il nuovo produzione metalmeccanica

Andrea Gatto
Maria Elena Pacchioni
PRODUZIONE
METALMECCANICA
IL NUOVO
VOLUME
3
1 C
OMPLEMENTI ALLE PROVE MECCANICHE
DEI MATERIALI METALLICI
1.2 Prove di scorrimento a temperature elevate
Forno elettrico per prove di trazione in temperatura e prove di scorrimento viscoso
La macchina di trazione deve essere dotata di un forno elettrico per eseguire le prove a temperature
elevate e le prove di scorrimento viscoso; deve avere quindi la possibilità di riscaldare la provetta alla
temperatura voluta con uniformità e costanza nel tempo. Il forno è costituito da un dispositivo riscaldante, da un dispositivo misuratore e autoregolatore della temperatura (figura 1) e da un dispositivo
per la misurazione degli allungamenti.
Il dispositivo riscaldante è un corpo cilindrico che si appoggia e può ruotare su una staffa fissata a una
colonna della macchina; gli elementi riscaldanti possono essere in tungsteno/molibdeno (figura 2).
Figura 1
Dispositivo per il riscaldamento delle provette durante
la prova di trazione, costituito dal forno, dal misuratore
e autoregolatore della temperatura.
Figura 2
Particolare dell’elemento riscaldante
in lega W-Mo del forno.
1. Complementi alle prove meccaniche dei materiali metallici
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Figura 3
Particolare del rivestimento isolante.
La provetta, fissata agli estremi con gli ordinari sistemi di
bloccaggio o con opportune prolunghe, è riscaldata nella
parte centrale mediante resistenze elettriche o elementi riscaldanti, regolabili allo scopo di uniformare la temperatura
in ogni zona della provetta stessa. L’ambiente riscaldato è
termicamente isolato dall’esterno (figura 3). La temperatura
voluta viene mantenuta nella camera mediante il segnale
retroazionato inviato da termocoppie situate equidistanti
nel tratto utile della provetta (figura 4).
La figura 4 illustra schematicamente il complesso del dispositivo. La provetta P cilindrica con teste filettate è portata,
tramite le prolunghe L, ai dispositivi di serraggio ordinari.
Il forno F è costituito da un involucro cilindrico A di lamiera
di acciaio rivestito internamente di refrattario. Le tre termoresistenze R1, R2, R3 forniscono il calore secondo le misure
rilevate dalle tre termocoppie C1, C2, C3.
La normativa specifica il metodo di prova di trazione dei
materiali metallici e definisce le caratteristiche meccaniche
che tale prova consente di determinare, per una data temperatura: tolleranza sulla temperatura imposta, velocità di riscaldamento, modalità di applicazione del carico di trazione
dopo il raggiungimento dell’equilibrio termico, velocità di
deformazione ammissibile per accettazione della prova ecc.
Per le prove di scorrimento viscoso, (di lunghissima durata),
con carico costante e temperatura elevata pure costante, si
impiega lo stesso forno elettrico delle prove di trazione a
temperature elevate, mentre la macchina di prova ha un dispositivo di carico con contrappesi o a molla, onde assicurare un carico di prova costante per lunghi periodi di tempo.
Provette per prove di scorrimento viscoso
Figura 4
Schema del forno elettrico per la prova
di trazione statica a temperatura elevata.
Possono avere qualsiasi sezione (circolare come in figura 5, quadrata, rettangolare ecc.). Il diametro della parte calibrata delle
provette circolari non deve essere inferiore a 4 mm. Le provette rettangolari devono avere spessore non inferiore a 2 mm e
rapporto tra i lati non maggiore di 4 : 1. Le lunghezze del tratto
utile sono espresse dalla nota relazione:
L0 = k ×
S0
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nella quale k assume il valore preferenziale di 5,65 o di 11,3. Per
le correzioni della lunghezza ultima tra i riferimenti Lu si seguono
le stesse norme che interessano la prova di trazione statica a temperatura ambiente.
30 mm
Figura 5
Provetta per prova di creep.
Attrezzature di prova
I dispositivi di riscaldamento devono consentire di mantenere la
temperatura costante in ogni punto della provetta e per tutta la
durata della prova. Gli scostamenti limite tra la temperatura T prescritta e le temperature indicate sono i seguenti:
• ± 3 °C per T ≤ 600 °C;
• ± 4 °C per 600 °C < T ≤ 800 °C;
• ± 5 °C per 800 °C < T ≤ 1000 °C.
Per le temperature prescritte maggiori di 1000 °C gli scostamenti
limite devono essere oggetto di accordo preventivo tra le parti interessate. Il periodo di tempo necessario per raggiungere la
temperatura di prova è in genere compreso fra 1 e 4 ore. Dopo
questo periodo segue la stabilizzazione, la cui durata è compresa
tra 16 e 24 ore.
Per l’applicazione di carichi sono preferibili i dispositivi a peso
con o senza amplificazione a leva, mentre per il rilevamento delle
deformazioni si preferisce solitamente utilizzare dispositivi non a
contatto.
Figura 6
Diagramma scorrimenti-tempi relativo a prove eseguite con carichi unitari
diversi agenti a una prefissata temperatura di prova costante.
Esecuzione delle prove
Fissata la temperatura di prova, si sottopone una serie di
provette a carichi di trazione
costanti di diverso valore: per
ciascuno di essi si rilevano gli
scorrimenti misurati a intervalli
di tempo prestabiliti, fino alla
rottura. I risultati si raccolgono
nel diagramma a scale logaritmiche scorrimenti-tempi (figura
6) comprendente la serie delle
curve per ogni carico applicato
(a temperatura costante), che
correlano l’allungamento registrato in funzione del tempo,
fino alla rottura della provetta.
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I carichi unitari di rottura per scorrimento, determinati nel corso della stessa prova, possono convenientemente essere raccolti nel diagramma a scale logaritmiche carichi-tempi (figura 7). In tal modo
si ha una migliore possibilità di rilevare il carico unitario di rottura corrispondente al tempo prestabilito; la stessa cosa si può fare anche per il limite di scorrimento convenzionale (per esempio 1%).
Risulta evidente che nel caso di apparecchiature che operano a temperature alle quali il materiale è
soggetto a fenomeni di creep, si dovrà tener conto di questo parametro in modo da poter stabilire a
priori nella progettazione il tempo di esercizio (o la vita residua di un’apparecchiatura in funzione). Le
norme UNI, che riportano i valori medi indicativi della banda di dispersione delle prove di resistenza
di lunga durata (100 000 ore equivalgono a oltre 11 anni), suggeriscono che il limite inferiore della
banda di dispersione, alle temperature indicate, può essere considerato circa il 20% minore del valore medio indicato. Nella figura 8 è riportata una macchina per prove di scorrimento a carico costante.
Figura 7
Diagramma carichi unitari-tempi dedotto dal precedente per la determinazione
allo scorrimento prestabilito (nel caso in esame all’1%) e del carico unitario
di rottura per scorrimento a una prestabilita temperatura di prova. Il limite
di scorrimento e il carico unitario di rottura per scorrimento del materiale in esame
per un tempo diverso da quello delle prove sperimentali si rilevano sulle linee
del diagramma per interpolazione o per estrapolazione al tempo desiderato.
Figura 8
Macchina per prova di scorrimento viscoso (creep) a carico costante.
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1.8 Prova di trazione sulle funi di acciaio
Figura 9
Sezioni di funi in acciaio: sono distinguibili
le disposizioni dei trefoli.
Si definisce carico di rottura effettivo il carico massimo che
viene raggiunto con la prova di trazione condotta fino allo
strappo parziale o totale di uno spezzone di fune prelevato
e preparato nel rispetto di modalità unificate. Le estremità
dello spezzone vengono disciolte e sui fili, disposti a guisa di
pennello e dopo decapaggio, viene colata, in apposita forma
tronco-conica, una lega allo scopo di formare le teste di afferraggio (piombatura). Tra le leghe impiegate si cita la Pb Sn 60,
il cui punto di fusione è circa 185 °C.
Lo spezzone preparato è insediato negli appositi afferraggi
(figura 9) e sottoposto a un carico preliminare pari a 1/10 del
carico totale richiesto, allo scopo di determinare esattamente
la lunghezza del tratto utile e il diametro della fune. Si intende per diametro della fune d quello della circonferenza circoscritta alla sezione rotta sotto il carico predetto. Il tratto utile
T è pari a tre volte il passo della spirale del trefolo, ma comunque non inferiore a 500 mm. Il tratto centrale vale T + 24d.
Durante la prova la velocità d’incremento della tensione non
deve superare 9,81 MPa/s.
Tramite la prova si determinano:
• gli allungamenti ai carichi aventi valori di 1/3 e di 2/3 del
carico totale di rottura richiesto (prova di carico);
• l’allungamento sotto un determinato carico per un tempo
prestabilito;
• il carico al momento della rottura del primo filo di un trefolo;
• la posizione della rottura e del numero di fili rotti.
Si può inoltre determinare il carico somma effettivo: è la somma dei carichi di rottura dei singoli fili componenti la fune ottenuti con la prova di trazione a rottura di ciascun filo.
Figura 10
Prova di
compressione
su una molla.
Prove speciali di compressione statica
su tubi e molle
Le prove speciali di compressione statica che possono
avere interesse generale nel settore della metalmeccanica
sono:
• la prova di compressione delle molle (figura 10);
• la prova di schiacciamento dei tubi (figura 11).
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Figura 11
Prova di compressione su un tubo. La prova fornisce il valore
di schiacciamento in funzione di un carico imposto con valori
però molto inferiori da quelli di collasso del tubo stesso.
La prima si propone la costruzione del diagramma di taratura della
molla: è il grafico carichi-deformazioni ottenuto sottoponendo la
molla a carichi progressivamente crescenti e misurando le corrispondenti deformazioni.
La seconda riguarda quei tubi il cui spessore è inferiore al 15% del diametro esterno, che è minore di 600 mm. La prova, eseguita su uno spezzone lungo 1,5 d con un massimo di 100 mm, consiste nel comprimerlo
a freddo, fra due piastre parallele, fino a che la distanza Z misurata sotto
carico raggiunga i valori indicati nelle rispettive norme di unificazione,
senza che nelle zone piegate si producano screpolature.
Prove speciali di flessione statica
Sono quelle destinate a un definito tipo di materiale o a un manufatto per
il quale la prova di flessione richiede il rispetto di particolari regole definite
nelle norme di unificazione o nei capitolati. Si citano alcuni casi.
Prova di resistenza a flessione su carburi
metallici sinterizzati
Figura 12
Prova di flessione
su carburi
metallici
sinterizzati.
Le provette di sezione trasversale quadrata o rettangolare, esenti da fessure o da difetti di struttura, devono avere le superfici longitudinali rettificate con rugosità Ra ≤ 1 μm e le dimensioni indicate nella tabella 1.6 del volume. La prova avviene mediante flessione
per tre punti: si dispone la provetta su due cilindri di metallo duro
di diametro compreso tra 3,2 e 6 mm, montati con gli assi paralleli (figura 12). L’asse longitudinale della provetta deve risultare perpendicolare agli assi longitudinali dei cilindri, mentre l’interasse tra
i due cilindri deve essere di 30 ± 0,5 mm per le provette tipo A e di
14,5 ± 0,5 mm per quelle di tipo B. Il carico sulla provetta è trasmesso da un elemento mobile con relativa sfera di metallo duro
del diametro di 10 mm, avente rugosità uguale a quella dei cilindri
(Ra ≤ 0,63 μm). La prova si esegue applicando sulla mezzeria della provetta il carico con una velocità di incremento del carico uguale o minore
di 100 N/(mm2 · s). La resistenza a flessione, in MPa, è data da:
R fm =
3 Fm L
2 ba 2
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La prova non è considerata valida se la rottura avviene sulla faccia sottoposta al carico in un punto distante oltre 5 mm rispetto alla mezzeria per le provette tipo A e oltre 2,5 mm per quelle tipo B.
Come risultato si assume la media aritmetrica di almeno cinque determinazioni, arrotondata a 10 MPa.
1.10 Microdurezza
Microdurometri
I microdurometri sono costituiti da due parti essenziali:
1. il microscopio, che ha la duplice funzione della ricerca e della centratura del punto da saggiare,
nonché del successivo ingrandimento dell’impronta onde effettuare la misurazione delle diagonali;
2. il dispositivo per l’applicazione del carico, che deve avere alcune prerogative:
• eseguire l’impronta nel punto prescelto;
• impiegare carichi esatti (ripetitività della prova);
• applicare i carichi staticamente;
• offrire la possibilità di variare il carico.
Nella figura 13 è riportato lo schema funzionale del microdurometro tradizionale con il dispositivo per
l’applicazione del carico. La leva (1) è fulcrata in (2); alla sua estremità sinistra è posto il penetratore
(3) contenuto nella sua montatura di protezione. Direttamente sopra il penetratore può essere collocato il peso (5) costituito da un cilindretto tarato. Il disimpegno della leva è ottenuto con la rotazione
dell’eccentrico (7) e la discesa del carico è regolata dal freno a olio (6). Con il bottone (8) si riporta il
dispositivo nella posizione iniziale azionando l’eccentrico. Nella figura 14 è riportato un esemplare di
microdurometro.
Figura 14
Microdurometro.
Figura 13
Schema del microdurometro con dispositivo
per l’applicazione del carico sul penetratore
Vickers o Knoop.
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1.12 Cause di infragilimento
Prova di corrosione intergranulare
La tendenza alla corrosione intercristallina degli acciai è evidenziata da prove di laboratorio, come è
specificato in seguito.
a)La provetta (5 15 180 mm3) è incastrata verticalmente a un estremo sul fondo di un recipiente,
contenente il reattivo d’attacco alla temperatura costante di 100 °C. Il reattivo è formato per il 63%
dalla miscela (91% di nitrato di calcio, 5% di acqua e 4% di nitrato d’ammonio) e per il 37% da acqua. L’estremità libera della provetta è sollecitata da un dispositivo di leve allo scopo di provocare
la tensione nella sezione d’incastro (figura 15).
b) La provetta (5 15 250 mm3) è prima piegata in mezzeria attorno a un rullo di 25 mm di raggio
fino a che le sue estremità distino tra loro di 100 mm, quindi è introdotta in un telaio che riduce
elasticamente tale distanza a 85 mm. La provetta staffata è mantenuta nella soluzione bollente per
il numero di giorni prescritto (figura 16).
Figura 15
Dispositivo per la prova della corrosione
intercristallina (stress-corrosion) degli
acciai tensionati sotto sollecitazione
costante.
Figura 16
Preparazione della provetta per la prova
della corrosione intercristallina degli acciai
sotto deformazione costante:
a) piegamento su rullo;
b) instaffatura della provetta.
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1.13.7 Macchine per prove di fatica
Le macchine per prove di fatica si possono distinguere in riferimento al tipo di prova: genere della
sollecitazione, legge di variazione del carico, tipo di provetta ecc.
Macchine per prove a flessione rotante
Si possono classificare nei due tipi fondamentali: a) con provetta di sbalzo, b) con provetta appoggiata.
Il caso a) è schematizzato nella figura 17. La provetta P, con sezione di rottura definita (diametro minimo
= 6,74 mm, diametro massimo = 10 mm, raggio = 30 mm, lunghezza totale = 80 mm) è fissata a due
mandrini M, uno dei quali è accoppiato al motore elettrico dal quale riceve, tramite un convertitore di
frequenza, la velocità angolare di 6000 e 12 000 giri/min. All’estremità dell’altro mandrino è applicato
il carico F mediante un meccanismo a leva. L’asta A, fulcrata in Fu, determina l’entità del carico F con la
regolazione della posizione del peso Q: a ogni unità di spostamento corrisponde nella sezione definita
della provetta l’unità di sollecitazione. Il peso supplementare Z serve per la regolazione del sistema.
Le reazioni degli appoggi risultano:
RA =
F (a + l )
l
RB =
Fa
l
Figura 17
Schema della flessione
con provetta rotante
di sbalzo.
Conseguentemente il diagramma dei momenti flettenti è triangolare; nella sezione di rottura vale:
M f = Fs =
Zc − Q ( d + b )
s = Kb
d
cioè varia linearmente con la distanza b.
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Il caso b) è schematizzato nella figura 18, dalla quale si rileva che la provetta rotante, appoggiata agli
estremi, è sollecitata dai due carichi uguali e simmetrici F/2 applicati con un sistema a leva analogo al
precedente. Conseguentemente, il diagramma dei momenti flettenti è trapezoidale e la provetta può
essere a sezione costante.
Figura 18
Schema della flessione
con provetta rotante
appoggiata.
In entrambi i casi un contagiri consente di rilevare la durata N, cioè il numero di cicli sopportati dalla
provetta fino al momento della rottura sotto un determinato carico, permettendo in tal modo di fissare
un punto della curva di Wöhler. Altri punti si ricavano con altre prove e altri carichi su provette dello
stesso materiale. Nella figura 19 è mostrato un esemplare di macchina funzionante secondo i principi
sopra esposti.
Figura 19
Macchina per prove
di flessione con provetta
rotante appoggiata.
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