PROVE MECCANICHE

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

TEMPO DI APPLICAZIONE DEL CARICO in:

• Statiche (trazione, compressione, flessione, durezza) • Dinamiche (resilienza) • Periodiche (fatica) • Sotto carico costante (scorrimento, usura)

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): direzione del carico coincide con l’asse geometrico del solido • flessione: carico giace sia nel piano che passa per l’asse geometrico del solido sia in quello normale tendendo a flettere il solido • torsione: carico giace nel piano normale, ma non nel piano assiale • taglio: carico giace nel piano della sezione soggetta a scorrere rispetto a quella immediatamente adiacente

PROVA di TRAZIONE

Misura delle proprietà di RESISTENZA, DEFORMABILITA’ ed ELASTICITA’ del materiale

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

La prova di trazione è eseguita su provini (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 alla resistenza, deformabilità, ed all’elasticità di cui è costituito il provino. La normativa di riferimento per l’Europa è la UNI EN 10002.

Nei provini 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.

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

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.

Affinché tutte le grandezze che si ottengono dalla prova risultino indipendenti dalla geometria del provino è necessario che il rapporto fra la lunghezza L0 e la sezione iniziale S0 rispetti le seguenti relazioni:

Provini 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

Dopo aver determinato l'area della sezione iniziale e aver marcato la lunghezza iniziale, il provino è posizionato con opportuni dispositivi nella macchina di prova in modo che il carico sia applicato il più assialmente possibile. 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 descrizione più soddisfacente e completa si ottiene dalla macchina in grado di assicurare la velocità di deformazione programmata e scegliendo il carico corrispondente: il carico

diventa la variabile dipendente.

Macchina 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 (estensimetro)

In una macchina per la prova di trazione si possono distinguere:

Strato di uscita

Macchina Idraulica A Viti

La traversa mobile è solitamente azionata da un dispositivo idraulico o elettromeccanico (a viti).

Per la misura delle deformazioni residue alla rottura occorre valutare la lunghezza del 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).

TENSIONE

Tensione di trazione, σ:

Unità di misura Pa

DEFORMAZIONE ELASTICA

Una deformazione elastica è reversibile

DEFORMAZIONE PLASTICA

La Deformazione plastica è irreversibile

DEFORMAZIONE

Deformazione longitudinale, ε:

Deformazione laterale, εL:

La deformazione è espressa da un numero puro

TENSIONE e DEFORMAZIONE REALI

Tensione reale, σ:

Deformazione reale, ε:

Lunghezza

istantanea

Lunghezza finale

Lunghezza iniziale

Proprietà lineari elastiche:

Se il materiale si allunga elasticamente significa che può riprendere la sua lunghezza originaria se il carico ritorna a zero. L'andamento risulta lineare la legge che lo rappresenta è la legge di Hooke.

Legge di Hooke:

E modulo elastico (modulo di Young)

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.

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

Periodo delle Grandi Deformazioni : oltre il limite elastico il metallo cede deformandosi uniformemente mentre i carchi salgono 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).

s= ken

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 s

Tensione di snervamento, σs

in N/mm2

Si indica anche con il simbolo Rs ed è uno dei dati più pratici e più importanti

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. Il carico Fm è definito carico massimo di rottura o resistenza alla trazione. Il carico Fu è definito carico ultimo.

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

Tensione di rottura a trazione, σm

in N/mm2

0S

FR m

m s

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 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:

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

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.

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

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:

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

FsTensione 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 ess

1

00

0

0 L

L

S

F

S

S

S

FΔV=cost

00

lnlnS

S

L

Le eses 1f

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.

Nella zona del provino in cui c’è la strizione, lo sforzo non è più di sola trazione, ma ci sono componenti tangenziali e radiali delle quali, in teoria, bisognerebbe tenere conto.

PROVA 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 (penetratore). La durezza viene misurata dalla dimensione di un’impronta realizzata da un penetratore su cui agisce un carico prefissato.

La durezza è un indice della deformabilità plastica delle superfici del materiale in esame.

• Test:

• statici convenzionali

• BRINELL

• VICKERS

• ROCKWELL

• 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)

• 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.

Durezza Brinell

C

D

F

O

B

d

A

f

Indentatore: Sfera di acciaio temprato o metallo duro 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:

Durezza Brinell

Durometro per l’esecuzione della prova Brinell

Penetrazione dell’indentatore di diametro D sulla superficie con carico di prova F

Durezza Brinell

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 0.24 D < d < 0.6 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

Durezza Brinell

Carichi in funzione dei materiali in prova

Durezza Brinell

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 a prova

dist. centro impronta – bordo ≥ 2.5D dist. centri 2 impronte ≥ 4D

Durezza Brinell

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 sfera di metallo duro) 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

Durezza Brinell

• 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

(R [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:

Durezza Vickers

Indentatore: piramide in diamante a base quadrata con angolo al vertice di 136°

21891.0102.0

d

F

S

F

S

PHV

221891.068sin2102.0

d

F

d

FHV

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: h

d a

Durezza Vickers

Modalità di prova

• Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione, finitura ottimale. • Carico applicato gradualmente • Impronte distanziate tra loro e il bordo

• 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

Durezza Vickers

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

Durezza Vickers

• 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:

Durezza 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 • Azzerare l’indice delle scala delle profondità • 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:

Durezza Rockwell

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)

Esempio

60 HRC

60 Valore della durezza Rockwell

HR Simbolo della durezza Rockwell scala C

Durezza Rockwell

Designazione

La durezza Rockwell è indicata con le lettere HR seguite da una lettera che indica la scala (HRB , HRC)

Durezza Rockwell

Modalità di prova

• Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione. • Impronte distanziate tra loro e il bordo

• 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)

Durezza Rockwell

• 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:

Prova di Microdurezza

PROVA DI MICRODUREZZA: simile alla VICKERS ma impiega carichi inferiori

P ≤ 1 kgf

Valgono le relazioni: HV = 1.854 HK = 14.224

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 Koop per microdurezza

Impronta nella prova

Vickers

con P [kgf]

Prova di Microdurezza

Schema di un durometro Apparecchio di misura per

microdurezza

Prova di Microdurezza

La prova di MICRODUREZZA serve in particolare quando:

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

Prova di Durezza: ESERCIZI

Prova di Durezza: ESERCIZI

60

0,055

Prova di Durezza: ESERCIZI