Lezione 8 - Materiali

Lezione 8

Materiali

Caratteristiche meccaniche e designazione dei

materiali

Materiali per costruzioni meccaniche:

In generale, i materiali per le costruzioni meccaniche vengono selezionati

in base a caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e

tecnologiche (es. conduttività elettrica e termica, dilatazione termica,

elasticità, fragilità, colabilità, lavorabilità all’utensile, plasticità, saldabilità

etc.).

Tra le principali caratteristiche meccaniche:

carico unitario massimo a trazione;

➔ carico unitario al limite di snervamento;

➔ allungamento percentuale a rottura

➔ durezza

➔ resilienza

➔

Prova di trazione:

Un provino di geometria e dimensioni unificate viene sottoposto ad una

forza di trazione gradatamente crescente. Si ottiene un diagramma forza

F - allungamento Δl.

Distinguiamo i seguenti tratti:

1. OA: tratto elastico lineare (c’è proporzionalità tra forza applicata

e spostamento, e una volta rimossa la forza il provino torna alle sue

dimensioni originarie);

2. AB: tratto elastico non lineare (non c’è proporzionalità tra forza

applicata e spostamento, ma una volta rimossa la forza il provino

torna alle sue dimensioni originarie);

3. BD: tratto plastico, il provino presenta delle deformazioni

permanenti anche una volta che non c’è più applicato alcun carico.

Carichi critici:

Si evidenziano i seguenti valori critici della forza applicata, misurati in N:

F : carico di snervamento (due distinti, superiore F e inferiore F ,

➔ e eH eL

per materiali ferrosi, come gli acciai con basso tenore di carbonio);

F : carico di rottura (o massimo);

➔ m

F : carico ultimo;

➔ u

F : carico di scostamento dalla proporzionalità in corrispondenza

➔ p0.2

del quale si manifesta una deformazione residua pari allo 0.2% della

lunghezza iniziale del provino.

Detta S l’area della sezione iniziale del provino (prima dell’applicazione

0

del carico); si definiscono i corrispondenti carichi unitari R (tensioni σ),

misurati in N/mm :

2

Carico unitario di rottura R = σ = F / S ;

➔ m m m 0

… (tutti gli R corrispondenti agli F riportati sopra, cambiando pedice)

➔

Allungamento percentuale dopo rottura:

Si definisce allungamento percentuale dopo

rottura A (deformazione ultima ε ), espresso in

u

%: A = ε = 100(L - L )/L

u u 0 0

È il rapporto tra l’allungamento dopo rottura e la

lunghezza iniziale.

Tale valore è tanto più elevato quanto più il

materiale è duttile.

Resilienza:

È la capacità di un materiale di resistere a sollecitazioni dinamiche (urti).

Le prove di impatto permettono di ricavare la resilienza (energia assorbita

in frattura per impatto) di un materiale.

La tenacità è invece l’energia necessaria per la frattura di un materiale

sotto un carico statico, ed è rappresentata dall’area sottesa alla curva

reale tensione-deformazione della prova di trazione.

La prova di resilienza consiste nel rompere con un solo colpo, con una

mazza a caduta pendolare (pendolo di Charpy), una provetta intagliata

nella sua metà e poggiante su due sostegni.

La resilienza è data dal rapporto fra lavoro di rottura in J e sezione della

provetta in mm (K, KCU); dal valore dell’energia assorbita in J(KV).

2

Durezza:

È la resistenza che un materiale oppone alla penetrazione da parte di un

penetratore standard (proprietà convenzionale).

Durezza Brinell HB: il penetratore è una sfera in acciaio temprato

➔ (per durezze HB non maggiori di 450); si misura il diametro

dell’impronta

Durezza Vickers HV: il penetratore è un diamante a forma di

➔ piramide retta a base quadrata; si misura la diagonale dell’impronta

Durezza Rockwell HRB, HRC: il penetratore è una sfera in acciaio

➔ temprato (B) o diamante a forma di cono (C); si misura la

profondità di penetrazione

Sommario caratteristiche meccaniche principali:

R Carico unitario di snervamento minimo dell’acciaio.

➔ eH

Fintanto che le tensioni di servizio non superano questo valore,

l’elemento sollecitato dall’azione ritorna allo stato iniziale al cessare

dell’azione stessa. R è un dato fondamentale nei calcoli di

eH

resistenza dei materiali. Per alcuni acciai (es. ad alto tenore di C) la

soglia di limite elastico non è sempre marcata, si definiscono allora

dei limiti convenzionali dove si valuta un allungamento permanente

debole ma misurabile con precisione come lo 0,2%. Questo valore è

indicato con R p.0,2

R Resistenza a trazione (rottura). Questo dato non interviene

➔ m

direttamente nei calcoli di resistenza dei materiali da costruzione

metallica. Questa caratteristica è presa in conto, in particolare, per

determinare la resistenza a fatica degli elementi metallici sottoposti

a carichi ciclici.

A Allungamento percentuale a rottura dell’acciaio. Questo

➔ dato caratterizza in parte la capacità di deformazione dell’acciaio.

Nel caso di superamento accidentale del limite elastico

l’allungamento può apparire come una riserva di sicurezza che può

evitare il crollo dell’opera.

E Modulo di elasticità (Modulo di Young). È il coefficiente di

➔ proporzionalità tra le tensioni e le deformazioni (o

carico-allungamento) in campo elastico. È un dato costante per tutti

gli acciai: E = 210 000 N/mm . Lo stesso valore può essere usato

2

per la maggior parte degli acciai inossidabili. Ha una incidenza

diretta sulla freccia degli elementi sollecitati a flessione.

KV Energia di rottura o resilienza. L’energia di rottura è

➔ misurata con prove di impatto su una provetta con intaglio a V,

prelevata nel senso lungo di laminazione del prodotto da

controllare.

HB Durezza: È direttamente proporzionale a R .

➔ m

Acciai:

Gli acciai sono leghe composte principalmente da ferro e carbonio,

quest’ultimo in percentuale non superiore al 2%; oltre tale limite, le

proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di

ghisa:

L’acciaio è considerato acciaio legato quando contiene almeno un

elemento di lega in una percentuale superiore al limite corrispondente in

tabella.

Proprietà degli acciai:

Comunemente essi presentano:

BUONA RESISTENZA MECCANICA;

➔ BUON ALLUNGAMENTO;

➔ BUONA RESILIENZA;

➔ BUONA SALDABILITÀ;

➔ BUONA PLASTICITÀ A CALDO (PER GLI ACCIAI DOLCI ANCHE A

➔ FREDDO);

SCARSA FUSIBILITÀ E COLABILITÀ

➔

Occorre notare che le proprietà di un acciaio dipendono da molti fattori

quali percentuale di carbonio, trattamenti termici, altri elementi di lega.

In pratica si fabbricano numerosi tipi di acciai, ognuno adatto per un

particolare scopo (acciaio inox, acciaio per molle, acciaio per utensili,

acciaio per cuscinetti, ecc.).

Influenza del tenore di carbonio sulle proprietà degli acciai:

Ecco in sintesi come variano le proprietà degli acciai all’aumentare della

percentuale di carbonio:

Diminuiscono:

L’ALLUNGAMENTO

➔ LA RESILIENZA

➔ LA PLASTICITÀ A FREDDO

➔ LA SALDABILITÀ

➔

Aumentano:

LA RESISTENZA MECCANICA

➔ LA DUREZZA

➔ LA TEMPRABILITÀ

➔ LA FUSIBILITÀ

➔ LA RESISTENZA ALL’USURA

➔

Influenza degli elementi leganti sulle proprietà degli acciai:

Trattamenti termici:

I trattamenti termici consistono nel sottoporre il materiale, allo stato

solido, ad uno o più cicli termici (riscaldamento e raffreddamento), allo

scopo di modificarne la struttura e quindi le proprietà meccaniche e

tecnologiche.

I principali trattamenti termici sono:

Ricottura: Viene eseguita dopo la fusione o la fucinatura e prima

➔ delle lavorazioni alle macchine utensili. Consiste in riscaldamento a

temperatura elevata e successivo raffreddamento lento (aria).

Migliora la lavorabilità del materiale.

Tempra: Consiste in riscaldamento a temperature di 800-900°C e

➔ successivo raffreddamento rapido (in acqua od olio). Migliora la

resistenza e la durezza, ma rende il materiale più fragile.

Rinvenimento: Viene eseguito immediatamente dopo la tempra,

➔ per ridurre gli effetti negativi di questa. Consiste in un

riscaldamento a temperature di 500-600°C e successivo

raffreddamento lento.

Bonifica: Tempra seguita da rinvenimento.

➔ Distensione: Consiste in un riscaldamento a temperatura non

➔ superiore a 200°C e successivo raffreddamento lento per evitare

tensioni interne dovute agli eventuali altri trattamenti precedenti.

Trattamenti termochimici di arricchimento superficiale: Si

➔ eseguono a determinate temperature in