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Prove sui materiali metallici - Coggle Diagram
Prove sui materiali metallici
Si dividono in
Prove meccaniche
Individuano le caratteristiche base di un solido legate alla capacità di resistenza a sollecitazioni meccaniche o al subire deformazioni elastiche e plastiche
Prove Tecnologiche
Attitudini legate ai procedimenti di lavorazione o di trattamento
Prove meccaniche
Prove statiche
Sollecitazione incrementata lentamente e la prova dura alcuni minuti
Prova di trazione
Scopo
Serve ad individuare la
resistenza
e la
deformabilità elastica e plastica
del materiale
Metodologia
Si sottopone una provetta ad una sollecitazione di trazione (tirando dalle teste a forma unificata ai lati per permettere trazione più assiale possibile) fino a rottura a T ambiente
Provetta
E' formata da un tratto
Lc
(
lunghezza calibrata
) a sezione costante e questo deve rientrare in limiti fissati dalla norma, poi vi è il tratto minore
L₀
(
tratto utile
) che serve a misurare effetivamente l'allungamento (L₀ = k √S₀ (S₀ è l'area inziale), dove k convenzionale è 5,65)
Importante non fare tratti incisi per evitare inneschi a rottura :warning:
La velocità di deformazione deve essere mantenuta costante
Vengono misurate forza e allungamento dalla macchina
Viene misurato anche l'
allungamento percentuale a rottura
A
(A = 100 * (Lᵤ - L₀)/L₀)
Per ricavarlo si fanno dei riferimenti tra i punti di rottura e si misura la lunghezza tra di loro (
Lᵤ
, che rappresenta la lunghezza del tratto utile dopo rottura). Si misura riavvicinando i frammenti rotti, allineando gli assi
Se però la rottura avviene troppo vicino a uno dei riferimenti la misura risulta falsata, si ricalcola quindi
A
dividento il
tratto utile
in
N intervalli
prima della prova e si contano i segmenti non
deformati
n
Si applica la formula in base a se N - n (ossia i segmenti deformati) è pari o dispari devo sommare i tratti e dividerli per L₀ e moltiplico per 100!
Viene rilevato anche
Z
(coefficiente percentuale di strizione) per verificare quanto vale in percentuale la contrazione trasversale
Z = 100 * (S₀-Sᵤ)/S₀
dove
Sᵤ
è l'area
dopo la rottura
e
S₀
quella
iniziale
E' possibile misurare anche
Az
(
allungamento percentuale di strizione
) dividendo nella formula di prima per
Sᵤ
, trovando quanto era maggiore la sezione iniziale rispetto alla finale
In base ai risultati di
forza e allungamento
dati dalla macchina si crea il grafico
σ–ε
e in base a questo ogni tipo di materiale avrà un grafico di diverso tipo (pag 115)
Per esempio se il materiale è
fragile
il grafico sarà lineare fino a rottura senza deformazione plastica, oppure
tenace
se l'area sotto la curva è molto grande, assorbe molto lavoro
A proposito di
tenacità
, questa si può evincere da come si rompe il pezzo, se di netto o si nota una coppa poi rottura (buona tenacità)
Prova di Compressione
Scopo
Determinare le deformazioni elastiche o permanenti che si verificano sotto l'azione di forze monoassiali di compressione
Va eseguita solo su
materiali fragili
per via della loro migliore resistenza in compressione piuttosto che in trazione
Metodologia
Si sottopone una
provetta cilindrica
ad una sollecitazione di
compressione
a T ambiente
Provetta
E' caratterizzata da basi piane e superfici lisce e più dure del materiale da provare
Velocità di applicazione carico controllata e costante, non superiore a 30 MPa/s
Si misurano forza e accorciamento, la prova termina con la comparsa di una
cricca visibile
Vengono rilevati alcuni aspetti
Accorciamento longitudinale unitario
εc = ∣∆L∣/L₀
Ingrossamento trasversale unitario
εtc = ∣∆D∣/D₀
Accorciamento percentuale
Ac = 100 ∙ L₀-Lu/L₀
L'accorciamento che si crea dopo la prima fessurazione visibile
Ingrossamento percentuale a rottura
Zc = 100 ∙ Sᵤ-S₀/S₀
Dove le S sono le sezioni dopo e prima la fessurazione visibile
Prova di piega
Scopo
Determinare l'attitudine di un materiale ad essere deformato plasticamente quando piegato
Metodologia
Si pone la provetta tra due rulli ad assi paralleli, liberi di ruotare in modo da permettere lo scorrimento del campione e poi si applica un carico concentrato e graduale perpendicolare all'asse della provetta e centrale agli appoggi
Provetta
E' a sezione quadrata, rettangolare, circolare o comunque simmetrica al piano di flessione
La prova si considera superata quando la provetta, una volta raggiunto l'angolo di piega α, non presenti cricche visIbili a occhio nudo
Prova di durezza
Scopo
Determinare la durezza, ossia la resistenza di un materiale ad un penetratore duro e di forma definita
Metodologia
Si pone la provetta su una superfice rigida e la macchina non deve subire urti o vibrazioni, il
penetratore
viene sottoposto ad un carico
F
per penetrare la provetta a T ambiente
2 tipi in base alla F sul penetratore
Macrodurezza (F >10 N)
Brinell
Penetratore
Sfera di carburo di tungsteno di diametro D (1-10mm) avente durezza Vickers HV > 1500
Esecuzione
Si preme con la sfera sulla superficie del materiale con un carico
F
per un tempo prestabilito, alla fine della prova si misura il
diametro dell'impronta lasciata dalla sfera
Si misura la durezza di Brinell (HB) con la formula di Brinell
Accorgimenti
Non si usano materiali troppo duri, materiali "teneri"
Vickers
Penetratore
Diamante a forma di piramide a base quadrata, con angolo al vertice delle facce 136°
Esecuzione
Si applica un carico prestabilito per un tempo definito e si misura la diagonale media dell'impronta
Si misura la durezza di Vickers (HV) con la formula di Vickers
Accorgimenti
Adatta a tutti i materiali e anche per superfici molto piccole, ma l'impronta deve essere ben visibile
Rockwell
Penetratore
2 tipi: O un diamante a forma di cono (materiali duri) o una sfera di acciaio o carburo (metalli teneri)
Esecuzione
Si applica un precarico, poi un carico maggiore e infine si misura la profondità di penetrazione residua dopo il carico maggiore
Si misura la durezza con la "scala di Rockwell", HRB (penetrazione con sfera) o HRC (penetrazione con cono)
Accorgimenti
Metodo molto rapido, semplice ma meno preciso di Vickers e il provino deve avere uno spessore minimo di 5-10 volte la profondità dell'impronta
Microdurezza (F <10 N)
Vickers
Penetratore
Uguale a Vickers in Macro
Esecuzione
Si applica un carico molto basso (es: 50g) e si misura la diagonale come in Vickers Macro
Si misura la durezza di Vickers (HV) con la formula di Vickers
Accorgimenti
Misure molto sensibili, la superficie deve essere perfettamente levigata
Knoop
Penetratore
Piramide allungata asimmetrica a base romboidale
Esecuzione
Carichi bassi inferiori a 1N
Si misura solo la diagonale maggiore dell'impronta
Accorgimenti
Altissima precisione, usata per materiali fragili e strati superficiali
Prove dinamiche
La sollecitazione raggiunge l'apice in una frazione di secondo, simile ad un urto
Prova di resilienza
Scopo
Misurare la resistenza di un materiale agli urti, quindi la capacità di assorbire energia in un tempo brevissimo prima di rompersi
Si valuta la
tenacità dinamica
, ossia la capacità di opporre resistenza alla rottura quando colpito violentemente
Metodologia
Si sottopone una
barretta prismatica
ad un carico impulsivo (urto)
Sulla barretta è stato praticato un intaglio (a U o V) di forma specificata, dalla parte opposta vi è il punto dove il pendolo colpirà la barretta!
Si calcola quindi l'
energia assorbita
Lₐ = P ⋅ (H₀ - H₁)
, dove
P
è il
peso del pendolo
,
H₀
l'altezza inziale
e
H₁
l'altezza raggiunta dopo aver colpito la provetta
Questa prova è molto influenzata dalla temperatura
A
basse
temperature :snowflake:
I materiali si
fragilizzano
Ad
alte
temperature :fire:
I materiali diventano più
tenaci
Esiste la "
Temperatura di transizione Duttile-Fragile
" (
TDN
)
Temperatura critica che comporta il passaggio da duttile a fragile
Materiali diversi possono avere Resilienza simile ma comportamenti diversi a T diverse :warning:
Prova di fatica
Scopo
Vengono effettuate per simulare
sollecitazioni cicliche
che si possono avere in esercizio (es: vento, onde marine, etc)
Metodologia
La provetta viene sottoposta ad un
carico periodico ciclico
4 diversi tipi di ciclo
Ciclo alterno simmetrico
La tensione varia tra due estremi di segno opposto σmax e σmin
Ciclo alterno asimmetrico
La tensione varia tra due estremi di segno opposto ma di diverso valore assoluto
Ciclo pulsante
La tensione varia tra due estremi di ugual segno
Ciclo dallo zero
Una delle tensioni estreme è uguale a 0
Applico a diversi campioni diversi cicli e riporto gli andamenti sul diagramma di
Wholer
Questo diagramma mette il
numero di cicli di carico (N)
(in log) che il materiale può sopportare prima di rompersi in funzione con la
tensione alternata (σa)
che viene applicata
Quando la curva inizia ad "appiattirsi" si è vicini al
limite di fatica
, valore di tensione in cui il pezzo resiste a cicli infiniti
Le curve descrivono la probabilità di rottura (es: P = 50%)
Da questo diagramma si può disegnare il
"Diagramma di Goodman-Smith"
Fornisce per un determinato numero di cicli e una determinata probabilità di rottura, la sollecitazione applicabile
1 more item...
Sulle
X c'è la tensione media
σm, e sulle
Y le tensioni massime e minime e l'ampiezza di tensione
(σmax,σmin,σa)
Costruzione
1 more item...
Sono prove periodiche cioè con andamento che cambia nel tempo, tipicamente
legge sinusoidale
Parametri rilevati
Tensione media (σₘ=(σmax+σmin)/2)
Ampiezza di tensione (σₐ=(σmax-σmin)/2)
Rapporto di tensione μ=σmin/σmax
Altro parametro importante è la frequenza, ossia quanti cicli di carico al secondo applicati
Si misura in Hz (di solito 10 Hz per i metalli) e questa deve evitare due fenomeni
Il riscaldamento del materiale
Taglio dei picchi (oltre limite fisico della macchina)
E' un fenomeno statistico!!
E' una prova periodica!
Prove di scorrimento o di Creep
Sono le prove di scorrimento viscoso a caldo
Metodologia
Si sottopone una provetta (simile a quelle utlizzate per la trazione) ad una sollecitazione σ
costante e a temperaura costante T
maggiore alla metà di quella di fusione
Si pone su di un grafico la deformazione ε in funzione del tempo t e si osservano diverse fasi del creep
Fase 0
Prova di trazione a T*, serve a conoscere la prima deformazione ε0 (deformazione inziale)
Fase 1 o transitorio
La velocità di deformazione decresce, predomina la velocità d'incrudimento rispetto a quella di riassetto,
il materiale è quindi più resistente
Dura giorni/settimane
Fase 2
La velocità di deformazione è costante, la velocità d'incrudimento e di riassetto si
equivalgono
Dura mesi/anni
Fase 3
La velocità di deformazione aumenta, l'incrudimento viene annullato e il materiale si deforma rapidamente, compaiono cricche e vuoti per via della riduzione della sezione
Dura pochi giorni
Fattori influenzanti
Temperatura
, più è elevata più le fasi sono veloci
Aumento del carico σ*
, si ha maggiore deformazione se aumentato
Grafici di Creep
Asse X
tempo
, asse Y
deformazione
La curva rappresenta le fasi di Creep
Si utlizzano anche grafici ε-tempo considerando la sollecitazione costante o la T costante per valutare e confrontare le varie curve (pag 141)
Prove tecnologiche
Prova di Imbutitura
Scopo
Valutare l'attitudine di una
lamiera
a lasciarsi
imbuitre
, cioè a subire deformazioni
Lamiera
: spessore minore di 3mm
Metodologia
La provetta viene bloccata tra una
matrice
e una
premilamiera
, mentre un
punzone sferico
deforma la lamiera fino alla comparsa di cricche
Punzone
: diametro di 20mm
Gli spigoli a contatto con la lamiera devono essere arrotondati (per non danneggiare il pezzo)!!
Parametri da controllare
Velocità di applicazione del carico, (5-20 mm/min)
Misure rilevate
Corsa effettuata dal punzone prima della cricca, il valore medio ottenuto in almeno 3 di queste prove è detto
"Indice di imbutitura di Erichsen (IE)"
Prova di temprabilità Jominy
Scopo
La temprabilità è l'attitudine di un acciaio a conseguire una struttura
martensitica
(dura), lo scopo è quindi
ottenere informazioni sulla temprabilità di un acciaio
Metodologia
La provetta (cilindrica) viene riscaldata in un forno alla temperatura T di austenizzazione e dopo averla raggiunta si mantiene in forno per 30 minuti e, a riscaldamento ultimato, la provetta viene estratta dal forno e si fa investire l'estremità di essa da un getto d'acqua "unificato" per 10 minuti
Successivamente la provetta viene fatta raffreddare a T ambiente, poi si rettificano (rendere piane e regolari) le due superifici estreme, e si eseguono le
prove di durezza Rockwell HRC
1° impronta 1,5mm dall'estremità raffreddata, poi ad intervalli di 2mm fino al raggiungimento di 15 mm dall'estremità poi ogni 5mm fino a quasi l'altra estremità
Si raccolgono i dati e si traccia l'andamento delle durezze sul grafico di Jominy (HRC-distanze)
Per un acciaio molto temprabile la
curva è praticamente orizzontale
(strato duro molto profondo)!!
Si può anche utlizzare
l'indice di temprabilità J
seguito da due numeri, il primo indica l'HRC e il secondo la distanza dall'estremita raffreddata (es:
J₃₅/₁₅
)