Appunti materiali metallici

MATERIALI METALLICI A. FABRIZI

Esercizio prova di trazione, materozza o diffusione

Proprietà meccaniche: la prova di trazione

Le prove meccaniche

I componenti presentano un comportamento meccanico diverso a seconda del tipo di materiale, tipo di sollecitazione,

geometria del componente (forma e dimensioni), condizioni fisiche e chimiche (temperatura, ambiente e, velocità di

applicazione).

Sono 3 i tipi di sollecitazione:

Di tipo statico se la nostra sollecitazione non varia nel tempo, un peso che oppone sempre la stessa forza al

nostro campione.

Di tipo dinamico se la nostra sollecitazione varia nel tempo, se noi facciamo variare la forza nel tempo

durante la nostra sollecitazione.

Di tipo termico se la nostra sollecitazione è data da una variazione di temperatura nel tempo.

Per valutare la resistenza dei materiali metallici sottoposti ad uno stato di sforzo vengono eseguite delle misure

sperimentali atte a definire le proprietà meccaniche dei materiali metallici stessi. Tali misure costituiscono due

fondamentali categorie di prove: la specifica lavorazione

(piegatura prova di imbutitura ecc.)

Le prove meccaniche le cui condizioni sono le più svariate, ci servono dei test che vanno a verificare il

comportamento meccanico. Da queste prove possiamo ottenere delle informazioni importanti come quanto

resiste il nostro materiale (la sua resistenza meccanica) come la prova di trazione, compressione, flessione,

taglio e torsione.

Le prove meccaniche devono seguire delle procedure per questo si dicono standardizzate con delle normative a

riguardo. Danno informazioni intrinseche rispetto alla prova, caratteristico del materiale metallico indipendenti dalla

geometria e constanti a parità di condizioni fisiche e chimiche. Vengono eseguite sui materiali dopo il ciclo di

fabbricazione per verificare che le proprietà del materiale siano quelle prescritte entro i limiti di accettabilità dalle

norme unificate. 1

Deformazione elastica

(quando applico il carico) e la lunghezza iniziale (in condizioni stabili prima di aver applicato il carico). Con il carico

deformiamo il nostro campione cambiandone la geometria, in questo caso appena rilasciata la forza il provino torna

nelle condizioni iniziali.

Rilasciando il carico (supposto che questo non sia eccessivo) torniamo alla condizione iniziale, questa caratteristica è

detta elasticità del mate

iniziali. Forza ed allungamento possono essere sia proporzionali tra di loro quindi lineari, oppure non proporzionali

quindi non lineari (quando noi andiamo a deformare il materiale poi torna allo stato iniziale per reversibilità in modo

differente).

Deformazione plastica

(quando applico il carico) e la lunghezza iniziale (in condizioni stabili prima di aver applicato il carico). Con il carico

deformiamo

superiore alla deformazione elastica. Rilasciata la forza notiamo che il provino rimane deformato in modo permanente

(irreversibile) superando la zona di elasticità plasticizzando il materiale deformando la forma, l

permanente poi quando andiamo a rimuovere la nostra forza.

Gli atomi che appartengono ai piani tendono a scorrere tra di loro, questi piani sono inclinati e scorrono con una certa

inclinazione e ripristinano con una nuova configurazione i piani che avevano precedentemente. Questo ripristino però

non è totale infatti la parte elastica viene ripristinata mentre la parte plastica non viene ripristinata.

re il tratto lineare per un certo valore di F, il punto massimo di ha un certo valore

di carico il quale mi dà un certo allungamento. Notiamo che lasciando il peso abbiamo un certo recupero dato dalla

caratteristica elastica del materiale ma notiamo che da 2

Tensione di trazione È la forza applicata diviso la sezione iniziale sul quale viene applicata la forza. Si svincola

dalle proprietà geometriche del materiale, infatti facendo una prova meccanica di

deformazione con lo stesso materiale con grandezze diverse troveremo la stessa tensione

di trazione.

Utilizzando due forze in direzione opposta tra di loro, non perpendicolari alla superfice

ma sono sullo stesso asse paralleli tra di loro con direzioni opposte. Scomponendoli in

due forze (forza di taglio e di trazione). Otteniamo sempre le condizioni intrinseche del

materiale.

Esercizio

Tensione: 800 Mpa acciaio, 300 Mpa alluminio. Due cavi a sezione circolare con questi due materiali e devono

sostenere 100kg. Quanto deve essere il diametro di questi cavi.

Deformazione di trazione

Deformazione laterale Può verificarsi un restringimento della sezione, tenendo conto della variazione

della sezione. È negativa perché la sezione finale è minore di quella inziale

dato dal restringimento.

Deformazione di taglio 3

Tipologia dei campioni

I provini possono essere di vari materiali diversi. Hanno la forma detta ad osso di cane, il provino ha una sezione

constante per un certo tratto detto L0, perché la prova sia valida la rottura del provino deve avvenire in L0. La sezione

ggi). Bisogna

realizzare i provini con delle normative: provino normale lungo e corto.

La prova di trazione si fa con una macchina di trazione: la macchina afferra il provino con le due ganasce vincolate con

rimane ferma) e iniziano a tirare. È una prova statica, la traversa deve

muoversi molto lentamente, do al mio campione il tempo di adeguarsi alla forza.

Modalità della prova di trazione

Viene rappresentata la prova di trazione con una macchina di trazione il provino che viene agganciato con delle

ganasce della macchina di trazione nella zona degli afferraggi, una di questa si muove la quale si impone un

movimento. Questi spostamenti saranno minimi e costanti nel tempo per questo è detta statica, la deformazione

-assiale. La macchina è dotata di un sensore che è capace di registrare

la forza che il provino oppone a questo spostamento della traversa. 4

Cosa succede al provino

Ad inizio prova come è possibile intuire non varia nulla. Quando inizieremo la prova ad un certo istante t1 si avrà un

a dal materiale e la sua

sezione A0 possiamo risalire alla tensione applicata:

Inoltre,

del provino: L0

- o nominale -

la deformazione del nostro provino.

La curva tipica dei materiali metallici è quella in figura contraddistinto da tre zone principali:

Il tratto 0A: tratto elastico lineare

Il tratto AR: tratto elastoplastico. Campo elastoplastico, il campione si deforma con una deformazione

permanente irreversibile quindi elastica, non tornerà alla lunghezza inziale. Il punto A che fa da confine al

snervamento. Da questo punto il materiale si comporterà in modo plastico. Da A a R il provino si deforma in

modo uniforme, R è definito come tensione di rottura non perché si rompe il provino ma perché è il valore

massimo di tensione che arriva il provino.

Il tratto RF: dove F è il punto di rottura del provino, si manifesta una deformazione plastica localizzata, si ha

un restringimento nella zona centrale del tratto utile, questo prende nome di strizione. Il punto F si chiama 5

Nel dettaglio il tratto lineare elastico

Il primo tratto 0A detto appunto lineare elastico è il tratto in cui la tensione del materiale cresce linearmente con la

deformazione prodotta considerando la geometria del provino nel primo grafico mentre se considero la tensione

notiamo che la pendenza rimane la stessa, detta modulo elastico (E) che è un indice di rigidezza del provino nel campo

elastico.

Proprietà lineari elastiche

Il modulo di elasticità E di Young è un indice di quanto è rigido un materiale in campo elastico. Chiaramente avremo

sia una variazione di sezione del provino che di lunghezza dello stesso. Possiamo quindi definire il coefficiente di

Poisson che è dato da - se ai materiali. È ovvio

perché se deformo a lungo il materiale se allungo il provino si restringerà la sezione.

Modulo di Young- confronti

Il modulo elastico tiene conto del legame degli atomi e quindi effettivamente è legato al tipo di legame chimico che

sussiste tra i vari atomi. Se i legami sono piuttosto forti si dovrà fornire molta energia questi legami. Quindi il tipo di

legame tra gli atomi mi dirà quanto è rigido il materiale e quanto energia è necessaria per rompere questi legami. 6

Tensione di snervamento (YS)

Generalmente prendendo tutte le casistiche sui materiali metallici abbiamo tre tipologie:

Il caso A: si verifica per gli acciai a medio tenore di carbonio. Questa curva ha il passaggio dal tratto dal campo

elastico lineare ed elastoplastico in modo brusco si vede un punto angoloso, un passaggio netto ed è molto

semplice da identificare.

Il caso B: si ha un punto massimo con un piccolo decadimento della tensione per avere una sorta di

andamento oscillatoria e poi la curva riprende il suo andamento. Si possono identificare due tensioni di

snervamento una superiore e una inferiore.

Il caso C: non è così evidente dalla curva il punto di passaggio da campo elastico a campo elastoplastico non si

percepisce. Per andare a determinare lo snervamento del mio materiale devo usare una normativa in modo

da uniformare il metodo per trovare la tensione di snervamento.

snervamento e da questo punto tracciamo una retta parallela al tratto elastico che intercettare la curva in un punto.

0,002 corrisponderà lo 0,2% della deformazione.

Questo valore viene preso perché è abbastanza piccola come deformazione quindi potremmo dire che ancora il -

ingegneristica.

Tensione di rottura (TS)

Registriamo ora una deformazione uniforme fino al punto massimo M chiamata tensione di rottura dove si ha il punto

di massima tensione, la rottura reale si avrà nel punto F tensione alla rottura. Dal punto M si avrà una strizione e il

provino avrà una forma a clessidra. 7

Tenacità volume di materiale, tiene non solo di quanto si

allunga ma anche di quanto resiste il provino. Si

percentuale). Un materiale tenace non è detto che

sia duttile (curva rosa materiale duttile). Un

materiale fragile è poco tenace valido per i materiali

ceramici e alcuni materiali metallici.

Formule importanti

Elasticità

Come unità di

tratto elastico fino alla tensione di snervamento (il tratto poco dopo il tratto elastico).

molto tenace. Considerando invece la elasticità considerando

Proprietà meccaniche rispetto alla temperatura

Scaldando il materiale è più facile deformarlo, si abbassano sia la tensione di snervamento e

di rottura. 8

Tensione e deformazioni reali

- tenendo fissa la sezione

resistente del provino iniziale.

In realtà invece le sezioni istante per istante la sezione resistente tende a ridursi quindi misurando la sezione istante

-

onto del tratto utile istante per istante ed è ottenuta dalla formula ln(L/L0).

Rafforzamento

Il materiale mentre lo sto deformando la sua tensione aumenta, per deformarlo ulteriormente bisogna utilizzare più

tensione. Il materiale con la deformazione si sta rafforzando, per ripristinarlo per esempio servirà più forza: questo

fenomeno si chiama incrudimento.

-

c: coefficiente di resistenza, n: è la pendenza della curva nel tratto elastico della curva reale.

-ricarico), quella più pendente ha una

9

Modalità di frattura

Da come si rompe il materiale possiamo ottenere delle informazioni, le rotture possono essere di due tipologie.

Rottura fragile: fenomeno per cui applicando tensione si ha una rottura di schianto istantanea che corre su tutto il

provino. Generalmente le superfici sono lucenti perché rompendosi accade un fenomeno per clivaggio lungo i piani

cristallini del materiale Rottura duttile: fenomeno per cui applicando tensione si ha una

rottura più lenta. Le superfici di rottura sono spugnose, più

scura e irregolare perché dopo il punto massimo si ha una

strizione localizzata del provino. Nel materiale si creano dei

vuoti, che si uniscono tra di loro e rimane poco materiale nella

sezione resistente che aumenta. In questa sezione alla fine si

avranno delle creste e una superficie spugnosa. Si formano dei

vuoti perché nel materiale possono esserci dei difetti,

eriale con queste imperfezioni può essere

non così efficiente.

Le proprietà meccaniche: La prova di durezza

Prove di durezza

La durezza di un materiale è generalmente definita come resistenza che esso oppone alla penetrazione di un altro

corpo di durezza maggiore (penetratore) e di definita geometria, al quale è applicato lentamente un determinato

carico nella direzione perpendicolare alla superficie da esaminare in condizione quasi statico. Bisogna seguire delle

normative da seguire per seguire queste prove.

Durezza: concetto tecnologico

Il penetratore entra dentro il nostro materiale, questo risponde alla sollecitazione, andremo a misurare quanto dura il

i impronta 10

Durezza brinell

Come penetratore utilizziamo una sfera, sul quale applichiamo carichi che vanno da 1 a 3000 kg di dimensione diversa

in base al materiale che si sta testando. Si preme la sfera sulla superficie lasciando una calotta sulla superficie del

formula

della durezza brinell il 3 è una costante adimensionale. Se aumenta la durezza aumenta anche la tensione di rottura e

snervamento, però la duttilità cala. La durezza va espressa senza alcun numero dopo la virgola. Per fare la prova si

utilizza un macchinario chiamato durometro. Il valore si esprime con i pedici di valori dei diametri della sfera che

abbiamo utilizzato (10) applicando un carico di 500kg e 30 i secondi in cui ho lasciato il penetratore sulla superficie.

Durezza vickers

Si cambia penetratore, si utilizza per acciai molto duri. Il penetratore è composto da diamante ed è di forma

piramidale a base quadrata con angolo al vertice di 136°, la traccia sarà un quadrato sul materiale. Il calcolo della

durezza si farà sempre con la superficie e la forza del carico. Nella durezza vickers si specifica invece non si specifica il

diametro ma solo il carico e il tempo. 11

Durezza Rockwell

scala carichi diversi e penetratori differenti. Scala Rockwell B: utilizzano una sfera di acciaio temprato con durezza non

inferiore a 860 HV e diametri 1/16; 1/8, 1/4, 1/2 pollici. Si applica un carico di

100kg

Scala Rockwell C: utilizzano un cono di diamante come penetratore (Brale)

con angolo al vertice di 120° e raggio di raccordo di 0,2 mm. Si applica un

carico di 150 kg

Scala Rockwell A: utilizzano un cono di diamante come penetratore (Brale)

con angolo al vertice di 120° e raggio di raccordo di 0,2 mm. Si applica un

carico di 60kg

Per tutte e tre le prove si applica un precarico fisso per tutte e tre le scale di 10 kg, raggiungendo una certa profondità

detta I0. Ora applichiamo il carico pari a 140 kg se siamo con la Rockwell C e il penetratore scende ancora ad una

quota pari a I1 per una decina di secondi. Ora tolgo il mio carico pari a 140 kg per la Rockwell C, notiamo che il

materiale ha una risposta elastica quindi dalla quota I1 il materiale ha un ritorno elastico andando ad una quota pari a

I2, tenendo applicato il precarico. La differenza tra la quota I0 e I2 mi dà il valore della durezza, più è ampia e più il

penetratore è sceso nel materiale, questa variazione si fa direttamente con il quadrante. ,

quindi salto questo processo prendendo come riferimento la profondità del precarico.

Microdurezza

Su certi componenti ho la necessità di non applicare dei carichi così gravosi per esempio come la ruota dentata di un

orologio, quello che possiamo fare è una prova di microdurezza arrivando come massimo a 500g. Questo perché

per dettagliare la durezza dei singoli componenti dei materiali.Ci sono principalmente due tipologie di prove: una è la

vickers identica a quella della macro durezza e la knoop. La prova knoop è caratterizzata da un penetratore in

diamante con base a forma di rombo, questa piramide ha la diagonale maggiore 7 volte di quella minore. Questa

prova si usa per materiali molto fragili infatti tende a penetrarli senza romperli. 12

Regole generali prove di durezza (normative)

Bisogna assicurarsi che il pezzo sia spesso almeno dieci .

La distanza tra impronta ed impronta e dal bordo del campione pari a 2.5-

essere che il materiale sia disomogeneo e quindi è utile fare più prove in modo da ottenerne una media.

Facendo più p

nella quantità prossima di campione.

I risultati della prova sono influenzati dalla curvatura della superficie del campione, esistono delle tabelle

correttive che mi permettono di correggere il valore conoscendo la curvatura della superficie

La superficie di prova deve essere smerigliata e normale alla traiettoria del penetratore che non deve

cambiare durante la prova.

Riassunto prove di durezza 13

Le proprietà meccaniche: Resilienza

Generalità: la transizione duttile fragile

Il materiale può avere una frattura fragile grazie a tre fattori principalmente:

Lo stato tensionale triassiale: se noi per esempio facciamo una prova di trazione non solo lungo un asse ma su

questa tensione si chiama clivaggio.

La velocità della deformazione: se la sollecitazione avviene in secondi, in un tempo relativamente breve

noteremo che si hanno molte più probabilità di avere una frattura fragile chiamata ad impatto.

Temperatura: la bassa temperatura influisce molto sulla nostra frattura soprattutto se sotto lo zero.

La saldatura è un punto di debolezza della struttura:

Le strutture saldate non sono state abbandonate; si sono sviluppate tecniche di saldatura e di progettazione atte a

Velocità di carico e rottura fragile

La prova di resilienza che testa il materiale in condizioni più gravose possibili, per vedere quanto resiste il materiale ad

una sollecitazione estremamente rapida quasi ad impatto.

Guardando il grafico, la prova blu è la classica prova di trazione la curva è ottenuta

la variazione rispetto al tempo della variazione, la sua velocita di deformazione. Se invece noi cambiamo il tempo di

i tenacità

deforma poco prima di rompersi.

Per questo si cerca di evitare quest