Le Prove di Caratterizzazione Meccanica dei Materiali, Università di Pisa

La scelta dei materiali

Per la scelta dei materiali più adatti alle varie applicazioni è necessario conoscere e tener presenti le proprietà caratteristiche di ciascun materiale. Queste proprietà si possono raggruppare in tre categorie:

• proprietà fisiche e chimiche;
• proprietà meccaniche;
• proprietà tecnologiche.

Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Le proprietà dei materiali

Le proprietà fisiche e chimiche sono quelle proprietà che i materiali metallici possiedono per loro natura, indipendentemente dalla presenza di sollecitazioni esterne. Le proprietà meccaniche sono invece quelle proprietà di resistenza che i materiali metallici manifestano sotto l'azione di sollecitazioni statiche, dinamiche, e ripetute; rientra, all'interno delle proprietà meccaniche dei materiali metallici, anche la durezza. Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

La prova di durezza

Durezza = resistenza alla penetrazione Questa prova non distruttiva ha lo scopo di misurare la capacità di un materiale di resistere, nelle sue zone superficiali, alle azioni di scalfittura, abrasione ed alla deformazione plastica per compressione. Prove statiche: non richiedono provette, non distruggono il pezzo. Sono rapide ed automatizzabili. Forniscono indici di confronto nei giudizi della qualità dei materiali, dei processi tecnologici o di trattamento termico e di alcune proprietà meccaniche. Prove dinamiche: il penetratore (5g) provvisto di punta di diamante urta la superficie ortogonalmente da un'altezza di 254mm e rimbalza ad una certa quota dalla quale si ricava la durezza (Durezza Shore HS). Le prove di durezza sui materiali di interesse ingegneristico consistono tutte nel creare un'impronta sulla superficie del pezzo in esame mediante un penetratore al quale si applica un carico di compressione normale alla superficie del pezzo. N.B. Il solo valore della durezza non da' informazioni sufficienti sullo stato del materiale Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

La prova di durezza: Macrodurezza e Microdurezza

Prove di MACRODUREZZA: da queste prove si possono ricavare i valori della resistenza a trazione del materiale. Si tratta però di valori non precisi da considerare solamente come indicativi. Si effettuano sul durometro. Prove di MICRODUREZZA: misurano la durezza in punti specifici della microstruttura del materiale (a livello dei cristalli). Microdurometro (microscopio) e carichi da 0,05N a 10N.

• Prova Brinell
• Prova Vickers
• Prova Rockwell

Tipi di prova Rockwell

1. Rockwell A Si cambia il penetratore in funzione della durezza da misurare
2. Rockwell B
3. Rockwell C

• Prova Knoop Durometro - sezione Lampada Regolazione del freno Schermo translucido 8 1 Vite micrometrica Leva di manovra Peso "0" A O Penetratore Portaoggetti 0 Coperchic O T Commutatore carichi Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova Brinell (UNI 560-75)

F D D/2 d/2 1 h d HB 10/3000/15 = 2000 MPa [sfera di 10 mm di diametro, carico 3000 N, tempo 15 s] HB = 5, dove S = TDh h = 2- 2 - 2 1 VD2 - d2 D = diametro della sfera d = diametro dell'impronta h = profondità dell'impronta F = carico applicato S = superficie dell'impronta Questa prova è limitata fino a HB=430 a causa della deformabilità della sfera! Tab. 5.1 - Valori della costante k per alcuni materiali Materiale Costante k [N/ mm2] Leghe di stagno e piombo 1 Leghe di alluminio 5 Leghe di rame 10 Acciai 30 k = 0.102 F D2 Leghe di nichel 30 Leghe di titanio 30 Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova Vickers

a=136°±1' F Penetratore di diamante Vickers L F = S S = d HV = - F S S= f(d,a) Il carico F (10 N< F <1200 N) viene applicato per 15 s. Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova Rockwell B

F Fo F0+ F1 1 1 1 0 r e I p max Prova con la sfera di acciaio F0 = carico iniziale di assestamento 98 N F1 = carico ulteriore per un totale di 981 N I0 = impronta iniziale prodotta dal carico F0 Imax = impronta massima prodotta dal carico F sommato al carico Fo r = risalita elastica Ip = impronta permanente rimasta dopo l'eliminazione del carico ulteriore F1 e = accrescimento rimanente della profondità di penetrazione o profondità dell'impronta permanente rispetto a quella iniziale Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova Rockwell C

F F0 F0+ F1 1 1 0 e I r p Prova con il cono di diamante F0 = carico iniziale di assestamento 98 N F1 = carico ulteriore per un totale di 1470 N (scala C) oppure 490 N (scala A) I0 = impronta iniziale prodotta dal carico F0 Imax = impronta massima prodotta dal carico F sommato al carico Fo r = risalita elastica Ip = impronta permanente rimasta dopo l'eliminazione del carico ulteriore F1 e = accrescimento rimanente della profondità di penetrazione o profondità dell'impronta permanente rispetto a quella iniziale Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli max

Prova Rockwell: Unità di misura

La lettura sul quadrante del durometro si fa con il precarico sempre in atto. I valori della durezza Rockwell si esprimono in unità convenzionali (non hanno unità di misura): HRB = 130 - e HRC = 100 - e e: profondità dell'impronta misurata in cinquecentesimi di mm (in unità pari a 0,002 mm) Il penetratore sferico è una sfera di acciaio di diametro pari a circa 1.5 mm e si usa per materiali teneri (HB<200). Il penetratore conico si usa per materiali molto duri. Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

La Prova Knoop

La prova Knoop e' utilzzata per la valutazione della durezza di superfici molto piccole e per materiali molto duri . Il penetratore ha la forma di una piramide asimmetrica e l'impronta, misurabile con un microscopio, ha la forma di losanga le cui diagonali sono nel rapporto 7:1. Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova di trazione (I)

P R =P(t) / A0 P A0 c La c T L P sforzi Ao R, R R2 deformazioni % Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova di trazione (II)

Elastic Stress Plastic UTS I x Fracture Y 1 1 tan-1 E ->-Offset 0 eo eu 1 ef Strain (for lo = 1) DI 10 > Ao le Uniform elongation lu Original gage length, lo Neck Fracture Total elongation ! Post-uniform elongation Af (a) (b) Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova di trazione (III)

-- - - -- - ba ·p L - - Tipologie di provette cilindriche ed a sezione rettangolare Rappresentazione schematica della macchina per prove di trazione. La macchina lavora in controllo di velocità di spostamento degli afferraggi e non in controllo di carico. N/m 2 Rm R. R. Rp (0.002) carichi unitari |0,002% (di L.) a allungamenti un. Snervamento palese Rm R, (0.2) ·(R.)- Rp (0.002) carichi unitari 0,002 % allungamenti un 0,2% |(di L.) b Snervamento non visibile Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli - - dalla pompa

Curva di trazione e parametri ricavabili

CCurva relativa ad una prova di trazione e parametri da essa ricavabili R=P Ao + Malleabilità Rm Rs(Y) Re Resistenza meccanica Rigidezza Tenacità 0.2% e - Deformazione plastica Duttilità Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Le caratteristiche ricavabili dalla prova di trazione

1. Allungamento: l-lo e = Ho lo
2. Tensione: P R = - Ao
3. Modulo elastico (o di Young) E: costante di proporzionalità tra tensione ed allungamento in campo elastico. E un indice della rigidezza del materiale
4. Carico di snervamento Rs: E il carico corrispondente ad una deformazione permanente pari al 0,2%. Lo si indica anche con Y (yield point). Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Le caratteristiche ricavabili dalla prova di trazione: duttilità e tenacità

1. Allungamento a rottura: definito come lf-lo , misura la duttilità del materiale, cioè la sua capacità di subire grandi deformazioni. lo
2. Tenacità: è l'area sottesa al diagramma tensione allungamento (con le dimensioni di un lavoro per un unità di volume), è un indice della tenacità del materiale cioè dell'energia assorbita per portarlo a rottura.
3. Malleabilità: capacità di subire grandi deformazioni plastiche senza manifestare forti incrudimenti, rilevabile dalla pendenza della prima parte della curva in zona plastica. Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Diagrammi caratteristici di alcune leghe

Acciaio carichi unitari Ottone Rame 1 - allungamento w. carichi unit. 4 -3 2 1 allungamenti un. Rappresentazione della posizione, forma e durata dello snervamento, in acciai ricotti a basso (1), medio (2), alto (3) tenore di carbonio e in un acciaio bonificato (4). Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova di compressione

Materiali deformabili: non si raggiunge rottura per il progressivo aumento di sezione U E R. (0.2 carichi unitari 0,002% accorciamenti un 0,2%| a Materiali fragili R. R. R. ... 2 R. 10.0002) carichi unitari 10.002% 0,2%! accorciamenti un b Comprimere con forza crescente a velocità di spostamento costante. Le provette si accorciano. Acciai: resistenza a compressione ~ resistenza a trazione Ghise: resistenza a compressione >> resistenza a trazione Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Prova di taglio

Tm carico scorrimento Comportamento del materiale alla solleci- tazione di taglio. T P LLL B B A A _ S Dispositivo per la prova di taglio statica. Materiale Resistenza approssimativa a taglio t acciaio ghisa leghe leggere da fonderia leghe leggere da lavorazione plastica t = (0,75 = 0,80) Rm t = 1,1 Rm t = (0,80 = 0,90) R_ t = (0,55 - 0,75) Rm 4 5 RM Ad eccezione delle ghise! Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

Il pendolo di Charpy

p 1 H h p 2 1 S 40 Ah = H - h [mm] W = mg4h [Joule] Resilienza = > =" mgAh [Joule/mm2] Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli

La prova di resilienza

La resilienza è un indice della tenacità del materiale. I materiali ad elevata resilienza presentano elevato allungamento e facile deformabilità. La resilienza è una caratteristica complementare alla resistenza a trazione ed alla penetrazione. 895 Provetta dopo la prova di resilienza Pendolo di Charpy Caratterizzazione meccanica dei materiali Prof. Luca Romoli