Prove meccaniche speciali

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.
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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.
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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.
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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.
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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…)
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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PROVA DI FATICA
Attrezzature per prove a programma
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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.
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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.
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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
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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.
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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).
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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).
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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.
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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.