Prove meccaniche

PROVE MECCANICHE
• DI CREEP
una sollecitazione costante viene applicata ad
alta temperatura eventualmente fino a produrre
la rottura del campione
PROVA DI TRAZIONE
Il campione viene
sottoposto ad
allungamento sotto
trazione monoassiale a
velocità costante,
misurando il carico
necessario a provocare
un dato allungamento
Macchina di prova
• L’obiettivo è quello di studiare il comportamento dei materiali
sottoposti ad un carico monoassiale crescente
• Si ottiene una
allungamento
curva
tensione-deformazione
o
carico-
Parametri significativi
Tensione o sforzo Nominale σ: rapporto tra il carico P
agente sul campione e l’area A0 della sezione trasversale
originaria
σ = P/A0
Dilatazione o deformazione Nominale ε: rapporto tra la
variazione ∆l di lunghezza del campione e la lunghezza iniziale
l0
ε = ∆l/l0
• Curva tensione-deformazione per rame policristallino
Parametri significativi
• Tensione o carico di snervamento (limite elastico) σe
• Tensione o carico massimo di trazione σM
• Tensione o carico di rottura σR
La tensione σp (limite elastico lineare) suddivide il campo
elastico lineare da quello non lineare
La tensione σe (limite elastico) suddivide il campo elastico
lineare da quello plastico
Per valori del carico < σP siamo nel campo elastico lineare per
cui vale:
σ = E .ε
Superato il carico di snervamento (σ
σP) si entra nel campo
plastico
Il carico inizialmente continua a crescere fino a raggiungere il
valore σM
PERIODO PLASTICO CON STRIZIONE
Raggiunto σM nel campione si verifica un restringimento della
sezione trasversale (Strizione) che comporta una diminuzione della
tensione nominale (o del carico F) fino alla rottura
Per materiali in cui la rottura avviene senza Strizione σM= σR
Per materiali in cui la rottura avviene con Strizione σM> σR
In generale è possibile suddividere i materiali in due principali
categorie:
• Materiali Fragili
• Materiali Duttili
Un materiale si dice Fragile se, sottoposto ad una prova di
trazione monoassiale, si rompe senza essersi deformato
Se σe = σR
plasticamente
Un materiale si dice Duttile se, sottoposto ad una prova di
trazione monoassiale, si rompe dopo essersi deformato
plasticamente
Se σe < σR
Tensione di snervamento
Valore della tensione in corrispondenza della quale, un
materiale duttile, comincia a deformarsi in maniera irreversibile
A causa della difficoltà di determinare con precisione questo
punto si utilizza una convenzione:
Si definisce:
Tensione al limite di snervamento quella tensione che
corrisponde ad una deformazione plastica (ossia la
deformazione permanente misurata una volta “scaricato” il
provino) pari allo 0,2%
Carico di snervamento
Deformazione plastica nei metalli
In figura si mostra un possibile modello atomico per lo scorrimento di un blocco di
atomi su un altro in un cristallo metallico perfetto
I calcoli fatti, basandosi su tale modello, mostrano che la resistenza dei cristalli
metallici dovrebbe essere da 1000 a 10000 volte maggiore rispetto a quella
sperimentalmente osservata
Questo modello non è corretto perché, durante la deformazione plastica, non si
ha scorrimento contemporaneo di grandi quantità di atomi in quanto:
il processo richiederebbe troppa energia
Durante la deformazione plastica ha invece luogo un processo a più bassa energia
che implica lo scorrimento di un piccolo numero di atomi per volta
Ciò è dovuto alla presenza nel cristallo di un elevata densità di dislocazioni
Le dislocazioni si formano in grande numero (106 cm/cm3) già durante la
solidificazione del metallo, ma se ne formano molte altre di più durante la
deformazione del cristallo
Un cristallo che ha subito un alta deformazione plastica può contenerne
fino a 1012 cm/cm3
La presenza di dislocazioni in un cristallo determina una minore resistenza alla
deformazione plastica dello stesso in quanto rende possibile uno scorrimento di
un basso numero di atomi per effetto di piccoli sforzi
Incrudimento
La deformazione plastica di un cristallo è favorita dalla presenza delle dislocazioni
e consiste nel movimento, per effetto di bassi sforzi di taglio, delle stesse
dislocazioni all’interno del cristallo
Qualunque elemento che funga da “oppositore” al movimento delle
dislocazioni rende più difficile lo scorrimento atomico e quindi aumenta
la resistenza alla deformazione plastica del materiale
Uno dei possibili elementi “oppositori” al movimento delle dislocazioni
sono le stesse dislocazioni ossia:
Quando una dislocazione, durante il suo movimento all’interno del cristallo, ne
incontra un’altra, quest’ultima rappresenta un ostacolo al movimento della prima
Incrudimento
Se si porta a deformazione
plastica il campione, lo si
“scarica” e “ricarica” σs aumenta
Ripetendo i cicli di carico e
scarico σs continua ad aumentare
Durante la deformazione plastica di un materiale cristallino si formano molte altre
dislocazione e ciò fa si che la resistenza alla deformazione plastica del materiale
aumenta
Tensione Reale o Effettiva
La Tensione Reale viene definita come il rapporto tra il carico
agente sul campione e l’area della minima sezione trasversale
istantanea che sopporta quel carico:
Deformazione Reale o Effettiva
PROVA DI COMPRESSIONE
I Materiali fragili mostrano spesso bassa resistenza a trazione poiché la tensione
di trazione tende a estendere quelle lesioni submicroscopiche, presenti nel materiale,
orientate perpendicolarmente all’asse del carico
Questi stessi materiali presentano invece alta resistenza alla compressione:
materiali fragili sono impiegati principalmente a Compressione
Poiché la prova di compressione aumenta l’area della sezione trasversale del
campione, non si verifica mai la Strizione
PROVA DI DUREZZA
Durezza di un materiale: resistenza che esso oppone alla
penetrazione di un altro corpo di durezza maggiore e di definita
geometria, al quale è applicato lentamente un determinato carico i
direzione perpendicolare alla superficie da esaminare
Vantaggi
Metodi principali
facilità di esecuzione
Brinell
rapidità nell’ottenere risultati
Vickers
non distruttiva
Rockwell
Metodo Brinell
Secondo la normativa (UNI 560-61) si utilizza una sfera di
carburo di Tungsteno o Acciaio avente un diametro pari a 10 mm
applicando una pressione pari a P = 2940 N per un tempo
compreso fra i 10 e i 15 s
Massima durezza misurabile
Durezza del penetratore
Con sfera di acciaio temprato
max HB = 400
Con sfera in Carburo di Tungsteno
max HB = 600
Svantaggi
Non si tiene conto del recupero elastico del materiale
Il profilo della traccia è impreciso
Metodo Vickers
Secondo la normativa (UNI 1955-6) si utilizza una piramide di
diamante con angolo al vertice di 136 ± 1° applicando una
pressione pari a P = 294 N per un tempo compreso fra i 10 e i 15 s
Metodo Rockwell
Secondo la normativa (UNI 562) per materiali molto duri si usa un
cono in diamante con angolo al vertice di 120° applicando una
pressione iniziale P0 = 10 kg ed una ulteriore P1 = 140 kg; per
materiali dolci una sfera in acciaio temprato e levigato con diametro
d = 1,5875 mm e pressioni pari a 10 kg (P0) e 90 kg (P1)
PROVA DI RESILIENZA O URTO
La prova d’urto misura l’energia necessaria a fratturare una
barretta del materiale in esame, intagliato secondo modalità
standard, mediante un carico impulsivo
Il campione viene disposto tra i due
appoggi della macchina e viene colpito
(venendone fratturato) da una massa
pendolare pesante che, partita da un’altezza
nota, risale ad una certa quota
Dalla conoscenza della massa pendolare e
dalla differenza tra le quote iniziale e finale si
calcola l’energia assorbita nella frattura
• Le prove d’urto vengono spesso utilizzate per la determinazione
della temperatura di transizione dallo stato duttile a quello
fragile che si verifica al diminuire di T.
Questo perché, gli acciai e la maggior parte degli altri metalli o leghe CCC
assorbono più energia nella frattura duttile che in quella fragile
La Temperatura di transizione dipende dalla forma
dell’intaglio sul campione
Per uno stesso materiale la temperatura di transizione è tanto
maggiore quanto più acuto è l’intaglio
Prova di Fatica
La Prova di Fatica determina invece le sollecitazioni che un
campione di dimensione standard può sopportare in condizioni di
sicurezza per un dato numero di cicli
Il campione viene caricato in condizioni di pura flessione e viene fatto ruotare. In
tal modo in ciascuna rotazione tutti i punti della sua circonferenza passano da uno
stato di compressione ad uno di trazione
Prova di Fatica
Nella Prova di Fatica il provino viene sottoposto a sollecitazioni
cicliche (che si ripetono periodicamente nel tempo) fino a
produrre la rottura dello stesso
Nelle normali condizioni di servizio, le strutture ed i
componenti di macchine sono spesso sottoposti all’azione di
ripetuti carichi variabili
In tali condizioni, i componenti si possono rompere pur se
soggetti ad uno sforzo molto inferiore a quello che possono
sopportare in condizioni di sollecitazione statica ossia per:
σ < σr
o addirittura
σ < σe
Il processo di fatica implica l’apparizione di una cricca (si
innesca di solito in un punto di concentrazione degli sforzi come
un intaglio o un angolo acuto ed in genere parte dalla superficie)
che si sviluppa progressivamente col ripetersi della sollecitazione
La rottura interviene quando la cricca a raggiunto la sua
lunghezza critica lc in corrispondenza della quale la sezione
resistente è talmente ridotta da non poter più sopportare la
sollecitazione applicata
Esempi di componenti di macchine in cui le rotture per fatica sono
comuni, sono parti in movimento quali alberi, bielle ed ingranaggi:
Alcune valutazioni attribuiscono alla fatica circa l’80% delle
rotture che si verificano sui macchinari in generale!!
Ciascun giro costituisce così un ciclo completo di alternanza
delle tensioni, che nelle prove usuali viene ripetuto parecchie
migliaia di volte al minuto
I campioni sono provati fino a rottura sotto carichi differenti,
denotandone per ogni carico il numero di cicli necessari alla frattura
In genere σmax = - σmin
cicli simmetrici alternativamente di trazione
e compressione
E’ possibile anche effettuare prove cicliche
• con σmax > 0 e σmin < 0
compressione
cicli non simmetrici di trazione e
• con σmax e σmin > 0 (< 0)
cicli di trazione o compressione
• Le tensioni sono poi riportate in diagramma in funzione del
logaritmo del numero di cicli necessari alla rottura (curve σ-N)
Per l’alluminio (e le sue leghe) lo sforzo che provoca la rottura diminuisce
all’aumentare del numero di cicli
Per gli acciaio al carbonio e le leghe ferrose in generale invece, all’aumentare del
numero di cicli si ha dapprima una diminuzione della resistenza a fatica e poi la
curva tende ad un asintoto orizzontale
Il valore dello sforzo corrispondente all’asintoto viene definito
limite di resistenza a fatica del materiale e rappresenta la tensione
alla quale il materiale è in grado di resistere infinitamente (>108
cicli)
Per valori di tensione inferiore al limite di fatica, il materiale
sollecitato ciclicamente avrà una durata infinita
Fattori che influenzano il limite di resistenza a fatica
Concentrazione degli Sforzi:
la presenza di fattori che determinano
intensificazione degli sforzi come intagli, fori riducono notevolmente la resistenza
a fatica
Rugosità superficiale: migliore è la finitura superficiale più alta è la
resistenza a fatica. Superfici rugose creano punti di intensificazione degli sforzi
che facilitano la formazione di cricche da fatica.
Condizioni Superficiali: poiché la maggior parte delle rotture a fatica si
originano dalla superficie del campione, qualsiasi trattamento che modifichi questa
ultima influenzerà il comportamento a fatica. Trattamenti di indurimento
superficiale degli acciai (nitrurazione etc.) aumentano la resistenza a fatica mentre
trattamenti di addolcimento (decarburazione) peggiorano il comportamento a
fatica.
Ambiente Corrosivo: determina un peggioramento del comportamento a
fatica sia perché facilità l’innesco delle cricche in superficie sia perché determina
un aumento della velocità di propagazione di queste ultime
Creep o Scorrimento Viscoso
• Nella prova di Creep un campione del materiale in esame viene
sottoposto ad uno stato di sollecitazione costante ad alta
temperatura eventualmente fino a provocarne la rottura (prova di
creep rottura)
Conoscere il comportamento a scorrimento viscoso di un
materiale è molto importante in quanto, nelle normali condizioni
di servizio, un materiale è spesso sollecitato meccanicamente in
ambienti la cui Temperatura è molto alta
Creep o Scorrimento Viscoso
E’ il fenomeno grazie al quale un materiale, sottoposto ad una
sollecitazione costante ad elevata temperatura, superiore alla metà
della sua temperatura assoluta di fusione, subisce una progressiva
deformazione plastica
Per molte apparecchiature che operano ad elevate temperature, il
Creep dei materiali è il fattore che limita la massima temperatura
alla quale si può operare
Sottoponendo un materiale ad una sollecitazione costante ad alta
temperatura, rappresentando la variazione della lunghezza del
provino in funzione del tempo, si ottengono curve sperimentali
chiamate curve di Creep
• Curva di Creep
• Inizialmente si ha un
allungamento istantaneo
del provino εo
• Successivamente, il
provino mostra una fase di
Creep Primario in cui la
velocità di deformazione
decresce col tempo
La pendenza della curva dε/dt è definita Velocità di Creep
Nella seconda fase, Creep secondario, la velocità di creep è
essenzialmente costante (Creep Stazionario)
Infine si ha una terza fase, detta Creep terziario, in cui la velocità
aumenta rapidamente fino alla rottura
A livello microscopico il fenomeno deriva dalla combinazione di
due meccanismi contrapposti:
1. Incrudimento
2. Addolcimento
L’incrudimento è fenomeno che comporta un aumento
progressivo della resistenza alla deformazione plastica di un
materiale ed è dovuto al moltiplicarsi del numero di dislocazioni
L’addolcimento è fenomeno dovuto a processi di riassesto, come
il salto o lo scorrimento, attivato termicamente, di dislocazioni, e
la diffusione di vacanze. Esso favorisce la deformazione plastica
del materiale
Creep primario la velocità dell’incrudimento è maggiore di quella del
riassesto e quindi la velocità di creep diminuisce con continuità.
Creep secondario: i due fenomeni si bilanciano e la velocità di creep risulta
costante
Creep terziario: si formano lesioni ai bordi di grano e/o fenomeni di strizione
in qualche zona del campione comportando una riduzione dell’area resistente.
Inoltre si verificano processi di addolcimento a velocità maggiore di quella di
incrudimento. Tutti questi fattori producono un continuo aumento della velocità
di creep, fino alla frattura del campione
Fattori che influenzano il Creep
• Sforzo applicato
• Temperatura
L’aumento della tensione applicata sposta verso l’alto tutta la
curva (a parità di tempo aumenta l’allungamento del provino) e
provoca una frattura più veloce
L’aumento della temperatura, invece, accelerando i processi di
riassesto, innalza la velocità di Creep