Presentazione di PowerPoint - DidatticaWEB

DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA

PROVE MECCANICHE PROVE MECCANICHE PROVE MECCANICHE PROVE MECCANICHE

Università di Roma “Tor Vergata”


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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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 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

5


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

6


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.

7


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



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

9


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.


10



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

11


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.


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:

13


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.

16



Simulazione di una prova di trazione che evidenzia il comportamento del provino

man mano che procede la prova.

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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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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

20



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

21


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).

22


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.

24


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

27



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.

28



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.

29



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

30



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:

33



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

34



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

35



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

38


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.

40


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

42


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


PROVA di FLESSIONE PROVA di FLESSIONE PROVA di FLESSIONE PROVA di FLESSIONE

46


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

48


Prova di Prova di Flessione: Flessione: Carico di flessioneCarico di flessione

Carico di flessioneCarico di flessione

• Dal modulo a flessione:

s

49


PROVA di DUREZZA PROVA di DUREZZA PROVA di DUREZZA PROVA di DUREZZA

50


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.

51

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).


52


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


53

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.)


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.


54


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.


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.


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 ‘’



• 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



• 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



58


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


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



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



Carichi in funzione dei materiali in prova

62



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



Parametri di prova

64



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



• 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


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



Modalità di prova

• Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione, finitura ottimale.

• Carico applicato gradualmente


• 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



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



• 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


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



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


Esempio

60 HRC

60 Valore della durezza Rockwell

HR Simbolo della durezza Rockwell scala C


Designazione

La durezza Rockwell è indicata con le lettere HR seguite da una lettera che indica

la scala (HRB , HRC)

73



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



Scale di durezza

75



Campi di applicazione delle scale Rockwell

76



Modalità di prova

• Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione.


• 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



• 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


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


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


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


Prova di MicrodurezzaProva di Microdurezza

Schema di un durometro Apparecchio di misura per

microdurezza

82


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


• 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


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


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


87

PROVA di FATICA PROVA di FATICA PROVA di FATICA PROVA di FATICA


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


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


90

PROVA di CREEP PROVA di CREEP PROVA di CREEP PROVA di CREEP


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


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

http://it.wikipedia.org/wiki/File:3StageCreep.svg

http://it.wikipedia.org/wiki/File:3StageCreep.svg


93

PROVA di RESILIENZA PROVA di RESILIENZA PROVA di RESILIENZA PROVA di RESILIENZA


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


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.


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)]


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


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


KV 150/7.5 = 83 J

energia disponibile 150 J

provetta con intaglio a V di sezione ridotta di larghezza 7.5 mm


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


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


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


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


102

• 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


103

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:


104

Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: provaprova


105

Prova di Resilienza: Prova di Resilienza: rottura del provinorottura del provino

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