Tecnologia meccanica e dei materiali

La scelta dei materiali

• Materiali ferrosi
• Materiali non ferrosi e leghe
• Materiali polimerici
• Ceramici
• Compositi
• Nanomateriali, semiconduttori ecc.

Criteri di scelta del materiale

• Proprietà Meccaniche (resistenza, rigidità, resilienza)
• Proprietà Fisiche (conducibilità elettrica, termica, densità)
• Proprietà Chimiche (ossidazione, corrosione ecc.)
• Proprietà Tecnologiche (facilità con la quale i materiali possono essere lavorati con processi produttivi, colabilità, saldabilità)
• Costo e disponibilità
• Durata e riciclaggio

Legami atomici e struttura dei materiali

• Ionico
• Covalente
• Metallico

Caratteristiche dei legami → intensità (forza), direzionalità, elettronegatività.

Reticoli cristallini

Per struttura cristallina si intende una disposizione ordinata di atomi nello spazio secondo leggi di regolarità geometrica, ovvero una ripetizione di unità strutturali tridimensionali identiche, denominate ''celle elementari''.

• Cubica a corpo centrato (CCC) (ferro al di sotto di 911° e al di sopra di 1392°)
  L'atomo centrale è circondato da 8 atomi (numero coordinazione=8). Per ogni cella elementare concorrono 1 atomo al centro più 8*1/8=1 di atomi collocati su ognuno degli otto vertici della cella per un totale di 2 atomi per cella elementare. FCA=68%.
• Cubico a facce centrate (CFC) (alluminio, rame, nichel ecc.)
  Se ci si pone come osservatore sull'atomo al centro della faccia di separazione delle due celle, si possono osservare 4 atomi ai vertici della stessa faccia e, per ciascuna delle due celle prese in considerazione, 4 atomi al centro delle facce ortogonali a quella su cui c'è l'atomo di riferimento (NC=12). Per ogni cella elementare concorrono 8*1/8=1 di atomi collocati su ognuno degli otto vertici della cella più 6*1/2 di atomi al centro delle sei facce del cubo per un totale di 4 atomi per cella elementare. FCA=74%.
• Reticolo esagonale compatto (EC) (magnesio, zinco, titanio)
  Se si suppone di porsi sull'atomo al centro di una delle basi esagonali si possono osservare in adiacenza 6 atomi che sono disposti sullo stesso piano di base, 3 atomi che appartengono al piano intermedio e altri 3 simmetrici dei precedenti che appartengono alla cella adiacente. NC=12. La cella elementare è costituita da un numero di atomi pari a 3 (atomi nel piano intermedio) più 12*1/6 (atomi sui piani inferiori e superiori della cella) più 2*1/2 (atomi al centro del piano superiore e di quello inferiore) AE=6.

Allotropia

Attraverso trattamenti termici i reticoli cambiano forma.

Difetti reticolari

Nella realtà la struttura differisce da quella ideale per la presenza di difetti reticolari che influenzano proprietà fisiche e meccaniche e di conseguenza anche le proprietà meccaniche.

• Difetti puntuali
  • Mancanza di un atomo in un sito del reticolo (vacanze). Se la T aumenta, gli atomi, oscillando sempre di più fanno spostare le vacanze e causano ad esempio diffusione (passaggio di materia all'interno della stessa a causa dello spostamento delle vacanze).
  • Atomo extra collocato in un interstizio fra atomi (interstiziali).
  • Atomo estraneo che si trova al posto di un altro atomo nella struttura (impurezza sostituzionale).
• Difetti di linea
  • Dislocazioni = Semipiano extra di atomi che si inserisce all'interno del reticolo (consente di ottenere una deformazione plastica con un valore più basso del carico applicato rispetto a quello che dovrei applicare).
  • Ad elica = Piano del cristallo che si muove.
• Difetti di superficie
  • Anomalia nell'ordine di sovrapposizione dei piani atomici.

Bordi dei grani

Ai bordi dei grani gli atomi in questa zona sono in condizioni che non sono dettate dalla struttura cristallina cioè c'è la presenza di un’anomalia nell’orientazione. I bordi dei grani sono quelle imperfezioni di superficie che separano cristalli di differente orientazione.

Effetto delle dislocazioni

La presenza della dislocazione abbassa la tensione critica di taglio per avere scorrimento ma possono:

• Interferire tra di loro → Quando la dislocazione incontra le altre se ne generano ulteriori fino a quando la zona si satura di dislocazioni e il materiale invece di continuare a deformarsi, si rompe.
• Interferire con i bordi dei grani cioè essere impedite nel movimento da barriere quali bordi dei grani → Aumenta la tensione necessaria per lo scorrimento e quindi l’aumento della resistenza stessa del metallo: incrudimento, cioè un aumento di resistenza del metallo nelle lavorazioni per deformazione plastica a T ambiente.
• Interferire con i difetti puntuali → Quando la dislocazione incontra il difetto, si piega (aumenta la lunghezza e quindi sposta più atomi e quindi aumenta la F necessaria) e scavalca il difetto richiedendo ulteriore energia.

Le dislocazioni inoltre aumentano all’aumentare della deformazione e vengono riassorbite quando la T aumenta ma in un certo lasso di tempo variabile.

Effetto della deformazione a freddo sulle caratteristiche meccaniche

Effetto della temperatura sulla deformazione

Se la T diminuisce, le forze di legame aumentano perché gli atomi oscilleranno di meno ed aumenta il modulo elastico E (legato alla forza di legame). Se la T aumenta il carico di snervamento (indica l’inizio della def. plastica) e il carico di rottura diminuiscono ma l’allungamento aumenta perché si annulla l’effetto dell’incrudimento in quanto la T (2/3 della T di fusione) smonta le dislocazioni e la curva sigma-epsilon dopo aver superato il carico di rottura diventa piatta.

Effetto della velocità

Se la deformazione è veloce, non riesco a rompere tutte le dislocazioni in tempo ma il carico di snervamento diminuisce e la curva sigma-epsilon trasla verso il basso.

Effetto di atomi estranei

Stesso effetto delle dislocazioni. Più atomi estranei ci sono maggiore è il carico di snervamento e maggiore è quello di rottura ma poiché tendono ad intervenire prima i fenomeni simili alle dislocazioni, l’allungamento diminuisce.

Prove sui materiali

Le prove sui materiali hanno lo scopo di determinarne le caratteristiche onde verificare la loro conformità all’impiego cui sono destinati.

• Meccaniche
• Tecnologiche
• Fisico-Chimiche

Prove meccaniche

Le proprietà meccaniche sono le proprietà che i materiali manifestano se sottoposti ad un sistema di forze statiche o dinamiche.

• Statiche → Il carico viene incrementato lentamente o mantenuto costante
  
  • Trazione
  • Compressione
  • Flessione
  • Torsione
  • Durezza
  • Meccanica della frattura
  • Creep
• Dinamiche → Il carico viene incrementato con notevole velocità (resilienza)
• Di Fatica → Il carico varia periodicamente in grandezza e a volte in direzione anche

Prova di trazione monoassiale

È una prova meccanica distruttiva che consiste nel sottoporre una provetta a uno sforzo di trazione fino alla rottura del provino stesso allo scopo di determinare una o più caratteristiche meccaniche del materiale tramite l’estensimetro. La rottura avviene in condizioni quasi statiche, in quanto il carico viene applicato lentamente e a T ambiente.

Dimensione e forma delle provette (ad osso di cane)

Le provette si dicono proporzionali se: L = 1/2.0 0 troppo piccolo. S 0 è la lunghezza del tratto utile di misura (almeno 15mm) e L è la lunghezza del tratto a sez. costante

• Sezione Circolare (nel caso di fili, barre e profilati con spessore >= 4mm)
  L = 5 * D se K=5,65 se lo Spessore è > 1mm
• Sezione Rettangolare (nel caso di lamiere e prodotti piani con spessore > 3mm o fili con spessore >4)
  A = spessore della provetta 0 = Larghezza B 0 L = 5,64* S 00.50

La prova

Uso di una macchina universale impiegata anche per prove di compressione, di flessione ecc. F = Carico al limite di proporzionalità (fino a questo valore non si ottiene nessuna deformazione permanente e vale la legge di Hooke) F = Carico al limite di snervamento inferiore (valore minimo prima dell’aumento regolare della forza)

• Carico al limite di snervamento superiore (carico al cui raggiungimento le deformazioni diventano permanenti). Se alla prova si sottopone un provino brunito superato questo valore compariranno le linee di Hartmann)
• Carico max sopportato dalla provetta (dopo il raggiungimento del carico massimo vi è una diminuzione del carico imputabile alla strizione)
• Carico ultimo (carico dopo il quale vi è rottura)
• Carico di scostamento dalla proporzionalità F per un allungamento percentuale di 0.1%, traccio una parallela al tratto lineare che parte da 0.1 e intercetta la curva, quindi da questo punto traccio la parallela all’asse x e trovo sull’asse y il valore F p0.1

Carichi unitari e valori caratteristici

Si definisce carico unitario R il rapporto fra il carico applicato e la sezione iniziale del provino R= F / S 0

• Carico unitario di snervamento superiore = F /SeH eH 0 (Mi determina l’entrata in plasticizzazione del materiale. Le oscillazioni superato questo valore dipendono dalle contrazioni elementari interne del materiale generalmente più evidenti su metalli a basse % di C)
• Carico unitario di snervamento inferiore = F /SeL eL 0
• Resistenza a trazione = F /SM M 0 (Carico unitario a rottura)
• Pendenza del tratto lineare di proporzionalità= E*100e
• Strizione % -S )/S )*100 dove S è il valore= Z = ((S 0 u 0 u della sezione minima misurato dopo rottura
• Allungamento % dopo rottura = A = ((L -L )/L ) * 100 dove L è la lunghezza del tratto utile u 0 0 u dopo la rottura, misurato facendo combaciare i due spezzoni della provetta. E’ inoltre ricavabile andando a tirare dal punto del carico di rottura una parallela al tratto iniziale verso il basso e il mio punto di incontro con l’asse delle x è il mio allungamento dopo rottura

Misura dell’allungamento percentuale dopo rottura basato sulla suddivisione della lunghezza iniziale tra i riferimenti

Lezione 4/5 Prova di durezza

Mediante le prove di durezza si determina la resistenza opposta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro materiale (penetratore).

Le prove di durezza si dividono in

• Durezza Brinell
• Durezza Vickers
• Microdurezza
• Durezza Rockwell
• Durezza per Confronto (POLDI)

Regole generali

• Raggio di curvatura della superficie in prova >= 25mm
• Distanza tra il centro dell’impronta e il bordo preferibilmente 3*d e tra due centri di impronte adiacenti preferibilmente 4*d
• Carico applicato lentamente e in direzione ortogonale alla superficie

Prova Brinell

La prova di durezza Brinell, si esegue applicando un carico sul provino, mediante un opportuno penetratore, e misurando la superficie dell’impronta lasciata sullo stesso. Lo spessore della superficie del materiale penetrato deve essere almeno 8 volte la profondità h dell’impronta per evitare che nessuna deformazione possa essere visibile sulla faccia opposta.

Tipo di penetratore: SFERA

• Carico espresso in newton → F=(K*D²)/0.102 dove K = 0.102*(F/D²)
• D = il diametro del penetratore
• d = Diametro dell’impronta
• h = profondità dell’impronta
• S = Superficie Sfera
• Legame tra durezza e resistenza a trazione → = 3.5 * HB (Kp/mm²)

Durezza Poldi

Utile per effettuare prove di durezza su strutture già in opera, per cui, non è possibile prelevare un campione rappresentativo senza compromettere la funzionalità del manufatto. Il penetratore è una sfera di acciaio di diametro D. e con B la barretta.

È indicato con A il materiale di cui si vuole determinare la durezza HBx campione di riferimento avente durezza nota HB0.

Modalità

Pongo l’apparecchio B con il suo asse perpendicolare alla superficie del materiale A e dò un energico colpo con il martello sulla barretta B. Il penetratore lascerà sul pezzo da controllare un’impronta di superficie S e sulla barretta campione un’impronta di superficie S0.

Secondo Brinell la durezza dei due materiali è:

• HBx = 0.102 * (F/Sx)
• HB0 = 0.102 * (F/S0)

Ovvero indicando con dx il diametro dell’impronta lasciata sul materiale da testare e con d0 il diametro dell’impronta lasciata sul materiale campione:

• HBx = 0.102* (2F) / (*D*(D-√(D²-d²x)))
• HB0 = 0.102* (2F) / (*D*(D-√(D²-d²0)))

Per cui:

• HBx/HB0 = (D-√(D²-d²x)) / (D-√(D²-d²0))

Prova Vickers

Si esegue applicando un carico sul provino mediante un opportuno penetratore, e misurando la superficie dell’impronta lasciata sullo stesso. Tipo di penetratore = Diamante a forma di piramide retta a base quadrata con un angolo diedro di 136°.

L’esecuzione è identica a quella della prova Brinell. I carichi variano da 1,961 N a un massimo di 980,7 N.

• HV= 0,1891 * (F/d²) dove d è la diagonale di base della piramide

Prova Rockwell C

Si esegue sottoponendo il materiale ad un carico in due tempi mediante un penetratore. Si misura l’aumento residuo della profondità dell’impronta sotto il carico iniziale (precarico) F₀ dopo l’eliminazione del carico aggiuntivo F₁. In questo modo si tiene conto del ritorno elastico del materiale.

Tipo di penetratore = Cono di diamante con angolo ε = 120° raggio di curvatura della punta di 0.2mm.

Applico il carico F₀ = 98,07 N, azzero l’indicatore di profondità e successivamente applico il carico F₁ = 1373 N. Carico tot = 1471N. Trascorsi circa 4 secondi si toglie il solo carico addizionale e si misura sull’indicatore la profondità h di penetrazione usando come S=0.002 e mantenendo il carico F₀. HRC = 100 - (h/0.002).

Lo spessore della provetta deve essere almeno 10*h e la distanza tra due impronta almeno 2mm.

I 3 stadi del creep

Prove di creep

Sono prove a carico costante, generalmente svolte ad un’alta temperatura. CREEP significa scorrimento viscoso. Si basano sul principio secondo il quale l’applicazione di un carico per tempi lunghi e a T elevate, produce allungamento del materiale nonostante il carico sia inferiore al carico di snervamento.

Consiste nel sottoporre il provino a una sollecitazione costante di trazione a una determinata T e nel misurare conseguentemente nel tempo.

Il piombo ad esempio se sottoposto a carico costante nel tempo a T ambiente subisce scorrimento viscoso. La velocità di creep → È il coefficiente angolare del tratto rettilineo che congiunge lo stato 1 con il 3.

Effetto della T → Maggiore è la T, maggiore è la velocità di creep. Effetto dell’aumento del carico a T costante → Ho una traslazione sull’asse y della curva ma nessuna variazione della velocità. Il componente si romperà prima. Le velocità di creep si possono prevedere in funzione di 1/T.

T elevata → 1/T basso (sull’asse x ho 1/T e sull’asse y la velocità di creep) → velocità più vicina all’origine degli assi.

Lezione 6 Prove dinamiche

• Prove di resilienza
• Prove di fatica
• Prove di impatto

Prove di resilienza

Il pendolo di Charpy

La prova consiste nel rompere, con un solo colpo, una provetta intagliata nella mezzeria e poggiata su due sostegni. L’energia assorbita (espressa in joule) rappresenta la resistenza agli urti del materiale ovvero la resilienza (opposto della fragilità) cioè l’attitudine del materiale ad assorbire energia in campo plastico. Un materiale è più resiliente quanto più è elevato il carico unitario al limite elastico e quanto più è basso il modulo di Young.

Caratteristiche delle provette

• Lunghezza 55mm
• Sezione quadrata di lato 10mm

Tipi di provetta

• Apertura di 45°
• Profondità 2mm
• Intaglio a U - Raccordato sul fondo con r=0.25mm - Profondo 5mm
• Intaglio a V - Raggio del fondointaglio 1mm

Indico con A la mazza girevole in O, con M il coltello, con B la provetta, con C il quadrante su cui una coppia di indici (uno solidale con A e uno folle) segnano la posizione angolare di A o l’energia posseduta dal pendolo.

Esecuzione della prova

Si porta il pendolo ad un’altezza H e si fissa il pendolo a un fermo. Si posiziona la provetta sugli appositi appoggi facendo in modo che la faccia intagliata sia rivolta opposta alla faccia su cui batte il pendolo. Si lascia cadere il pendolo che romperà la provetta e raggiunta l’altezza h continuerà ad oscillare per poi fermarsi.

K_p = m*g*H L’energia del pendolo disponibile all’altezza H è →

K_f = m*g*h L’energia del pendolo che risale fino a h è →

K = K_p - K_f = m*g*(H-h) Quindi il lavoro di deformazione e rottura della provetta è dato da K.