Lavorazioni per Deformazione Plastica e Laminazione

Introduzione alle Lavorazioni per Deformazione

Plastica K a l p a k ji a n S . , S c h m i d S . R . ( P r e n t i c e H a l l 2 0 0 8 ) Te c n o l o g ia m e c c a n ic a [ c a p . 2 e 6 ]

Trazione

A causa della sua relativa semplicità, la prova di trazione rappresenta la metodologia di prova più comune per la

determinazione delle caratteristiche di resistenza-deformazione dei materiali. Essa comporta la preparazione di

un provino in accordo con la normativa ASTM e l'applicazione di uno stato di tensione di trazione mediante un

apparato di prova. Il provino è caratterizzato da una lunghezza iniziale Lo e da una sezione iniziale Ao (Figura

2.2a). Sebbene la maggior parte dei provini venga realizzata con sezione cilindrica o rettangolare, possono

essere testati mediante prova di trazione anche provini di lamiera piana o aventi sezioni tubolari. La lunghezza

iniziale è la distanza tra due marcatori sul provino e tipicamente è pari a 50 mm. I risultati di una prova di trazione

permettono di costruire il diagramma che correla tensioni e deformazioni. La tensione ingegneristica, o tensione

nominale, è definita come il rapporto tra la forza applicata e l'area iniziale del campione: σ = P/A e la

o

l−lo

ε =

deformazione ingegneristica è data da .

lo

Nella fase iniziale di applicazione di una forza, il provino si deforma proporzionalmente all'aumentare del carico

fino al valore del carico limite di proporzionalità; questo intervallo definisce il campo di comportamento

elastico del materiale. Il materiale continuerà a deformarsi elasticamente, sebbene in maniera non strettamente

lineare fino alla tensione di snervamento Y. Se il carico viene rimosso prima di aver raggiunto la tensione limite

di snervamento del materiale, il provino ritornerà alla sua lunghezza originale. Il modulo di elasticità o modulo

di Young, E, è definito come E = σ/ε.

L'allungamento del provino è accompagnato dalla sua contrazione laterale. Il valore assoluto del rapporto tra la

deformazione laterale e la deformazione longitudinale è conosciuto con il nome di coefficiente (detto anche

rapporto o modulo) di Poisson, v. L'area sottesa dalla curva tensione-deformazione fino alla tensione di

2

Y εo Y

snervamento del materiale, Y, è conosciuta come modulo di resilienza = =

2 2 E

L'area sottesa dalla curva tensione-deformazione rappresenta l'energia specifica per unità di volume e indica

l'energia specifica che il materiale può sopportare in regime elastico.

Al crescere della forza applicata, il provino inizia a snervare, ossia subisce una deformazione plastica

permanente e la relazione tra tensione e deformazione non è più lineare. Per la maggior parte dei materiali il

cambiamento di pendenza della curva tensione-deformazione non è particolarmente pronunciato, rendendo

quindi difficile l'individuazione della tensione di snervamento. La pratica usuale è quella di definire la tensione di

snervamento al punto in cui si ha uno scostamento dal tratto lineare della curva pari a una deformazione di 0.2%

o 0.002 (Figura 2.2b). Valori di scostamento differenti, qualora utilizzati, devono essere di volta in volta specificati

nella valutazione della tensione di snervamento di un materiale. È importante notare che lo snervamento non

coincide con la rottura del materiale. Nella progettazione di strutture o elementi di giunzione, il raggiungimento di

valori di tensione pari allo snervamento non sono accettabili in quanto portano a una deformazione permanente

dei componenti. Tuttavia, il raggiungimento della tensione di snervamento è una condizione necessaria nei

processi di formatura dei metalli, quali la forgiatura, la laminazione, i processi di lavorazione della lamiera, dove i

materiali sono soggetti a una deformazione permanente per ottenere la forma desiderata. Un ulteriore

incremento del carico applicato determina l'allungamento del provino e la corrispondente diminuzione della

sezione del campione. Se si annulla il carico applicato dopo che il livello di tensione ha superato la tensione di

snervamento Y, la curva tensione-deformazione segue una linea retta avente la stessa pendenza del tratto

elastico della curva. Se la forza e quindi la tensione ingegneristica, è incrementata ulteriormente, la curva

raggiunge un massimo e poi inizia a decrescere. La tensione massima raggiunta è chiamata resistenza ultima a

trazione o tensione ultima a trazione (UTS) del materiale. La tensione ultima a trazione è quindi una misura

semplice e pratica della resistenza globale del materiale. Quando un provino è caricato oltre il valore di UTS,

inizia a strizionare e l'allungamento tra i marcatori non è più uniforme. Da questo punto in poi, il cambiamento

nella sezione del provino non sarà più uniforme, ma si concentrerà in una zona del provino chiamata collo di

strizione. All'avanzare della prova, la tensione ingegneristica diminuisce fino alla rottura finale del provino nella

zona di strizione. Il livello finale della tensione rilevato alla rottura del provino è chiamato tensione di rottura.

Duttilità

La deformazione nel provino fino a rottura rappresenta una misura della duttilità del materiale, che è definita

come la deformazione massima che il materiale può sopportare prima della frattura. Si noti che finché il materiale

non raggiunge il valore di tensione pari a UTS, l'allungamento è uniforme. La deformazione fino al valore di UTS

è chiamata deformazione uniforme. La deformazione a rottura è chiamata allungamento totale ed è misurata

come la distanza tra i due marcatori nel provino portato a rottura accostando le due parti. Per la definizione delle

duttilità in condizioni di trazione sono utilizzati comunemente l'allungamento percentuale e la riduzione

percentuale di sezione. l f −lo ∗¿

L'allungamento percentuale è definito come ed è basato sulla misura della lunghezza totale.

lo 1oo

La strizione è un fenomeno di instabilità locale. Se vengono messi in serie dei marcatori in differenti posizioni nel

provino, si porta il provino a rottura per trazione e poi si calcola l'allungamento percentuale per ciascuna

posizione dei marcatori, si può notare che per valori di lunghezza iniziale decrescente, l'allungamento

percentuale aumenta (Figura 2.4). In particolare, la coppia dei marcatori più vicini avrà subito un allungamento

maggiore in quanto più prossimi alla regio-ne strizionata e fratturata. Di conseguenza, nella valutazione

dell'allungamento a rottura è importante considerare la lunghezza iniziale scelta. Le altre proprietà per prove di

trazione sono generalmente indipendenti dalla distanza dei marcatori. Una seconda misura di duttilità è la

Af Ao

− ∗¿

riduzione di area percentuale, definita come Ao 1oo

Si noti che un materiale che striziona fino ad arrivare a rottura, come una barra di vetro a elevata temperatura,

presenta una riduzione di area pari al 100%.

Figura: a sinistra forma iniziale e finale di un provino per prove di trazione monoassiale standard. A sinistra esempio di una

sequenza di prova di trazione che mostra differenti istanti di deformazione del provino

F F

R= 1)

¿ =R (e+

σ

Sforzo A A con A = sezione istantanea

0 l

l l

−l ( )

Δl dl

i

i 0 ∫ i ⁡

e= e+1)

= =ln =ln (

ε =

Deformazione l l l l

0 0 0

l 0

Comportamenti Ideali di un Materiale

a. Materiale perfettamente elastico: presenta un comportamento lineare con una

pendenza pari a E. Il comportamento dei materiali fragili, come i comuni vetri, la

maggior parte delle ceramiche e alcune tipologie di ghisa. Il limite di tensione che il

materiale può sopportare indica il valore di tensione che determina la rottura del

materiale. La deformazione permanente di questi materiali, qualora presente, risulta

trascurabile.

b. Materiale plastico perfettamente: plastico ha, per definizione, un valore di E pari

a infinito. Una volta che la tensione raggiunge il valore di snervamento, Y, il materiale

continua a deformarsi mantenendo costante il livello di tensione di flusso. Quando la

forza applicata sul provino viene rilasciata, il materiale ha una deformazione plastica

residua. In questo caso non si ha alcun recupero elastico.

c. Materiale elastico-plastico perfetto: è la combinazione dei primi due: esso

presenta un modulo elastico finito e un ritorno elastico nel caso in cui il carico