Caratterizzazione

PROVE DI CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI

Vedremo le prove di caratterizzazione meccanica dei materiali. Abbiamo già visto la struttura dei materiali metallici e non, ora siamo pronti ad affrontare la prossima parte sulle prove di caratterizzazione, prove che servono a capire il comportamento dei materiali in modo quantitativo, quindi da queste prove tiriamo fuori una serie di parametri che ci permettono di confrontare il nostro materiale con altri che possono essere eventuali candidati per un determinato prodotto o processo.

A cosa possono servire le prove di caratterizzazione nella produzione? Può servire per verificare il materiale?

Può sembrare strano ma, nella fonderia ad esempio, partiamo da dei lingotti, quindi blocchi di materiali che vengono fusi in forno e poi vengono colati all'interno di una forma per ottenere un grezzo di fusione. Durante questo processo, la temperatura è molto alta, quindi abbiamo un'ossidazione molto elevata. Possiamo avere elementi che entrano nel nostro materiale, inoltre vedremo che utilizzeremo tanti additivi, quindi la composizione della lega liquida comunque va confermata. Durante le colate si prende un campione della lega liquida che poi va in laboratorio, viene sottoposto a una serie di prove per verificare che lo stesso materiale che ho utilizzato per produrre il mio grezzo ha un comportamento in linea con quello verificato.

LE PROPRIETA' DEI MATERIALI

Per la scelta dei materiali più adatta alle applicazioni è necessario conoscere e tenere presenti le proprietà caratteristiche di ciascun materiale. Possiamo raggruppare le proprietà in:

• Proprietà fisiche e chimiche
• Proprietà meccaniche
• Proprietà tecnologiche

Le proprietà sono quantitative, servono sia al progettista quando deve progettare un elemento meccanico, per capire quanto deve essere grande per resistere ai carichi previsti, ma serve anche agli ingegneri che gestiscono la produzione perché dobbiamo sapere in base al materia e alle sue proprietà come dobbiamo comportarci, quali parametri utilizzare e non.

LE PROPRIETA' DEI MATERIALI

Le proprietà fisiche e chimiche sono quelle che i materiali possiedono per loro natura, indipendentemente dalla presenza di sollecitazioni esterne( la densità, proprietà ottiche...).

Le proprietà meccaniche sono invece quelle di resistenza che i materiali manifestano sotto l'azione di sollecitazioni statiche, dinamiche e ripetute. Rientra all'interno delle proprietà meccaniche dei materiali anche la durezza(resistenza alla penetrazione superficiale). Per trasformare dei materiali delle volte dobbiamo fare una caratterizzazione tecnologica. Le proprietà tecnologiche, infine, consistono nell'attitudine che i materiali presentano ad essere lavorati con i vari procedimenti tecnologici. Tali sono quindi la colabilità, la malleabilità, la lavorabilità alle macchine utensili ecc.

PROVA DI TRAZIONE

Questa prova ci permette di ottenere più informazioni e più parametri in assoluto con una singola prova e un singolo provino. Andiamo a rapportare il carico durante le fasi della prova alla sezione iniziale e l'allungamento totale alla lunghezza iniziale (parametri nominali).

Utilizziamo sempre un provino con una geometria standardizzata che comprende delle superfici di afferraggio che vengono afferrate all'interno della macchina per fare la prova di trazione. Queste superfici possono essere anche filettate, quindi che hanno una filettatura a seconda della macchina.

• Rs->Carico di snervamento (Snervamento palese)
• Rm->Carico massimo/di rottura (Resistenza massima del materiale)

A seconda del materiale posso ottenere curve diverse (tratto lineare, elastico, snervamento, incrudimento, carico massimo, strizione e fine frattura). Ci sono alcune leghe che hanno quello che si chiama snervamento non visibile, ovvero quando entriamo in campo plastico, quindi iniziamo a deformare in modo permanente il materiale e abbiamo semplicemente uno scostamento dalla linearità, ma non abbiamo un tratto lineare.

1. Allungamento: ε=(l-l₀)/l₀
2. Tensione [MPa]: σ=P/A₀
3. Modulo elastico [MPa/GPa]: E=σ/ε

4. Carico di snervamento Rs [MPa]: E' il carico corrispondente a una deformazione permanente pari al 0,2%. Io si indica con Y (yield point)

F₀ = carico iniziale di assestamento 10 kgf (98 N)

F₁ = carico ulteriore per un totale di 100 kgf (981 N)

l₀ = profondità dell'impronta iniziale prodotta dal carico F₀

l_max = profondità massima dell'impronta prodotta dal carico F₁ sommato al carico F₀

r = risalita elastica

l_p = profondità dell'impronta permanente rimasta dopo l'eliminazione del carico ulteriore F₁

e = accrescimento rimanente della profondità di penetrazione o profondità dell'impronta permanente rispetto a quella iniziale

Abbiamo un penetratore in acciaio su cui viene applicato un carico iniziale di 10 chili. Successivamente si applica un carico ulteriore per arrivare a 100 chili, viene lasciato per qualche secondo e poi togliamo il carico ulteriore per ritornare al carico iniziale. Si va poi a quantificare questa distanza e l'accrescimento rimanente della profondità di penetrazione o profondità dell'impronta permanente rispetto quella iniziale, quindi misuriamo una distanza. Il vantaggio di questa prova è il fatto che non è necessario levigare la superficie, mentre per le due precedenti la superficie deve essere levigata e lucidata. Nella prova Rockwell con il carico di assestamento andiamo a schiacciare le asperità superficiali iniziali, quindi permette di non dover passare così tanto tempo a pulire e levigare la superficie prima.

F₀ = carico iniziale di assestamento 10 kgf (98 N)

F₁ = carico ulteriore per un totale di 150 kgf (1470 N) (scala C – per materiali duri) oppure 50 kgf (490 N) (scala A – per materiali extra duri)

l₀ = profondità dell'impronta iniziale prodotta dal carico F₀

l_max = profondità massima dell'impronta prodotta dal carico F₁ sommato al carico F₀

r = risalita elastica

l_p = profondità dell'impronta permanente rimasta dopo l'eliminazione del carico ulteriore F₁

e = accrescimento rimanente della profondità di penetrazione o profondità dell'impronta permanente rispetto a quella iniziale

La lettura sul quadrante del durometro si fa sempre con il precarico sempre in atto. I valori della durezza Rockwell si esprimono in unità convenzionali (non hanno unità di misura): HRB = 130 −e; HRC / HRA = 100 −e. "e" è la profondità misurata in cinquecentesimi di mm (0,002mm). Il penetratore sferico è una sfera di acciaio di diametro pari a circa 1.5 mm e si usa per materiali teneri (HBIl metodo Knoop è un metodo di durezza statico sviluppato in alternativa al metodo Vickers e utilizzato soprattutto per la prova di strati sottili o materiali fragili. Le sue caratteristiche sono: Fa parte dei metodi normati (ISO 4545, ASTM E92, ASTM E384); Il metodo Knoop ha un range di carichi di prova compreso tra 1 gf e 2 kgf secondo le norme ISO e ASTM, con questo metodo si può cioè

PROVA DI PIEGATURA

Anche in questo caso abbiamo una lamiera e vogliamo effettuare un'operazione di piegatura. Qui la geometria è standardizzata per poter confrontare i risultati con materiali diversi. abbiamo un cilindro di diametro d, e due superfici di appoggio.

Abbassiamo in cilindro fino ad ottenere un determinato angolo di piegatura tipicamente di 90° o 180°, quindi possono scendere finchè i due elementi non sono paralleli

La prova di piegatura è normata dalla UNI EN ISO 7438. Il suo scopo è quello di valutare l'attitudine del materiale a lasciarsi deformare. Tale prova si effettua su di una provetta a sezione rettangolare a spigoli arrotondati o su spezzoni di barre a sezione circolare o poligonale.

La prova consiste nel piegare il materiale, in maniera graduale o lenta, che viene sottoposto ad una sollecitazione meccanica applicata mediante un cilindro di diametro D. La lunghezza l dell'interasse dei due supporti deve soddisfare la relazione:

l = (D + 3a) + a/2

L'esito della prova è positivo se si raggiunge l’angolo a senza che compaiano delle fessurazioni all'estradosso della provetta. In alcuni casi è richiesto che a sia pari a 180°. Per fili e lamiere sottili è prevista una prova di piegamento a 90°alternata con una successiva in senso opposto.

Per le barre laminate a caldo e deformate a freddo, utilizzate per il calcestruzzo armato, è prevista una prova di piegamento a 90°seguita da riscaldamento e successivamente da un raddrizzamento parziale a 30°. Ciò perché si vogliono valutare le proprietà di barre in condizioni di deformazione plastica. Questa prova in sostanza misura il grado di malleabilità di alcuni prodotti come lamiere, fili, tondi o profilati, ma misura anche la variazione di malleabilità dovuta ai vari processi di formatura e di trattamento termico, permettendo, infine, di confrontare anche varie tipologie di materiali.