Prove meccaniche speciali
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PROVE MECCANICHE STANDARD E PROVE MECCANICHE SPECIALI CLASSE 5^C MECC I.T.S.T “J.F. KENNEDY” - PN A.S. 2014/15 Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Definizione Con il termine “fatica” si fa riferimento ad un fenomeno meccanico per cui un materiale sottoposto a carichi non costanti nel tempo, in particolare con andamento temporale ciclico, va incontro alla possibile rottura anche quando la sollecitazione massima applicata è inferiore al carico unitario di snervamento del materiale. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA La norma di riferimento per la prova di fatica è la UNI 3964. Essa ha lo scopo di fornire: • le prescrizioni generali contenenti i termini di utilizzo; • la presentazione dei risultati di prova; • i metodi di valutazione delle caratteristiche di resistenza e di durata alla fatica. Queste tipologie di prescrizioni di applicano soltanto a quelle prove di fatica nelle quali provette di forma semplice lisce o intagliate, vengono sottoposte a sollecitazioni di trazione e/o compressione, di flessione o di torsione. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Generalità: Le sollecitazioni possono essere di tipo semplice (trazione, compressione, flessione e torsione) oppure possono risultare da una combinazione di sollecitazioni semplici. Qualunque sia il modo di sollecitazione (semplice o combinato) le sollecitazioni prodotte variano, di regola, funzione seguendo una ciclica nel tempo. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Ciclo di tensione: Tensione max: il più grande valore di tensione durante un ciclo Tensione min: il più piccolo valore della tensione in un ciclo Tensione media: media algebrica tra la tensione max e min Ampiezza di tensione: la metà della differenza algebrica tra la tensione max e min Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA I digrammi principali della prova a fatica sono: a) sollecitazione alternata simmetrica b) sollecitazione alternata asimmetrica c) sollecitazione oscillante dall’origine d) dollecitazione pulsante Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Criterio di prova: La prova si considera terminata quando si verifica la rottura della provetta o una fessurazione di lunghezza prefissata e quando la provetta ha raggiunto, senza rottura, un determinato numero di cicli. Nella frattura per fatica si possono distinguere tre zone: 1) zona di innesco: la superficie e liscia con archi concentrici; 2) zona di propagazione, in la cricca procede più velocemente e gli archi sono più distanti; 3) zona di rottura: è ruvida se la rottura è stata fragile, altrimenti risulta fibrosa. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA La prova di fatica consiste nel sollecitare con ampiezza di tensione costante una provetta ad una data frequenza. La frequenza è trascurabile fino a 100 Hz. La prova termina con la rottura della provetta o quando si è raggiunto un numero di cicli prefissati, senza rompersi. Nel diagramma di Wöhler si trovano σA o σMAX sulle ordinate, ed N (num. di cicli) sulle ascisse in scala logaritmica. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA La prova fornisce i seguenti esiti il limite di fatica σD : è il valore di ampiezza massimo a cui una provetta resiste indefinitamente ad una determinata tensione media σM. σD=σM±σA Per gli acciai σD si determina con N=2x106÷107, mentre N>107 per alluminio, magnesio e rame. la resistenza a fatica per N cicli σN : è l'ampiezza di tensione per la quale la provetta dura N cicli. σN= σm±σA1 La σN si utilizza: 1. materiali metallici 'senza ginocchio' 2. pezzi che risulterebbero troppo ingombranti a σD. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Diagramma di Wöhler Il diagramma è costruito mantenendo costante il rapporto Rσ= σmin/σmax Vi è una sensibile dispersione sperimentale per i valori di rottura, per cui normalmente una curva è ripartita in più curve di equiprobabilità (ad es. 10%, 50%, 90%, ecc…) Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Diagramma di Wöhler Per ogni materiale è possibile tracciare un grafico in base a σm e σA. Come si vede in figura, le curve variano al variare di σm. Per questo motivo, le prove di caratterizzazione dei materiali risulta molto onerosa e lunga. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA In figura sono presentati le varie di tipologie di prove a fatica, in base al tipo di sollecitazione applicata. Flessione rotante Flessione Sollecitazone Sollecitazione piana assiale di torsione Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Le macchine per le prove di fatica vengono distinte in base al tipo di prova, variazione del carico applicato, tipo di provetta utilizzata e al tipo di sollecitazione presente. Si possono classificare in : • macchine per prove a flessione rotante; • pulsatori; • vibrofori; • torsiometri; • macchine per prove a programma. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Macchina per prove a flessione rotante Queste macchine prevedono il posizionamento della provetta a sbalzo o con provetta appoggiata. In entrambe le prove, un contagiri consente di definire il numero di cicli sino al quale il provino ha resistito; in base all’entità del carico applicato, si individua un punto sul diagramma di Wöhler. La provetta generalmente impiegata ha una sezione di rottura definita, il suo diametro minimo è di 6,74 mm mentre quella massimo è di 10 mm. Il raccordo fra essi è pari a 30 mm e la lunghezza totale del provino è di 80 mm. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Macchina per prove a flessione rotante Con provetta a sbalzo La sezione di rottura è fissata tra due mandrini che svolgono ciascuno un ruolo fondamentale nello svolgimento della prova. Il primo mandrino è accoppiato con un motore elettrico, il quale, tramite un convertitore di frequenza, fornisce una velocità angolare tra 6000 e 12000 giri/min, trasmessa dal mandrino stesso al provino. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Macchina per prove a flessione rotante Con provetta a sbalzo Il secondo mandrino serve ad applicare il carico durante la rotazione, attraverso un meccanismo a leva. L’entità di tale carico viene definita nella barra sottostante connessa al mandrino grazie allo spostamento del peso Q al quale corrisponde la sollecitazione nella provetta. Il peso Z è invece supplementare e permette la regolazione del sistema. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Macchina per prove a flessione rotante Con provetta a sbalzo Dalla prova risulta che il diagramma del momento flettente nella sezione di rottura ha forma triangolare e vale: Mf = ((Z x c – Q ( d + b )) / d) x s = K x b Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Macchina per prove a flessione rotante Con provetta appoggiata Si tratta di un sistema molto simile al precedente in cui esiste la possibilità di impiego di provini a sezione costante. Il carico applicato è simmetrico ed uguale (F/2), la sua trasmissione avviene analogamente con un meccanismo a leva. La differenza è che il grafico dei momenti flettenti è trapezoidale date le differenze rispetto alle impostazioni del modello precedente. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Pulsatori Sono apparecchi universali che vengono collegati ad altre macchine allo scopo di modificare il carico per renderlo periodico con frequenze e tensioni prestabilite. Consentono lo svolgimento della prova nelle macchine con le varie sollecitazioni e con qualsiasi ciclo (simmetrico o asimmetrico, ripetuto, pulsante). Per le prove statiche, le pompe forniscono il fluido al cilindro della macchina e il carico sarà di conseguenza regolato a seconda della sua pressione; per le prove di fatica, i pulsatori intervengono per creare il ciclo di sollecitazione. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Pulsatori Schema idraulico di una macchina per prova di fatica con pulsatore Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Vibrofori Si utilizzano per prove ad elevate frequenze, con ogni tipo di sollecitazione, su provette o organi qualsiasi. La provetta è fissata tra una massa principale regolabile (1) e l’attacco dinamometrico (5), che poggia su una massa ausiliaria (2), sostenuta a sua volta da molle antivibranti (8). Il dispositivo (6,7) applica la tensione media. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Vibrofori Un estensimetro collegato alla provetta (4) fa giungere al dispositivo elettronico (9) un segnale che misura lo smorzamento dell’ampiezza delle oscillazioni. Allo stesso tempo un generatore di impulsi elettrici (10) invia in (11) un segnale con l’ampiezza d’oscillazione naturale del sistema. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Vibrofori Entrambi i segnali, provenienti dai componenti 9 e 10, sono analizzati dall’amplificatore operazionale (11), il quale determina e invia la corrente pulsante necessaria al mantenimento di tali oscillazioni all’elettromagnete (12). Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Attrezzature per prove a programma Differenti sono le soluzioni, ma esiste un modello di riferimento valido per qualsiasi prova di fatica a carico assiale ed in particolare di prove a programma. Il modello rappresentato confronta il segnale di comando del programmatore con quello reperito sulla provetta della cella di carico. Il valore di differenza tra i segnali è ricevuto da un servoregolatore, che lo amplifica per fornire alla servovalvola il segnale di comando per l’attuatore. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI FATICA Attrezzature per prove a programma Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA La norma di riferimento è la UNI ISO 4545-1, specifica per il metodo di prova durezza Knoop (HK) per materiali metallici. Caratteristiche della prova: • Carico applicato F < 9,8 N (1 kg) • Tempo di applicazione t = 15 s Le prove di microdurezza si effettuano con bassi carichi su campioni lucidati per l’esame metallografico. Si può valutare la durezza di ogni singolo costituente cristallino, oppure variazioni di durezza entro regioni molto piccole. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA Penetratore: Per questa prova viene impiegato un penetratore di diamante a forma di piramide retta con angoli al vertice fra gli spigoli opposti di 172°30' e di 130°. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA Il penetratore diamante, sotto forma di una piramide a base romboidale, è forzato sulla superficie del pezzo di prova, seguito da misurazione della lunghezza diagonale, d, del rientro rimanente sulla superficie dopo la rimozione della forza di prova F. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA Il test di durezza Knoop, eseguito con un durometro simile a quello Vickers, è detto anche "test di microdurezza" perché le dimensioni dell'impronta vengono lette con un microscopio. Noto il carico applicato P (in kg) e la lunghezza L dell'indentazione lungo la diagonale maggiore (in mm), il valore HK di durezza nella scala di Knoop viene calcolato con la formula: dove Cp è un fattore di correzione dipendente dalla forma dell'indentatore, (0,070279). HK è espresso in kg/mm2. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA La prova è normalmente eseguita ad una temperatura di 23.5 °C. Il provino deve essere collocato su un supporto rigido e i piani di appoggio devono essere puliti e privi di corpi estranei (olio, sporcizia, ecc). Il perimetro della rientranza deve essere chiaramente definita nel campo visivo del microscopio. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA Per eseguire la prova , occorre portare il penetratore a contatto con la superficie di prova e applicare il carico di prova in modo costante in una direzione perpendicolare alla superficie del provino, in un tempo di 15 sec, senza urti o vibrazioni, finché la forza applicata raggiunge il valore previsto. Convenzionalmente, la distanza minima tra due impronte deve essere almeno 2,5 volte la lunghezza della diagonale corta e la distanza minima tra impronta e bordo della provetta deve essere 3 volte la diagonale corta. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI MICRODUREZZA Il penetratore della prova knoop ha il vantaggio di dare delle impronte più lunghe e meno profonde. La lettura è effettuata sulla diagonale maggiore per ottenere minor errore relativo. Campi di utilizzo: • costituenti strutturali delle leghe metalliche. • strati superficiali cementati, nitrurati o artificialmente ossidati • ceramiche, vetri, carburi metallici, vernici, cristalli Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE La norma di riferimento della prova di trazione è la UNI EN ISO 6892-1:2009 Si esegue su ogni materiale per rilevare le caratteristiche di resistenza, deformabilità ed elasticità: rappresenta quindi una prova di collaudo, di riconoscimento, di selezione. La prova di trazione statica fornisce indici di confronto che, per quanto convenzionali, consentono la formulazione di giudizi relativi allo stato del materiale ed alle possibilità del suo impiego. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE La prova consiste nel sottoporre una provetta a uno sforzo di trazione, generalmente fino a rottura, allo scopo di determinare una o più delle caratteristiche meccaniche. Se non diversamente specificato, la prova è eseguita a temperatura ambiente nei limiti tra 10 °C e 35 °C. Le prove effettuate in condizioni controllate devono essere eseguite ad una temperatura di 23 °C ± 5 °C. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Modello di macchina per prova di trazione 1-Quadrante lettura carichi 2-Volantino mandata olio 3-Volantino di scarico 4-Volantino comando carichi 5-Manopola portata pompa 6-Interrutture corrente 7-Diagrammografo 8-Pompa di alimentazione 9-Basamento 10-Colonne 11-Testata 12-Cilindro 13-Pistone 14-Traversa 15-Tiranti 16-Traversa 17-Vite 18-Portaganasce inf. 19-Portaganasce sup. 20-Motore Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE La provetta per la prova di trazione è generalmente ottenuta mediante lavorazione di macchina di un saggio prelevato da un prodotto o da un estruso o un getto. I prodotti a sezione costante (profilati, barre, fili, ecc.) e le provette grezze di fonderia (ghise e leghe non ferrose) possono essere sottoposti a prova senza essere lavorati di macchina. La sezione trasversale delle provette può essere circolare, quadrata, rettangolare, anulare o, in casi particolari, di altra forma. Le provette con lunghezza iniziale Lo tra i riferimenti proporzionale all’area della sezione iniziale sono chiamate provette proporzionali (Lo=k*√So con k=5,65 e Lo>15mm). Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Procedura - si fissa il provino tra due morsetti in posizione verticale (in modo tale che la forza di gravità non influisca sulla prova); - una ganascia comincia a spostarsi a velocità costante e comincia a nascere uno stato di tensione nel materiale, dovuto alla forza crescente di trazione, opposta alla direzione della traversa della macchina. - si impone lo stop alla macchina quando il provino si rompe oppure quando la traversa si è spostata di una distanza prefissata; - sulla macchina è presente una cella di carico, che misura istante per istante la forza applicata al provino, e un dispositivo di misura dell'allungamento (estensimetro). Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Grazie all'estensimetro e alla cella di carico, si ottengono valori di sforzo e deformazione a intervalli di tempo costanti per tracciare il diagramma sforzo-deformazione. Fasi di deformazione e rottura della provetta Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione funi La norma di riferimento è la UNI ISO 4309 e si riferisce ai criteri di verifica e sostituzione delle funi per apparecchi di sollevamento. Scopo della prova è determinare il comportamento delle funi sottoposte ad una sollecitazione di trazione. Le prove vengono eseguite qualora un controllo dimostri che la resistenza di tale fune è diminuita ad un punto tale che un suo ulteriore utilizzo sarebbe imprudente. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione funi Quando è necessario che la fune abbia lunga durata, si adottano un elevato coefficiente di utilizzazione ed un elevato rapporto di curvatura (D/d). Se invece sono essenziali leggerezza e maneggevolezza, suddetti valori possono essere diminuiti, purché sia accettabile un numero più ridotto di cicli operativi. Per questa prova vengono appositamente confezionate le teste fuse coniche di estremità, tramite fusione di lega di piombo e stagno, in appositi stampi a 450 °C, oppure in resina speciale. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione funi Fermo restando che la fune deve essere esaminata in tutta la sua lunghezza, particolare attenzione deve essere riservata ai seguenti punti: punti di attacco ad entrambe le estremità delle funi; parte di fune che passa attraverso il bozzello (sorta di carrucola) o sulle pulegge; tutte le parti della fune che passano sulle pulegge quando l'apparecchio è sotto carico. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione su viti La normativa di riferimento per la prova di trazione su viti d’acciaio è la UNI EN ISO 898-1: 2009 La stessa normativa regola anche altre prove (torsione, resilienza, ecc.), sempre eseguite su viti d’acciaio. Le principali prove sono: - prova di trazione su viti e prigionieri per determinare la classe di resistenza; - prova di trazione con appoggio a cuneo per viti e bulloni; - prova di trazione su provetta filettata. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione su viti - prova di trazione su viti e prigionieri Questa prova ha come scopo di determinare la resistenza della vite, verificarne la sezione resistente e ricavare la classe di resistenza. La sezione resistente si determina con la seguente relazione: Per la classe di resistenza, si utilizza la seguente espressione: Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione su viti - prova di trazione con appoggio a cuneo per viti e bulloni Scopo della prova è determinare l'integrità della sezione di transizione tra la testa e il gambo. Questa prova si applica alle viti con o senza flangia avente le seguenti caratteristiche: • superficie di appoggio piana o superfici dentate; • testa più forte della parte filettata e di qualsiasi gambo non filettato; • lunghezza nominale, l > 2,5 d ; • lunghezza del filetto, b > 2,0 d. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione su viti - prova di trazione su provetta filettata Scopo della prova è determinare la resistenza alla trazione (Rm), il carico limite di proporzionalità (Rel) e l'allungamento percentuale dopo rottura. I metodi e le formule sono le medesime della prova di trazione tradizionale (UNI EN10002). Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione a bassa temperatura La norma di riferimento per le prove di trazione a temperature ambiente è la ISO 6892:2009 vale per qualsiasi tipo di acciaio, e determina i valori del modulo di elasticità normale (E) alle varie temperature. Scopo della prova è determinare il comportamento del materiale alla sollecitazione di trazione statica a temperature inferiori di quella ambiente. Queste prove vengono eseguite quando il materiale può essere utilizzato in condizioni di basse temperature. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione a bassa temperatura La macchina di prova a trazione a basse T, è uguale a quella tradizionale e differisce solo per la presenza di un frigorifero, che ha lo scopo di raffreddare e mantenere il provino ad una T prestabilita per tutta la durata della prova. Il frigorifero è costituito da due camere, nelle quali è presente del liquido refrigerante, è un agitatore del liquido, che deve assicurare l’uniformità della T. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione a bassa temperatura Come nella prova tradizionale, il provino, una volta fissato agli estremi, viene immerso nel refrigerante (ad es., ghiaccio, biossido di carbonio, azoto liquido), si aziona l’ agitatore e portato alla T prestabilita. Si avvia, quindi, la macchina e si procede alla prova di trazione. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione a alta temperatura La norma di riferimento è la EN 10002-5. Si riferisce a prove di trazione eseguite a temperature elevate, ma ≤ 1000 °C, indipendentemente dal tipo di acciaio, e permettono di determinare i valori del modulo di elasticità normale (E) alle varie temperature. Scopo della prova è determinare il comportamento del materiale alla sollecitazione di trazione statica ad alte temperature. Queste prove vengono eseguite quando il materiale può essere utilizzato in condizioni di alte temperature. Prove meccaniche standard e speciali PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione a alta temperatura La macchina di prova a trazione a basse T, è uguale a quella tradizionale e differisce solo per la presenza di un forno elettrico, che ha lo scopo di riscaldare e mantenere il provino ad una T prestabilita per tutta la durata della prova. Il forno è costituito da un dispositivo riscaldante, da un dispositivo misuratore ed autoregolatore della temperatura e da un dispositivo per la misurazione degli allungamenti.
