Prova Di Trazione PDF

PROVE MECCANICHE: LA PROVA DI TRAZIONE 1  PROVE MECCANICHE - Il comportamento meccanico di una struttura può essere accertato mediante prove sforzo-deformazione. - Si tratta di test condotti in genere a temperatura ambiente. - Esistono 4 modalità principa...

PROVE MECCANICHE: LA PROVA DI TRAZIONE 1  PROVE MECCANICHE - Il comportamento meccanico di una struttura può essere accertato mediante prove sforzo-deformazione. - Si tratta di test condotti in genere a temperatura ambiente. - Esistono 4 modalità principali di applicazione del carico. Trazione Compressione Taglio Torsione 2  TENSIONE O COMPRESSIONE L’applicazione di un carico F (di trazione o compressione) genera sulla sezione nominale del campione uno stato di sforzo . Sforzo → Forza per unità di area 𝐹 𝑆𝑓𝑜𝑟𝑧𝑜 = 𝜎𝑇𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝜎𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝐴0 3  TAGLIO E TORSIONE F  N  - Nel caso del taglio: Sforzo =  = A 0  mm2  NB: in questo caso l’area resistente A0 è parallela alla direzione del carico F. - Nel caso della torsione: T r2  N  Massimo sforzo =  max =  mm2  J dove:  r4 J = momento d'inerzia polare = 2 4  CALCOLO DELLA DEFORMAZIONE Nel caso di stato di sforzo di trazione uniassiale, il calcolo della deformazione  prodotta nel materiale è molto semplice. 5  DEFORMAZIONE ELASTICA E PLASTICA - Il movimento delle dislocazioni provoca deformazioni plastiche → deformazioni permanenti (i.e., irreversibili allo scarico). - La rottura dei legami atomici comporta la formazione di nuovi, nello stesso numero, in corrispondenza delle aree deformate plasticamente → non c’è variazione di volume! 6 PROVE MECCANICHE: CLASSIFICAZIONE 7  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE Prova di trazione → Utilizzata per determinare diverse proprietà dei materiali → Proprietà importanti per la progettazione. Nel corso della prova il provino viene deformato fino a rottura per effetto di un incremento graduale del carico applicato → carico uniassiale applicato lungo l’asse principale del campione. Durante la prova, la deformazione è confinata nella zona centrale a sezione costante. Con questa prova è possibile determinare diverse proprietà del materiale: il modulo elastico (E, Young’s modulus); Rigidezza il carico unitario di snervamento (Rp0,2, Rs, 𝜎y, YS); Resistenza meccanica il carico unitario di rottura (Rm, 𝜎R, UTS); l’allungamento percentuale (A%, elongation); Duttilità la strizione percentuale (Z%, reduction of area). 8  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE Tale prova dovrà essere eseguita, per motivi di comparabilità, attenendosi alle relative norme standard → UNI EN 10002, EN 10002-1, ISO 6892, ASTM A370, ASTM E8… Sezione provini: Provini… → → Circolare (più comune) → Rettangolare Tratto a sezione uniforme (calibrato) + estremità a sezioni maggiorate per l’afferraggio alle traverse della macchina di prova. 9  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE La lunghezza del tratto prismatico è costituita da… L0: tratto utile → sul quale si effettuano le misure delle deformazioni. L: tratto calibrato → lunghezza del tratto prismatico prima dei raccordi con le teste. L – L0 → circa pari alla massima dimensione della sezione trasversale. Si assicura che in ogni punto della sezione trasversale si abbia una tensione normale uguale. 10  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE Affinché le grandezze ricavate dalla prova siano indipendenti dalla geometria del provino è necessario fissare il valore corretto del tratto utile L0. Esso viene stabilito in base alla sezione iniziale della provetta 𝑆0 secondo la seguente formula… 𝐿0 = 𝑘 ∙ 𝑆0 → 𝑘= costante 𝐿0 = 𝑛 ∙ 𝑑 Per le sezioni rettangolari si prende analogamente il multiplo 𝑛 del diametro del cerchio di uguale area. Nelle normative europee → 𝑘= 5,65 , n=5 Nelle normative americane → 𝑘= 4,61 , n=4 11  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE La geometria e le dimensioni delle provette dipendono: - dal tipo di prodotto o semilavorato da cui vengono estratte (lamiere, barre, profilati, ecc.); - dal tipo di componente da testare. Provino estratto da un Barra nervata per getto in ghisa grigia cemento armato 12  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE Macchine di prova Si possono distinguere 3 parti fondamentali: 1. Parte destinata a produrre lo sforzo: incastellatura con traversa mobile e traversa fissa + comando idraulico o meccanico azionato con un motore elettrico. 13  PROVE MECCANICHE: PROVA DI TRAZIONE 2. Parte destinata alla trasmissione dello sforzo. Comprende le due morse (afferraggi) e tutte le attrezzature che permettono di afferrare i campioni. 3. Parte destinata alla misura dello forza e dell’allungamento. - Cella di carico disposta in serie con il provino - Estensimetro per la misura degli allungamenti del provino 14  PROVA DI TRAZIONE - RISULTATI Le grandezze ricavate nel corso della prova sono 2: ✓ L’allungamento ∆L del tratto utile del provino di lunghezza iniziale L0. ✓ La forza F che sollecita il provino e lo deforma. Da esse possono essere derivate le seguenti relazioni… 𝐹 ∆𝐿 ∆𝐿 𝜎= 𝜀= → spesso indicata in %: 𝜀 = 100 ∙ 𝐴0 𝐿0 𝐿0 Le due grandezze 𝜎 (sforzo o tensione) e 𝜀 (deformazione) sono definite nominali o ingegneristiche perché sono riferite, rispettivamente, alla sezione iniziale 𝐴0 e alla lunghezza iniziale 𝐿0 del tratto di riferimento del campione. 15  PROVA DI TRAZIONE - RISULTATI Curva 𝜎 − 𝜀 Risultato di Prova Ingegneristica o nominale 𝜎 [𝑀𝑃𝑎] 𝐹 [𝑁] ∆𝐿 𝜀 16  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTICO La maggior parte dei metalli, a carichi relativamente bassi, subisce una deformazione elastica, descritta dalla legge di Hooke: σ = Eε scarico dove:  = sforzo (MPa)  = deformazione elastica E = modulo elastico o di Young (MPa) NB: il modulo di Young è una proprietà carico piuttosto stabile nei metalli (es. negli acciai varia tra 190-210 GPa). 17  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTICO Definiremo come elastico il comportamento di un materiale che allo scarico, cioè una volta rimossa l’azione esterna, ripercorre lo stesso legame 𝐹 − ∆𝐿. All’aumentare del carico, il comportamento elastico del materiale può subire delle deviazioni dall’andamento perfettamente lineare. Limite di proporzionalità → carico oltre il quale cessa il comportamento elastico-lineare del materiale (non vale più la legge di Hooke). Limite elastico → carico oltre il quale cessa il comportamento elastico (si entra nel campo delle deformazioni plastiche). 18  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTICO Per alcuni materiali (es. ghise grigie, polimeri, ecc.) già il tratto iniziale della curva non è lineare → 𝐸 è funzione della deformazione → 𝐸 = 𝐸(𝜀). In questi casi è necessario riferirsi ad altri tipi di modulo elastico: 1) Modulo tangente all’origine 2) Secante 3) Cordale 4) Tangente Es. ghise grigie → 𝐸 molto variabile (80-150 GPa) → dipende dalla quantità e dalle caratteristiche della grafite. 19  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTICO Es. Ghise grigie. Per le ghise grigie spesso si utilizza il modulo secante: 𝜎1 = 25% 𝜎𝑅 20  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTO-PLASTICO - Il passaggio dal comportamento elastico a quello plastico può assumere forme diverse a seconda del metallo considerato. - Può avvenire in maniera graduale, oppure in modo netto, manifestando un punto di snervamento (yielding point). Fase di snervamento 21  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTO-PLASTICO - Per i metalli dove la transizione risulta graduale, lo snervamento può essere fatto coincidere convenzionalmente con il limite di proporzionalità 𝜎pr (MPa). → carico unitario di snervamento 𝜎𝑦 (Rsn) = 𝜎pr - Se però lo scostamento dalla linearità non è netto, lo snervamento può essere definito come lo sforzo che produce una deformazione plastica di 0,2% (𝜀 = 0,002) → in tal caso 𝜎𝑦 viene chiamato Rp02 (NB. Nel caso delle ghise, il carico unitario di snervamento è definito per  = 0,001). 22  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTO-PLASTICO - I metalli che presentano il punto di snervamento si deformano plasticamente a carico costante o lievemente crescente (es. acciai con impurezze interstiziali di C e N). - Primi slittamenti lungo i piani a 45° rispetto alle direzioni principali di sforzo, a cui seguono via via slittamenti più estesi→ formazione delle bande di Lüders. 23  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTO-PLASTICO - Nei metalli che presentano il punto di snervamento la deformazione plastica inizia con la caduta dello sforzo → limite di snervamento superiore (ReH). - Segue una fluttuazione dello sforzo Limite di snervamento intorno ad un valore medio → limite di superiore snervamento inferiore (ReL). Limite di snervamento Sforzo inferiore - Successivamente lo sforzo 𝜎 torna a crescere con la deformazione 𝜀. - Il carico unitario di snervamento 𝜎𝑦 viene fatto coincidere con il limite di snervamento inferiore ReL. Deformazione 24  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTO-PLASTICO - Come già detto, lo snervamento (yielding point) caratterizza gli acciai dolci contenenti atomi interstiziali quali C e N. - La presenza nel reticolo di atomi interstiziali (es. C e N) produce un eccezionale incremento di durezza. - La solubilità di C e N è così bassa, che i due atomi hanno una forte tendenza a segregare sulle dislocazioni presenti. - Le dislocazioni vengono così bloccate nella loro posizione → atmosfere di Cottrell. 25  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO ELASTO-PLASTICO - La formazione delle atmosfere di Cottrell (‘strain aging’) spiega il fenomeno dello snervamento. - Arrivati al limite superiore ReH, le dislocazioni si sbloccano improvvisamente, producendo un brusco calo del carico necessario a muoverle → transizione elasto-plastica. 26  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO PLASTICO SENZA STRIZIONE Dopo lo snervamento, lo sforzo necessario per deformare il provino continua ad aumentare fino a raggiungere un valore massimo  carico unitario di rottura R [MPa]. R NB: il provin Sforzo o non  si è ancor a rotto! Deformazione  27  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO PLASTICO SENZA STRIZIONE - L’aumento del carico necessario per continuare la deformazione è conseguenza del fenomeno di incrudimento. - Nel tratto plastico, scaricando il provino si recupera solo la deformazione elastica. Se il provino viene ricaricato, il carico unitario di snervamento y cambia e risulta più elevato. 28  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO PLASTICO SENZA STRIZIONE - L’incrudimento può essere descritto dalle seguente equazione: dove: 𝑛 = indice di incrudimento, 𝑘 = fattore di sforzo NB: i risultati di una prova di trazione dipendono fortemente dalla microstruttura del materiale (influenzata dai trattamenti termici). 29  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO PLASTICO CON STRIZIONE - Raggiunto il carico massimo, nel provino si comincia a formare un restringimento di sezione localizzato, definito strizione, che aumenta fino a portarlo a frattura. - Lo sforzo massimo viene definito carico unitario di rottura R (o RM, UTS), nonostante non ci sia la rottura. - Rappresenta lo sforzo massimo che può essere sostenuto dalla struttura sollecitata a trazione. 30  PROVA DI TRAZIONE – TRATTO PLASTICO CON STRIZIONE - La strizione si verifica a causa della presenza di inclusioni non metalliche all’interno del metallo. - La deformazione plastica si localizza su questi difetti  formazione di micro-cavità (dimples) che coalescono, fino a causare la rottura del provino. Dimples Taglio Fibrosa 31  PROVA DI TRAZIONE – CURVA REALE - Dopo la strizione il materiale sembra indebolirsi  ciò è FALSO! - Nella curva - nominale, lo sforzo è infatti calcolato utilizzando la sezione iniziale A0 e non quella istantanea Ai. - In alcuni casi (es. grandi deformazioni), è più corretto calcolare e disegnare la curva - reale: F L Curva σR = ε R = ln i reale Ai L0 poiché Ai∙Li = A0∙L0, si ottiene: Curva σR = σ  (1+ ε ) nominale εR = ln(1+ ε ) 32  PROVA DI TRAZIONE – ENERGIA ASSORBITA - L’area sottesa dalla curva - rappresenta l’energia assorbita prima della rottura → indice di tenacità del materiale. - In generale, un materiale tenace è anche un materiale duttile, ma non è necessariamente vero il contrario (es. Pb). Fragile Duttile e tenace Fr Duttile Sforzo  agi le Deforma zione  33  PROVA DI TRAZIONE – DUTTILITA’ - La duttilità di un materiale può essere misurata in termini di allungamento e strizione percentuale a rottura: Allungamento percentuale A% (specificando il valore di L0) : L f − Lo A% =  100 Lo Lo Lf Strizione percentuale Z%: A − Af Ao Af Z% = o  100 Ao 34  Carico Carico unitario di unitario di snervamen rottura to MPa MPa Proprietà meccaniche tipiche di alcuni metalli e leghe allo stato ricotto Carico unitario di snervamento Duttilità Tipo di ghisa Carico unitario di rottura MPa MPa A% GJL-150 132 200 0.3-0.8 GJL-250 197 300 0.3-0.8 GJL-350 257 400 0.3-0.8 Proprietà meccaniche tipiche di alcune ghise 35  PROVA DI TRAZIONE – TEMPERATURA - La temperatura ha grande influenza sui risultati della prova:  T   modulo elastico, carico unitario di snervamento e di rottura;  T   duttilità.  [Mpa] Sforzo Sforzo  [psi] Deform azione  36  PROVA DI TRAZIONE – FRATTURA Superfici di frattura Anche l’aspetto macroscopico delle superfici di frattura riflette la natura duttile o fragile del materiale in esame. Rottura in un punto Rottura coppa-cono Rottura per distacco (estremamente duttile) (materiale duttile) (materiale fragile) 37  PROVA DI TRAZIONE – FRATTURA Superfici di frattura 38  PROVA DI TRAZIONE – FRATTURA La rottura duttile osservata ad alti ingrandimenti mostra la presenza di dimples con 2 diverse morfologie, a seconda del punto di analisi: Bordo inclinato di Frattura piatta scorrimento Dimples emisferici (dritti e simmetrici) Dimples allungati (deformati nella direzione di scorrimento) 39  PROVA DI TRAZIONE – FRATTURA La rottura fragile, se analizzata ad alti ingrandimenti, può presentare 2 diverse morfologie, a seconda dei casi: Frattura fragile Frattura fragile transgranulare intergranulare (per clivaggio) 40  PROVA DI TRAZIONE – APPROFONDIMENTO innesco innesco innesco NB: la superficie di frattura fragile di un componente reale ha spesso caratteristiche distintive che la contraddistinguono. 41