Tecnologia meccanica pag. 21-32

Conversione tra scale di durezza

Ora il fatto di avere a disposizione tutte queste scale di durezza può rappresentare una complicazione: se io ho una durezza Vickers e voglio sapere a quanto corrisponde la durezza Rockwell C, come si fa? Un metodo un po' a spanne è usare grafici di questo tipo (vedi figura): voi trovate delle scale, una per ogni scala di durezza, e potete passare da una scala di durezza all'altra tracciando delle righe orizzontali; questo - come vi dicevo - è un metodo approssimativo per passare da una scala all'altra: notate infatti che per quanto riguarda Brinell e anche Vickers, per nessuna delle due scale è indicato il peso utilizzato. Io vi ho detto che la durezza dipende dal peso, perciò è chiaro che usare uno strumento come questo per effettuare delle conversioni da una scala di durezza all'altra è qualcosa di abbastanza poco preciso. Effettuare una misura di durezza vuol dire che su questo durometro dobbiamo inserire il

Pezzo sul quale andiamo ad effettuare la misura; finché si tratta di una biella non abbiamo problemi ma pensate ad un blocco motore di un motore marino: non riesco a piazzare il basamento di questo motore sul durometro, è troppo grande.

Allora come si fa a misurare la durezza di blocchi di metallo come questo, di grandi dimensioni? Si usa uno strumento che ha un principio molto diverso rispetto quelli visti finora. Tutte le prove che abbiamo visto fino adesso sono caratterizzate da un penetratore che va a provocare una deformazione plastica sul pezzo. Invece nel caso di manufatti di grandi dimensioni dobbiamo utilizzare un'idea diversa: si usa uno strumento che si chiama scleroscopio, ha un tubo con una scala graduata e si lascia cadere un peso dal valore noto, misurando il rimbalzo del peso all'interno del tubo noi riusciamo ad avere un'idea della durezza del materiale. Perciò in questo caso non è la penetrazione che si misura ma il rimbalzo.

Altra situazione particolare: noi misuriamo la durezza con la misura dell'impronta in generale, vuol dire che il materiale deve essere in grado di deformarsi plasticamente; i materiali fragili non possono essere analizzati con le tecniche elencate finora perché non deformandosi plasticamente si romperebbero subito e viene meno quella caratteristica positiva della prova di durezza che è la non-distruzione del campione analizzato.

Nel caso della durezza di materiali fragili, esiste una scala di durezza "poco tecnica", ma non credo ci siano alternative particolari: è la scala di durezza di Mohs: abbiamo una serie di materiali messi in sequenza tali per cui quello intermedio è in grado di incidere i materiali che lo precedono sulla scala, ma è a sua volta inciso da quelli che lo seguono. Alla scala originale sono stati aggiunti altri materiali a causa della grossa differenza di durezza tra un materiale e l'altro, ma il

principio è rimasto invariato. Come varia l'impronta per uno stesso materiale quando è allo stato ricotto e quando è allo stato di partenza? Nel primo caso si notano delle collinette dolci intorno alla zona d'impronta, mentre ci sono delle cuspidi nel secondo caso. In un materiale la zona deformata non è poi così piccola, anche se l'impronta è poco profonda. È un'informazione utile perché quando eseguiamo prove di durezza è importante tenersi lontano dai bordi del blocco di metallo. Perché? Proprio per questo motivo dobbiamo lasciare libertà al materiale di deformarsi: se effettuiamo la prova di durezza troppo vicino al bordo del blocco di metallo il materiale si deforma in modo diverso e la durezza non è più quella che avremmo misurato lontano dai bordi; e per lo stesso motivo quando si fanno più impronte per questa prova, non devono essere troppo vicine tra loro.

altrimenti le zone deformate interferiscono tra loro. In questo grafico vengono messe in relazione la durezza Brinell con la tensione di snervamento (MPa): esiste una relazione lineare approssimativa fra resistenza di un materiale e la sua durezza. In generale, la durezza di un materiale, misurata in MPa, vale circa 3 volte la sua resistenza meccanica (misurata tramite la tensione di snervamento) sarebbe più corretto confrontare la durezza con la tensione massima che noi andiamo a rilevare con la prova di trazione, ma in realtà pare che la relazione funzioni meglio con la tensione di snervamento. Perché la durezza è più alta rispetto la resistenza misurata nella prova di trazione? Perché dipende dal diverso stato tensionale: nella prova di trazione o di compressione, l'oggetto è sottoposto a trazione o compressione monoassiale, perciò ho una tensione che agisce solo in una direzione mentre nelle altre ortogonali il materiale.

è scarico. Nella prova di durezza il materiale è sottoposto ad una compressione triassiale perché il materiale tende ad andare verso il basso e ad allargarsi, ma trova la resistenza del materiale adiacente per cui il materiale che io deformo è soggetto alla compressione triassiale. E’ proprio questo stato tensionale diverso che fa si che, anche se usiamo la stessa unità di misura, la durezza misura una resistenza più alta rispetto alla resistenza monodirezionale.

Proprietà ad alta temperatura dei materiali

Finora, per quanto riguarda i materiali, abbiamo detto che la prova di trazione o di compressione può essere fatta a varie temperature: andiamo a vedere ora come varia il comportamento dei materiali alle alte temperature. E’ importante conoscerne il comportamento perché ci sono organi meccanici che in esercizio non lavorano a temperatura ambiente, pensate al motore delle automobili: le bielle, i pistoni, ecc.

Lavorano ad alte temperature. A questo riguardo il concetto che introduco è la temperatura omologa: per ogni materiale viene definita una scala di temperature omologhe, alla base c'è lo zero assoluto (quello che per noi è -273.15°C) e l'altro punto di riferimento è la temperatura di fusione a pressione atmosferica. Possiamo chiamare lo zero assoluto semplicemente ZERO e la temperatura di fusione viene indicata con t e vale UNO (t significa temperature medding).

Quindi la scala delle temperature omologhe varia tra 0 e t, perciò le temperature intermedie vengono espresse come decimali: 0,1 t, 0,2 t e così via. Conviene usare una scala di temperature omologhe perché è stato visto che tutti i materiali, almeno in prima approssimazione, cambiano di comportamento al di sopra di una certa frazione di t; per essere più precisi per ogni materiale diremo che stiamo parlando di una situazione "a".

caldo” per quel materiale quando ci troviamo al di sopra di 0,5 t, al di sotto invece si parla di situazione “a freddo”. A questo punto diventa semplice studiare il comportamento a caldo dei materiali perché dobbiamo solo fare riferimento allo zero assoluto e alla temperatura di fusione. Tanto per darvi un’idea, le lavorazioni a caldo dipendono dal metallo considerato e variano dall’uno all’altro; nel caso degli acciai normalmente le lavorazioni a caldo si fanno al di sopra dei 700-800°C, nel caso dell’alluminio siamo al di sopra dei 450°C. È molto più semplice però ricordarsi che le lavorazioni a caldo avvengono sopra lo 0,5 t. Il piombo se viene deformato a temperatura ambiente, viene deformato a caldo perché la temperatura di fusione del piombo è bassa per cui se lo pieghiamo a 30°C, siamo già al di sopra di 0,5 t. Lo 0,5 t vale anche per le plastiche, non solo per i

metalli. Come cambiano le proprietà a caldo dei metalli, ma anche delle plastiche? La resistenza sarà minore perché il materiale diventa più tenero e non incrudisce perché la duttilità quindi possiamo deformare il materiale quanto ci pare. Per i materiali ceramici invece se vogliamo ottenere una modifica alle proprietà meccaniche necessitiamo di alte temperature, essendo materiali refrattari. Un'altra cosa che è giusto sottolineare è che lo 0,5 t è da prendere un po' con le pinze perché per i metalli, ad esempio, se aggiungiamo elementi in lega possiamo arrivare anche a 0,8 t m nel caso di leghe con un'alta percentuale di alligati. Per cui 0,5 t è un riferimento che va verificato di volta in volta. Quando noi provochiamo delle deformazioni a caldo sui materiali, vi dicevo prima che il materiale non incrudisce perché gli atomi, nel caso dei metalli, o le molecole, nel caso delle plastiche,

possono spostarsi e hanno una certa libertà di movimento. Perché gli atomi si spostino all'interno della massa metallica serve del tempo e lo spostamento non è quindi istantaneo. Affinché effettivamente il materiale non incrudisca, dobbiamo dare a questi atomi la possibilità di spostarsi: questo vuol dire che se provochiamo una deformazione a bassa velocità ed a caldo, succede proprio quanto detto finora e cioè che non si verifica incrudimento. Ma se a caldo deformo velocemente il materiale gli atomi non ce la fanno a spostarsi, per cui il comportamento meccanico si avvicina a quello che ha a bassa temperatura, come se fossimo al di sotto di 0,5 t. Perciò se deformiamo a malta velocità un metallo al di sopra di 0,5 t il materiale si comporta in modo più simile a come si comporterebbe a freddo, perciò è meno duttile e più resistente. In altri termini prendiamo un provino in acciaio e facciamo

Due prove di trazione a 800°C: se la prima la conduciamo a bassa velocità, il materiale lo deformiamo a forza più bassa e il provino si romperà per valori di deformazione molto più grandi. Se conduciamo l'altra prova ad alta velocità, avremo bisogno di una forza notevolmente superiore per eseguire la prova di trazione e il provino si romperà per valori di deformazione minori.

Qual è il parametro che si usa per valutare la velocità con cui viene condotta la prova di trazione?

Si definisce velocità di deformazione il seguente parametro:
- v̇ = ε ( - ) l

Finora noi abbiamo sempre ragionato che applicando un carico in un materiale si vede una deformazione istantanea, ma questo ragionamento va bene alle basse temperature; invece alle alte la dipendenza dal tempo non può essere trascurata, nel senso che quando applico un carico ad un materiale ottengo una deformazione istantanea ma può non

esserci solo quella. Può essere una deformazione che si evidenzia nel tempo, voglio dire che posso applicare il carico e se lo lasc