Prof. Francesco Iacoviello - Metallurgia · prova di trazione σ = E ε E = modulo di Young ... S d...

Introduzione al corso

M t ll iMetallurgiaProve meccaniche

Prof. Francesco Iacoviello

Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25i di i i l dOrario di ricevimento: Mercoledì 14.00-16.00

Tel.-fax 07762993681E mail: iacoviello@unicas itE-mail: [email protected]

Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello

Francesco Iacoviello Università di Cassino

Sommario delle grandezze meccaniche relative alla Prove meccaniche

prova di trazione

σ = E εE = modulo di Young

εtr = ν εlongν = coefficiente di Poisson

τ = G γG = E/[2(1+ν)][ ( )]

ε = λ ΔTλ di dil i iλ = costante di dilatazione termica


Prove meccaniche

Metallo λAcciaio 0.000012All i i 0 000024Alluminio 0.000024Argento 0.000020Bronzo 0.000018Bronzo 0.000018Invar 0.0000009 σ

Materiale E[GPa]Acciaio 200 210Acciaio 200-210Rame 120Ottone 100-120 εAl - leghe Al 70-80legno (lungo fibre) 8-12

ε


Prove meccaniche

Rame ricotto Rame incruditoRame ricotto(velocità 20 volte più elevata del normale)

Rame incrudito(velocità 20 volte più elevata del normale)


Prove meccaniche

ConoCoppa


Prove meccaniche

Si l i d lSimulazione del meccanismo di strizione

(scorrimento dei piani cristallini)

Prova di trazione con strizione (necking)


Prova di trazioneSi f if i t ll ti UNI EN 10002/1

Prove meccaniche

Si fa riferimento alla normativa UNI EN 10002/1

√L0 = 5.65√S0per provette piatte L0 = 5 d

Diametro della sezione calibratadel provino a sezione circolare

d

S d ll tt i ttSpessore della provetta piatta aLarghezza della provetta piatta b

Lunghezza iniziale fra i riferimenti L0Lunghezza parte calibrata Lcg p c

Lunghezza totale LtLunghezza ultima fra i riferimenti Lu

Allungamento percentuale dopo rottura 100 0L LL

u − Ag p p

0LSezione iniziale parte calibrata S0Sezione minima dopo rottura Su

S S− ZCoefficiente percentuale di strizione 100 0

0

S SS

u Z


ΔL/L0t = 0.0025 ÷ 0.00025 s-1

2

Prove meccaniche

Δσ/t < 30 N/mm2s

Carico di snervamento superiore FeHp eHCarico di snervamento inferiore FeL

Carico di scostamento dalla proporzionalità FPCarico limite di allungamento totale Ft

Carico limite di allungamento permanente FrCarico massimo FmCarico ultimo Fu


Prove meccaniche


Prove meccaniche

StrizioneStrizione

Frattura duttile Frattura fragileFrattura duttile Frattura fragile


Prove meccaniche

La zona lineare può essere descritta dalla legge di Hookeσ = Eε

Dopo lo snervamento si ha l’incrudimento, descrivibile da unacorrelazione del tipo:pσ = k εn

Materiale Trattamento n k [MPa][ ]

Acc. 0.5% C Ricotto 0.26 530Acc.0.6% C Bonif. 540 °C 0.10 1570Acc.0.6% C Bonif. 705 °C 0.19 1230

Rame Ricotto 0.54 320Ottone Ricotto 0.49 900


Trasformazione della curva ingegneristica ll l

Prove meccaniche

nella curva reale

∫Δ L

dLL 1D f i i i ti ∫=Δ

=L

dLLL

L

000

1ε

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

== ∫* ln LdLL

ε

Deformazione ingegneristica

Deformazione reale ⎟⎠

⎜⎝

∫00

LLL

( )+→+→ 1l11 *LL

Deformazione reale

( )εεεε +=→=+→−= 1ln1100 LL

ALLALA 0

AA

LLLALA 0

000 =→=

( )εσσσ +==== 10

0

0

*

LL

AA

AF

AF


Trasformazione della curva ingegneristica ll l

Prove meccaniche

nella curva reale


Prove meccaniche

M t i l R [MP ] R [MP ] A% E [MP ]Materiale Rm [MPa] R el [MPa] A% E [MPa]

C14 340-440 235 28 20600014CrMo3 440-570 294 22 206000

28CrMo125 740-880 560 14 =14CrMo910 470-630 >255 19 20600014CrMo910 470 630 >255 19 206000

G20Mo5 440 245 20 =Ghisa grigia non legata = 294 1 =

Ghi d l f 461 304 17Ghisa nodul. ferr. 461 304 17CuNi20Fe 361 127 39 90000Inconel X 1140 628 = =Al-Cu-Mg 422 275 22 41000


Prova di durezza

Prove meccaniche

Prova di durezzaNel campo dei metalli si definisce come durezza la resistenzache il metallo preso in considerazione oppone all'azione di unche il metallo preso in considerazione oppone all azione di unpenetratore cui sia applicato un carico statico.

Il penetratore normalmente deve agire su una superficie liscia eIl penetratore normalmente deve agire su una superficie liscia epiana, esente da ossidi ed impurezze superficiali.


Prova Brinell (UNI 560-75)L i l f l i f di

Prove meccaniche

La prova consiste nel far penetrare nel pezzo in esame una sfera diacciaio molto duro di diametro "D" mediante applicazione di uncarico "F" e nel misurare il diametro "d" dell'impronta lasciata dalcarico F , e nel misurare il diametro d dell impronta lasciata dalpenetratore sulla superficie del pezzo, dopo avere tolto ilpenetratore.p

[ ]HB F

D D D d=

• •

− −

0102 22 2

.

π [ ]D D D d− −π

l i li di diI valori normali di F e di D sonoF = 29400 N (=3000 kgf)D = 10 mmD = 10 mm

Rm = h HBmh = 1/3 per acciai da costruzione


Prove meccaniche

Simulazione di una prova di nano-durezza effettuata su unmonocristallo di Cu. La durezza può essere correlata con la densità didi l i idislocazioni


Prove meccaniche

Nel caso della prova Brinell, è essenziale considerare il problemadella “similitudine geometrica”:

2 φ = costanteQuesta condizione è difficile da raggiungere, quindi ci siaccontenta di ottenere un rapporto d/D compreso fra due estremipari a:

0.25<d/D<0.5Questo coincide con l’accettare prove effettuate con:

120°<2φ<151°φ


Prove meccaniche

La procedura è la seguente:• Si sceglie una coppia F,D in modo da ottenere un rapporto F/D2

pari ad uno dei seguenti valori:30, 20, 10, 5, 2.5, 1.25, 0.5• Si effettua la prova, ottenendo d.• Si calcola d/D. Se il valore ottenuto è contenuto nell’intervallo,la prova è valida.Se il valore è più levato, vuol dire che il materiale non è moltoduro e va quindi scelto un rapporto F/D2 più piccolo.Se il valore è più basso, il materiale è troppo duro, e va quindip pp qscelto un valore F/D2 più alto.


Prova Vickers (UNI 1955-75)

Prove meccaniche

Prova Vickers (UNI 1955 75)Il penetratore è costituito da una piramide retta, a base quadrata,di diamante con l'angolo al vertice (angolo fra due faccedi diamante, con l'angolo al vertice (angolo fra due facceopposte) di 136°.

La prova si svolge applicando un carico di 294 N ( = 30 kgf) per10-15 s. Possono essere anche usati carichi diversi, ma sempre, pcompresi nell'intervallo 49-980 N ( = 5-100 kgf)La durezza Vickers è data dalla formula:HV 0 189 F/d2HV = 0.189 F/d2


Prova Rockwell (UNI 562-75)Prove meccaniche

Possono essere definite due diverse scale B e C a seconda che ilpenetratore sia una sfera di acciaio temprato e levigato (scala B) osia un cono di diamante a base circolare con punta arrotondata edsia un cono di diamante a base circolare con punta arrotondata edangolo al vertice di 120° (scala C).


Prova Rockwell (UNI 562-75)Prove meccaniche

La prova si svolge nel seguente modo:- Viene applicato un precarico iniziale F0 = 98 N- si azzera l'indicatore di profondità;si azzera l indicatore di profondità;- si applica un secondo carico F1 pari a 980 N nel caso della scala B, pari a 1470N nel caso della scala C;

dopo 30 s il carico F viene tolto lasciando il carico F applicato sul- dopo 30 s il carico F1 viene tolto, lasciando il carico F0 applicato sulpenetratore, immerso nel pezzo per un certo tratto "e"(l'unità di misura adottataper "e" è 0.002 mm);

l d R k ll (HRB HRC) è d t d ll diff f 100 d il- la durezza Rockwell (HRB oppure HRC) è data dalla differenza fra 100 ed ilvalore dell'accrescimento rimanente "e" della profondità dell'impronta


Durezza Brinell

Prove meccaniche

Acciai per molle (allo stato di ricottura di lavorabilità)

C45 200 C60 230C70 250 C75 265C90 27050Si7 25050CrV4 250

Durezza BrinellLeghe di Rame

P-CuAl5 80-115P-CuAl8 90-120G-CuZn40 70G-CuZn36Si1Pb1 110


Ghise malleabiliGMB35 125 200

Prove meccaniche

GMB35 125-200GMB45 150-210GMB55 190-240GMB65 210-250GMN35 110-150GMN45 250-210GMN55 190-240GMN65 210-250

Durezza acciai legati inossidabiliAcciaio HB HRBX12Cr13 (Ricotto) 220 97X12Cr13 (Ricotto) 220 97X6CrAl13 (Ricrist.) 192 90X2CrNiMo1712 202 94

Durezze ottenibili Cementazione 700 HVNitrurazione 1200 HVNitrurazione 1200 HVBerilliatura 2000HV


Prova di resilienzaProve meccaniche

Le rotture possono avvenire per carichi inferiori al limite elastico.Ciò avviene in condizioni particolari, in corrispondenza delle qualiil t ll t t t f il I f tt i i i liil metallo mostra un comportamento fragile. I fattori principalisono:• La triassialità degli sforzi• La triassialità degli sforzi.• L’abbassamento della temperatura.• L’aumento della velocità di deformazione.• L’aumento delle dimensioni del pezzo.

L Ch i t l l di d lLa prova Charpy consiste nel rompere con un colpo di pendolo unprovino intagliato. Tale provino viene colpito al centro, dopo esserestato opportunamente posizionato su due appoggi Dal risultatostato opportunamente posizionato su due appoggi. Dal risultatodella prova si ottiene l’energia W assorbita durante il colpo delmaglio. La resilienza è pari all’energia assorbita per unità disuperficie (espressa in J/cm2).


Prove meccaniche

Provino di resilienzaProvino di resilienza


Prove meccaniche

Esecuzione prova Charpy Prove a bassa temperatura


Provino ad elevata resilienza Provino a bassa resilienza

Prove meccaniche

Temperatura di transizione Tt


Acciaio basso tenore di C

Prove meccaniche


Acciaio inossidabile austenitico

Prove meccaniche


La resilienza può diminuire per diverse ragioni:

Prove meccaniche

La resilienza può diminuire per diverse ragioni:• Progettazione errata:- errata valutazione delle realisollecitazioni- eccessive concentrazioni degli sforzi (intagli, diminuzioniimprovvise di sezione)

i i T l- acciaio con Tt troppo elevata- saldature troppo numerose o con ubicazione infelice- eccessiva rigidezza- eccessiva rigidezza• Processo di fabbricazione (al crescere del tenore di O2 aumenta laTt)t)• Lavorazione a caldo: al crescere della T di fine lavorazioneaumenta la Tt

T i F ili à l i i i i d li i i• Trattamento termico: Fragilità al rinvenimento, tipica degli acciaial Cr. Aumenta con la presenza di N, P, Mg, Sn, V e vienefortemente ridotta dal Mofortemente ridotta dal Mo


Influenza elementi di lega

Prove meccaniche

gsulla fragilità degli acciai

• C: aumenta R, diminuisce duttilità, aumenta TtC: aumenta R, diminuisce duttilità, aumenta Tt• Mn: per tenori <1.5% si ha diminuzione Tt. Se il rapporto Mn/Ccresce si ha diminuzione della Tt• Al: aggiunto per disossidare il bagno , fa diminuire la dimensionedel grano. Al di sopra del 0.1% residuo l’effetto diviene negativo• Ni: T dimin isce fortemente Al disopra del 13% la transi ione• Ni: Tt diminuisce fortemente. Al disopra del 13% la transizionescompare• S: fino allo 0.04% non influisceS: fino allo 0.04% non influisce• P: si ha un aumento della Tt di 7-8°C ogni 0.01% di aggiunta• Si: fino al 0.15-0.3% fa diminuire la Tt• Cr: fino allo 0.9% non non ha influenza. Aumenta fortemente lasuscettibilità al fenomeno della fragilità al rinvenimento.• Mo: fa diminuire la T• Mo: fa diminuire la Tt


Prove meccaniche

Influenza del C sull’andamento della resilienza e sulla temperatura di transizione

Influenza del Mn e dell’Al sull’andamento della resilienza


Principi di Meccanica della Frattura

Prove meccaniche

Principi di Meccanica della FratturaLe strutture sono normalmente progettate in modo che lesollecitazioni esterne non superino in alcun punto il limite dielasticità del metallo. Una specifica di progetto di questo tipomette la struttura al riparo da una rottura classica di tipo duttile.Tuttavia altre modalità di rottura sono spesso osservate (fragileoppure semi-fragile). Questo evento può avere luogo in circostanzediverse da quelle usuali, quali, ad esempio:- basse temperature;- elevate velocità di applicazione del carico;- difetti preesistenti oppure generatesi durante il servizio


Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamente

Prove meccaniche

Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamenteelastico nella quale sia presente una fessura passante di lunghezza2a e di spessore trascurabile, lo sforzo normale σn, in prossimitàp , n, pdell’apice della cricca, ortogonale al piano della fessura stessa, èlegato alla geometria della cricca attraverso un parametro KI dettoil fattore di intensità delle tensioni (modo I). Taleintensificazione delle tensioni è dovuta proprio alla presenzacontemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuitàcontemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuitàdella matrice metallica.


Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamente

Prove meccaniche

Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamenteelastico nella quale sia presente una fessura passante di lunghezza2a e di spessore trascurabile, lo sforzo normale σn, in prossimitàp , n, pdell’apice della cricca, ortogonale al piano della fessura stessa, èlegato alla geometria della cricca attraverso un parametro KI dettoil fattore di intensità delle tensioni (modo I). Taleintensificazione delle tensioni è dovuta proprio alla presenzacontemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuitàcontemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuitàdella matrice metallica.

K aI =α σ πK aI α σ π


Prove meccaniche

Tenacità a fratturaResistenza che offre il materiale

ll i d ll i

KC

alla propagazione della cricca

Fattore di intensificazione K

degli sforzi“Sollecitazione cricca”


Prove meccaniche

Modi principali di sollecitazione p p(in base alla direzione di applicazione del carico rispetto alla cricca)


Prove meccaniche

Propagazione della cricca rispetto alla direzione di laminazione

Lungo la direzione di laminazione

T l

“L”

Trasversale“T” “Corto”

(Short “S”)(Short, “S”)


Determinazione KIC (ASTM E399)Prove meccaniche

IC ( )La metodologia è basata su prove di trazione o di flessione su trepunti effettuate su provette intagliate e precriccate a fatica. Durantep p g pqueste prove di trazione o di flessione si registra la curva carico-apertura dell’apice dell’intaglio (Load-COD, ove per COD siintende Crack Opening Displacement) e si determina il carico checorrisponde ad una propagazione della cricca del 2%.


Le condizioni che devono essere prese in considerazioneaffinché il risultato sia valido sono:

Prove meccaniche

affinché il risultato sia valido sono:• La zona plastica all’apice della cricca deve essere trascurabilerispetto alle dimensioni del provino, in modo che ilp p ,comportamento sia il più possibile elastico.• Le dimensioni del provino devono essere sufficienti daassicurare per la prova delle piene condizioni di deformazionepiana.

a BKIC≥

⎛⎜

⎞⎟25

2

a BRe

, .≥⎝⎜

⎠⎟25

KF

f aQ= ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

KB W

fWQ =

⎝⎜ ⎠⎟10 10 0.5


Prove meccaniche

Acciai alto-resistenziali

Acciaiialto-resistenziali maraging

Leghe di Aldi Al

Leghe di Ti

Rs, MPa


Rottura per faticaProve meccaniche

o u pe cDifetti ed anomalie nei metalli:• Vacanze reticolari RotturaVacanze reticolari• Dislocazioni• Struttura policristallina

Rotturafinale

• Inclusioni non metalliche• Porosità

S i iStriature di fatica• Segregazioni

• Tensioni residueInnesco

di fatica

Innescocricca

Le condizioni della superficie influenzano la resistenza a fatica

L’ambiente influenza la resistenza a faticaFrancesco Iacoviello Università di Cassino

Prove meccaniche

Rottura per fatica

Innesco di cricca

o u pe c

Linee di faticaStriatureStriature


Rottura finale per sovraccarico Innesco multiplo di cricca

Diagrammi di Wöhler

Prove meccaniche

g

Si possono distinguere tre zone diverse:p g- Zona della fatica plastica oligocicica (Nn Δεp = cost)- Zona di vita a fatica limitata (N (σ - σD )n = cost)- Zona di vita a fatica illimitataZona di vita a fatica illimitata


Meccanica della fratturaProve meccaniche

e fenomeni di fatica (ASTM E647)

dadN

C Km= ΔdN


ibili di id i d ll f di f i

Prove meccaniche

Possibilità di riduzione della frequenza di rottura per fatica:• Ottimizzare disegno del pezzo• Scelta del metallo e del ciclo di lavorazione• Scelta del metallo e del ciclo di lavorazione• Controlli di accettazione dei semilavorati e dei pezzi finiti• Controlli in esercizio

Per migliorare il comportamento a fatica si può:Mi li l fi i d ll fi i• Migliorare la finitura della superficie

• Incrudire superficialmente• Indurire superficialmente• Indurire superficialmente• Effettuare cicli di “allenamento”• Proteggere contro attacchi corrosivigg


Scorrimento viscosoProve meccaniche

E’ un fenomeno di deformazione continuamente crescente nel tempo, con il caricoche resta costante nel tempo. I meccanismi principali sono legati ai processi diincrudimento e di recristallizzazione: Sincrudimento e di recristallizzazione:

Slitt t i i i t ll fi i

Strutturamigliore

• Slittamento piani cristallografici(movimento dislocazioni)

• Formazione sottograniFormazione sottograni• Scorrimento del bordo dei grani

Si definisce temperatura omologa di un metallo To il rapporto fra la temperatura acui si trova il metallo e la sua temperatura di fusione, entrambe espresse in K.Lo scorrimento viscoso inizia ad attivarsi per To superiori a 0.4 ÷ 0.5p p


Scorrimento viscosoProve meccaniche

modalità di prova


Prove meccaniche

T = costanteσ = costante

Predominio del processo di

incrudimento conincrudimento con conseguente

diminuzione della l i à di

Formazione

velocità di creep

Equilibrio dei processidi incrudimento e di recristallizzazione

microfessureper deformazione

localizzatarecristallizzazione localizzataai bordi grano


Prove meccaniche

Cavità Carburi a bordo grano

Turbina con palette fratturate

Formazione di cavità dovute a creep e precipitazione di


carburi a bordo grano

Prove meccaniche

Tutti gli ostacoli alla restaurazione favoriscono la tenuta alloscorrimento viscoso:- struttura cristallina compatta (EC oppure CFC);- presenza di precipitati stabili termicamente;

dato che la rottura avviene essenzialmente per decoesione- dato che la rottura avviene essenzialmente per decoesioneintergranulare, la presenza dei bordi grano è negativa; da questaconsiderazione ha origine lo sviluppo di metalli a solidificazioneg pporientata o monocristallini.


UsuraProve meccaniche

E’ dovuta alla interazione fra superfici in contatto ed in motorelativo.C i t i i t i di t ll d llConsiste in una progressiva asportazione di metallo dallasuperficie.Si possono distinguere:Si possono distinguere:• Usura adesiva: si hanno delle locali saldature in corrispondenzadelle asperità superficiali, e può essere distinta in usura leggera (ilponte che si forma ha una resistenza inferiore dei due metalli base)oppure forte (il ponte ha una resistenza superiore).


UsuraProve meccaniche

• Usura abrasiva: si ha quando si ha l’interposizione fra le superficia contatto di particelle estranee dure.

• Usura corrosiva• Usura erosiva

• Usura per fatica


Controlli non distruttiviProve meccaniche

Controlli non distruttivi• Controlli radiografici

Controlli gammagrafici• Controlli gammagrafici• Controlli con ultrasuoni• Controlli magnetoscopici• Controlli magnetoscopici• Controlli con correnti indotte• Controlli con liquidi penetranti• Controlli con liquidi penetranti


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