacità di un materiale di

resistere alla deformazione plastica

permanente;

valutata come capacità del materiale

di opporsi alla deformazione da partedi un indentatore (carico statico)



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Durezza Brinell

Prova di durezza

Sfera acciaio o carburo di tungstenoD=1.25-10 mm

P [kg]D [mm]

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19

kg

D


Durezza Vickers

Prova di durezza

Piramide di diamante

P [kg]D [mm]



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20


kg



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Esempio di impronta Vickers


Ci sono delle cricche che partono dai vertici dell’impronta vickers. E’stato un peso eccessivo per caricare l’indentatore. E’ necessario ripeterela prova riducendo il carico



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Durezza Knoop

Prova di durezza

Piramide di diamantebase rombica

KHN = 14.2 P /l2


Durezza Rockwell

Prova di durezza

Ad esempio la scala C: precarico 10 kg, carico 150 kg



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Durezza Rockwell - durezza Vickers – durezza Brinell

Prova di durezza

110Rockwell B


Frattura fragile

Modalità di frattura

Frattura duttile

La lesione si propaga

rapidamente provocando la

separazione in due parti del

materiale

Aspetto granuloso e lucente

Aspetto fibroso e opaco

Richiede meno energia di

quella duttile



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Modalità di fratturaFrattura duttile


Da una misura della quantità di energia che è in grado di assorbire il

materiale prima di rompersi: si misura la fragilità-duttilità del

materiale

Prova di resilienza

Pendolo di Charpy

Lavoro speso nella rottura del provino =M g x



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Tipo di provino

Pendolo di Charpy


Fattori che influenzano la resilienza

Effetto della

temperatura

Effetto della % di C

negli acciai

C

I metalli CFC non vannoincontro a DBT (transizioneduttile fragile), pertanto sonoadatti ad esser utilizzati allebasse T.



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• Esempio: Rame

Frattura duttile, meccanismo di frattura duttile

High Energy Fai lure

PROPRIETA’ MECCANICHE – Frattura duttile


• Example: Stainless Steel

Ductile Failure, Ductile Fracture Mechanism





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• Example: Steel (20ºC)

Ductile Failure, Ductile Fracture Mechanism




• Example: Steel (-190ºC)

Brittle Failure, Brittle Fracture Mechanism

Low Energy Fai lure

PROPRIETA’ MECCANICHE – Frattura fragile


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