Prova di Resilienza PDF

Corso di Metallurgia Prova di Resilienza  Prova di resilienza NB. La composizione chimica da sola non è sufficiente per stabilire se un materiale si romperà in modo fragile (bassa deformazione) o in modo duttile (alta deformazione)...

Corso di Metallurgia Prova di Resilienza  Prova di resilienza NB. La composizione chimica da sola non è sufficiente per stabilire se un materiale si romperà in modo fragile (bassa deformazione) o in modo duttile (alta deformazione) 2  Prova di resilienza Obiettivo: valutare la resistenza all’urto (energia assorbita durante l’urto) di una provetta di forma definita dalle norme provetta pendolo Per materiali metallici: Energia posseduta dalla mazza  300J Distanza supporti: 40 mm Energia assorbita:  mg  h (espressa in J) 3  Prova di resilienza L’energia assorbita durante la prova W è ottenuta attraverso la misura della differenza di altezza della mazza tra inizio e fine prova. 4  frattura fragile (bassa energia assorbita) frattura duttile (elevata energia assorbita) 5 La prova è di tipo tecnologico, e non può essere usata in sede di progettazione → è fortemente influenzata dalla geometria delle provette e dai parametri di prova (da indicare sui certificati). Geometria delle principali provette di resilienza 2 2 10 10 r = 0,25 r=1 5 55 10 55 10 45° provetta Charpy KV provetta Charpy KCU Per ottenere valori confrontabili le prove vanno fatte con provette di geometria definite dalle normative. Sul certificato di prova bisogna indicare la tipologia della provetta, la temperatura di prova, le misure di energia ottenute da ciascuna prova, oltre al dato medio delle 3 misure. 6 La prova di resilienza consente di classificare i diversi materiali in funzione del quantitativo di energia assorbita durante l’urto. Tanto più un materiale assorbe energia durante un urto tanto più è tenace. La misura di resilienza può, in prima approssimazione, essere considerata uno strumento per misurare la tenacità di un materiale. Resilienza: campioni con frattura duttile o fragile Frattura Frattura duttile fragile Un materiale caratterizzato da un elevato valore di resilienza si deforma molto. Un materiale a bassa resilienza è fragile e assorbe poca energia durante la propagazione della rottura. 7  Fenomeno della transizione duttile-fragile Durante la Seconda Guerra Mondiale, furono costruite numerose navi da trasporto (le navi della libertà). Le giunzioni tra lamiere furono realizzate per saldatura e non per rivettatura per la maggiore velocità di produzione. Delle oltre 4000 navi 24 hanno presentato cricche e 12 hanno avuto rotture nello scafo durante le traversate del Nord Atlantico (alcune rotture con navi ancorate in porto). Le rotture furono di tipo fragile anche se il materiale a temperatura ambiente con prove di trazione e di resilienza aveva comportamento duttile. Effetto della temperatura? Le ricerche delle cause del danno evidenziarono il fenomeno della transizione duttile-fragile e portarono alla scelta e produzione di acciai che garantissero sufficienti energie d’impatto alle basse temperature. 8  Resilienza: curve di transizione frattura duttile-fragile All'abbassarsi della temperatura di prova si può individuare il campo entro cui alcuni materiali metallici passano da una frattura duttile ad una fragile. Tale intervallo di temperatura viene chiamato intervallo di transizione. Diventa necessario definire la temperatura minima alla quale un acciaio può essere utilizzato mantenendo un comportamento duttile. Frattura duttile Tmin? (micro-dimples) Frattura fragile 9 (per clivaggio) La resilienza e la duttilità risentono in modo marcato dal tipo di reticolo cristallino La transizione Reticolo cubico a corpo centrato c.c.c. (in italiano) Fase  no transizione (cubico facce centrate) Reticolo cubico a facce Fase  transizione ~ 20°C centrate (cubico corpo centrato) c.f.c. (in italiano) Fase  +  transizione ~ -80°C/-100°C 10 Transizione duttile/fragile -60° C 0°C +60°C 11 Transizione duttile/fragile In caso di rottura mista duttile/fragile, tipica della zona di transizione, la frattura fragile è sempre posizionata al centro e quella duttile sul perimetro della sezione. NB: lo stato di sforzo triassiale favorisce la frattura fragile, perché tende a ridurre la componente di taglio (responsabile della deformazione plastica). 12 Transizione duttile/fragile La temperatura di transizione non è definibile con precisione; per individuare questo parametro è dunque applicare una convenzione: - temperatura Tr: corrispondente al valore di energia medio tra il livello massimo e minimo della curva di transizione; - temperatura FATT (Fracture Appearance Transition Temperature): corrispondente alla condizione in cui la frattura appare per il 50% fragile; - temperatura DDT (Ductility Transition Temperature): corrispondente ad un valore arbitrario di energia (es. 27 J per acciai da costruzione). Determinazione della temperatura di transizione Tr 13 Quando è importante conoscere la temperatura di transizione? Impianti che operano a bassa temperatura: - strutture off-shore nei mari freddi (es. mare del nord), - impianti per lo stoccaggio o il trasporto di gas liquefatti. 14 Quando è importante conoscere la temperatura di transizione? Aprile 1912 15 Quando è importante conoscere la temperatura di transizione? Il Titanic era costruito con acciaio con una temperatura di transizione duttile-fragile a 32°C. Il giorno dell’affondamento, la temperatura del mare era -2°C, condizione questa che rese la struttura molto fragile e suscettibile al danneggiamento quando la nave urtò un iceberg. 1. T utilizzo < T transizione 2. Urto Non si stava operando in condizioni di sicurezza per l’acciaio. 16 Quando è importante conoscere la temperatura di transizione? Se il materiale presenta il rischio di transizione bisogna utilizzarlo a temperature tali da avere sempre rotture duttili. Impiego a T > Ttransizione Materiali con transizione = limiti nelle temperature di utilizzo. 17  Quando è importante conoscere la temperatura di transizione? Nel caso di impianti criogenici, quali ad esempio le tubazioni per il trasporto di gas liquido, le basse temperature (i.e., -163 °C) impongono l’impiego di acciai inox austenitici (CFC). Saldature (zone a maggior rischio di frattura fragile) 18 Quando viene richiesta la prova di resilienza? Componenti soggetti ad urti o a sollecitazioni dinamiche Impieghi a basse temperature Pezzi con sezione trasversale ‘importante’ Giunti saldati Zona fusa e zona termicamente alterata (ZTA) possono presentare criticità in termini di ridotta duttilità e tenacità del materiale. Per questo motivo le specifiche tecniche richiedono oltre alla trazione anche prove di resilienza. Prelievo di provini Charpy da una saldatura per fusione 19  Acciai: effetto del tenore di carbonio sulle curve di transizione NB: aggiungere carbonio in un acciaio è facile e poco costoso e permette di aumentare durezza e resistenza a trazione, ma fragilizza notevolmente il materiale! 20 Effetto della direzione di prelievo sulle curve di transizione NB: per i prodotti ottenuti con tecnologie produttive che causano anisotropia di microstruttura e caratteristiche meccaniche, la giacitura della provetta di resilienza è una variabile che influenza sensibilmente il risultato della prova di resilienza. 21 Come si esegue una prova di resilienza? - Pendolo di Charpy. - Almeno 3 provette di ugual geometria. - Se non è richiesta la transizione: solo prove effettuate a T fissata. 22 NB: anche la finitura del fondo intaglio può avere effetti significativi sul risultato delle prove di resilienza. 23  Vantaggi e svantaggi della prova di resilienza - Consente con costi contenuti e rapidità di prova di confrontare il comportamento di diversi materiali in termine di resistenza agli urti (indice di tenacità all’impatto) rispetto ad un materiale preso come riferimento. - Non si ottengono risultati direttamente utilizzabili in progettazione se non di confronto con altri lotti produttivi o valori di soglia approssimati, in quanto il componente in esercizio opererà in condizioni di differenti: - velocità di deformazione o di applicazione del carico in genere più bassa, - diverso spessore del pezzo, etc. 24  Cosa abbiamo imparato La prova di resilienza è una prova tecnologica: il risultato dipende dalla geometria del provino e deve essere eseguita con un pendolo normato. La resilienza è un dato utile per componenti che devono operare in presenza di urti e in condizioni di bassa temperatura o con pezzi con grande sezione trasversale. Nel caso di impieghi a bassa temperatura è fondamentale conoscere la temperatura di transizione per scegliere il materiale che in esercizio abbia sufficienti margini di tenacità. Per ottenere un dato di resilienza ad una certa temperatura di prova occorrono almeno 3 prove con provette identiche. Per ottenere la temperatura di transizione del materiale è necessario ripetere la terna di prove a temperature differenti e poi interpolare i dati sperimentali con i metodi descritti. 25