PROVE MECCANICHE

• DI CREEP una sollecitazione costante viene applicata ad una sollecitazione costante viene applicata ad alta temperatura eventualmente fino a produrre alta temperatura eventualmente fino a produrre la rottura del campionela 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 curva tensione-deformazione o carico-allungamento

Parametri significativi

� Tensione o sforzo Nominaleσ: rapporto tra il carico P agente sul campione e l’area A0 della sezione trasversale originaria

σ = P/A0

� Dilatazione o deformazione Nominaleε: 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 < σσσσP siamo nel campo elastico lineareper cui vale:

σ = E . ε

� Superato il carico di snervamento (σσσσP) si entra nel campo plastico

� Il carico inizialmente continua a crescere fino a raggiungere il valore σσσσM

Raggiunto σσσσM 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 σσσσM= σσσσR

�Per materiali in cui la rottura avviene con Strizione σσσσM> σσσσR

PERIODO PLASTICO CON STRIZIONE

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 plasticamente

Un materiale si dice Duttile se, sottoposto ad una prova di trazione monoassiale, si rompe dopo essersi deformato plasticamente Se σe < σR

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 snervamentoquella tensione che corrisponde ad una deformazione plastica (ossia la deformazione permanente misurata una volta “scaricato” il provino) pari allo 0,2%

Carico di snervamento

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

Deformazione plastica nei metalli

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 plasticapuò 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 dislocazioniossia:

� Quando una dislocazione, durante il suo movimento all’interno del cristallo, ne incontra un’altra, quest’ultima rappresenta un ostacolo al movimento della prima

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

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

Incrudimento

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, nonsi verifica mai la Strizione

Vantaggi

� facilità di esecuzione

� rapidità nell’ottenere risultati

� non distruttiva

PROVA DI DUREZZA

Durezza di un materiale: resistenza che esso oppone alla penetrazione di un altro corpo di durezza maggiore e di definitageometria, al quale è applicato lentamente un determinato carico i direzione perpendicolare alla superficie da esaminare

Metodi principali

� Brinell

� Vickers

� 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 modalitàstandard, 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 transizionedallo 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 FaticaLa 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 Faticail 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 σ σ σ < σσσσr o addirittura σ σ σ σ < σσσσe

� 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 σσσσmax = - σmin cicli simmetrici alternativamente di trazione

e compressione

� E’ possibile anche effettuare prove cicliche

• con σσσσmax > 0 e σmin < 0 cicli non simmetrici di trazione e

compressione

• con σσσσmax 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 σσσσ-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 Creepun 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 metàdella sua temperatura assoluta di fusione, subisce una progressiva deformazione plastica

� Per molte apparecchiature che operano ad elevate temperature, il Creepdei 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 εεεεo

• Successivamente, il provino mostra una fase di Creep Primario in cui la velocità di deformazione decresce col tempo

La pendenza della curva dεεεε/dt è definita Velocità di Creep

� Nella seconda fase, Creep secondario, la velocità di creep èessenzialmente costante (Creep Stazionario)

� Infine si ha una terza fase, detta Creep terziario, in cui la velocitàaumenta 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’ addolcimentoè fenomeno dovuto a processi di riassesto, come

il salto o lo scorrimento, attivato termicamente, di dislocazioni, e

la diffusione divacanze. 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 diminuiscecon 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 velocitàdi 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