Proprietà meccaniche

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Proprietà meccaniche

  1. 1. Le proprietà meccanichedei materiali dei materiali 1
  2. 2. L’eterno rapporto di causa ed effetto "Se vuoi conoscere le cause create nel passato, guarda gli effetti che si manifestano nel presente. Se vuoi conoscere gli effetti che si manifestano nel futuro, guarda le cause che vengono create nel presente 2
  3. 3. Lo sforzo e la deformazione L’effetto dell’applicazione diforze sui materiali è di indurredeformazioni transitorie e/opermanenti Il comportamento meccanico diun materiale è descrittomediante relazioni tra carichiapplicati e deformazioni La determinazione delledistribuzioni degli sforzi e delledeformazioni derivanti dacarichi esterni applicatipermette di dimensionare leparti in fase di progettazione Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 3
  4. 4. La rappresentazione sforzo/deformazione Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 4
  5. 5. La resistenza meccanica La resistenza meccanica è il massimo sforzo che un generico meteriale, sotto forma di provino, è in grado di sopportare prima della rottura. La resistenza meccanica dei materiali ai vari tipi di sollecitazione può essere misurata con prove specifiche di compressione, trazione, flessione, taglio e torsione e pertanto si parlerà rispettivamente di resistenza a compressione, resistenza a trazione .... Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 5
  6. 6. Analisi meccaniche sui materiali Le proprietà meccaniche vengono determinate in prove di laboratorio Le prove meccaniche si differenziano in base alla sollecitazione applicata. Il carico applicato può essere: Trazione Flessione Compressione Taglio Torsione Rispetto al tempo la distribuzione della sollecitazione applicata può essere: Istantanea Continua Alternata Prove meccaniche effettuate ad alta temperatura consentono di apprezzare le proprietà termostrutturali Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 6
  7. 7. Prove di trazione Sono le prove più comunemente utilizzate per determinare le proprietà meccaniche quali modulo elastico, resistenza, allungamento a rottura, tenacità Si applica una deformazione controllata ad un provino a osso di cane (una traversa è fissa, l’altra mobile) Si misura la risposta del campione in termini di forza Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 7
  8. 8. Sistema di misura e geometria del provino Lo sforzo e la deformazione si calcolano da: Allungamento del provino Forza del provino Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 8
  9. 9. Il modulo elastico o di Young Young modulus La deformazione elastica è la deformazione reversibile indotta da uno sforzo esterno agente sul materiale  Quando la forza agente viene annullata, si Shear modulus azzera anche la deformazione La proporzionalità tra σ ed ε è chiamata legge di Hooke La rigidità (stiffness) di un materiale è legata alla forza dei legami interni al materiale Bulk modulus Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 9
  10. 10. Rappresentazione graficaIl modulo è dato dalla pendenza della retta nel campo elasticoσ σe α εe ε Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 10
  11. 11. La rigidità specifica 11
  12. 12. Carico di snervamento Il valore della tensione in corrispondenza della quale il materiale inizia a deformarsi plasticamente, passando da un comportamento elastico reversibile ad un comportamento plastico caratterizzato da deformazioni irreversibili che non cessano al venir meno della causa sollecitante Il limite apparente di elasticità o carico di snervamento è quello che induce 0.2% di deformazione permanente Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 12
  13. 13. Modulo di Poisson ν In campo elastico, applicando una tensione monoassiale longitudinale, oltre alla deformazione longitudinale imposta, si verifica una contrazione trasversale ad essa proporzionale, misurabile dalla variazione del diametro del provino. La costante di proporzionalità tra le deformazioni è il coefficiente di Poisson (valore positivo) che può essere valutato misurando la deformazione trasversale e utilizzando la relazione Se il comportamento è isotropo, detto z l’asse di trazione, il modulo di Poisson è definito: Per un materiale ideale dovrebbe essere ν=0.5 Nei materiali più comunemente 0.25< ν<0.4 Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 13
  14. 14. Duttilità e fragilità La duttilità definisce la capacità del materiale di deformarsi (allungamento percentuale) prima della rottura La duttilità può anche essere determinata dalla riduzione di sezione (strizione) del provino Per la conservazione del volume infatti vale A*L=cost Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 14
  15. 15. Materiali duttili In un materiale duttile lo sforzo cresce fino a raggiungere un valore massimo Successivamente lo sforzo comincia a diminuire per effetto dello scorrimento plastico Il valore massimo dello sforzo è detto resistenza a trazione o modulo di rottura MOR Nei materiali metallici la duttilità è legata al movimento delle dislocazioni Nelle materie plastiche, la deformazione plastica è legata allo scorrimento delle catene polimeriche Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 15
  16. 16. Fragilità e duttilità Raggiunto il limite della deformazione elastica, un materiale si può comportare in due modi: Il campione si rompe Il campione continua a deformarsi, e la deformazione resta anche dopo che la forza agente viene annullata I due tipi di comportamento definiscono la fragilità e la duttilità di un campioneI materiali duttili presentano comportamento simile a trazione e a compressione Per i materiali fragili la rottura è innescata in punti di difetti. I materiali fragili resistono molto meglio a compressione, dal momento che la compressione tende a chiudere il difetto, e non ad ampliarlo Fragilità e duttilità dipendono anche dalla temperatura 16
  17. 17. Materiali fragiliNei materiali fragili, l’impossibilità degli atomi di scorrere provoca la rottura catastrofica del materiale quando la forza applicata supera la forza di legameLa resistenza dovrebbe essere quindi proporzionale al modulo elasticoCiò si verifica solo in parte, dal momento che i materiali fragili sono molto sensibili alle proprietà superficiali (cricche) Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 17
  18. 18. Strizione Quando la sezione del provino non si riduce in modo costante si entra nel campo di strizione, L’allungamento non è più omogeneo (uniforme su tutta la lunghezza) Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 18
  19. 19. Sforzo reale e deformazione realePer motivi pratici, lo sforzo e la deformazione si calcolano come mostrato in precedenzaLo sforzo che agisce realmente sul provino è σr σi Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 19
  20. 20. Influenza della struttura Per strutture cristalline CFC rimangono duttili anche a basse temperature Invece le strutture CCC ed EC presentano una netta transizione tra comportamento duttile e comportamento fragile abbassando la T di prova Lo stesso comportamento viene evidenziato da polimeri e ceramici Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 20
  21. 21. Resilienza o tenacità Capacità di un materiale di immagazzinare energia nel σ Alta resistenza, bassa duttilità, bassa resilienza campo elasto-plastico prima di arrivare a rottura media resistenza, media duttilità, alta resilienza La tenacità è pari all’area sottostante la curva σ/ε La resilienza dipende da resistenza e duttilità bassa resistenza, alta duttilità, bassa resilienza ε Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 21
  22. 22. Tenacità a confronto Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 22
  23. 23. La resistenza a flessione Per i materiali fragili si preferisce calcolare le proprietà meccaniche attraverso prove di flessione Infatti in prove di trazione la notevole sensibilità dei materiali ai difetti fa si che la rottura possa avvenire in corrispondenza dei morsetti di prova Nella prova a flessione l’assenza di ammorsaggi permette di ottenere risultati più significativi Spessore Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 23
  24. 24. Diagramma delle tensioni  La tensione media su una sezione è nulla poichè la compressione e la trazione si bilanciano F Compressione- Spessore 0 Trazione + Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 24
  25. 25. La durezza La durezza si definisce come la resistenza di un materiale alla deformazione plastica localizzataPer determinare la durezza si usa un penetratore (fatto di un materiale molto più duro del materiale da testare)Dall’area o l’impronta del penetratore sulla superficie del materiale se ne determina la durezzaLe prove di durezza sono di diversi tipi: Brinell Vickers Knoop RockwellI risultati ottenuti seguendo le diverse procedure non possono essere confrontati Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 25
  26. 26. La durezza e la SCALA DI MOHS La durezza è una misura che TENERI (si scalfiscono con indica la resistenza ad essere lunghia) scalfito. Nella scala di Mohs, 1 Talco composta da dieci minerali; ogni elemento scalfisce i precedenti e 2 Gesso viene scalfito dai successivi SEMI DURI (si rigano con una punta dacciaio) 3 Calcite 4 Fluorite 5 Apatite DURI (non si rigano con la punta di acciaio) 6 Ortoclasio 7 Quarzo 8 Topazio 9 Corindone 10 Diamante (Carborundum) Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 26
  27. 27. La durezza di Brinell (UNI 560-75)La prova di Brinell consiste nel far penetrare una sfera di acciaio molto duro di diametro "D" mediante applicazione di un carico "F", e nel misurare il diametro "d" dellimpronta lasciata dal penetratore sulla superficie del pezzo, dopo avere tolto il penetratore.I valori normati di F e di D sono F = 29400 N (=3000 kgf) D = 10 mm σmax=1/3 HB Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 27
  28. 28. Durezza Vickers (UNI 1955-75) Il penetratore Vickers è costituito da una piramide retta, a base quadrata, di diamante, con langolo al vertice (angolo fra due facce opposte) di 136° La prova si svolge applicando un carico di 294 N ( = 30 kgf) per 10-15 s Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 28
  29. 29. Prove di impatto Nelle prove di impatto un provino viene portato a rottura sotto l’urto di una massa in caduta libera pendolare Le prove di impatto permettono di ricavare la tenacità (energia assorbita a frattura) di un materiale La prova di impatto, in cui la forza è applicata a velocità elevatissime, accentua il carattere fragile di un materiale Le prove sono condotte seguendo due tipologie di prova: Charpy IzodLe prove vengono anche condotte in presenza di intaglio per determinare la sensibilità dal materiale Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 29
  30. 30. Prove Izod e CharpyW=P(h-h’)R=W/SLa resistenza si può calcolare per unità di lunghezza ( in corrispondenza dell’intaglio) o di area (superficie del campione all’intaglio) Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 30
  31. 31. Analisi delle curve σ/ε Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 31
  32. 32. Quesito tipo Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 32
  33. 33. Il creep Per effetto di un carico applicato costante, il materiale può continuare a deformarsi anche per tempi molto lunghi Il comportamento è più accentuato alle alte temperature (per i metalli a T>0.4Tf, per i polimeri a tutte le temperature) Il fenomeno di creep è legato a fenomeni di scorrimento nei metalli e di deformazione viscosa nei polimeri Nelle prove di creep si applica uno sforzo costante al provino e se ne misura la deformazione nel tempo Aumentando la deformazione, si misura la diminuzione di modulo elastico Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 33
  34. 34. Curve di creepIl comportamento di un materiale a creep si può descrivere individuando tre distinte zone nel diagramma tempo- deformazione:Creep primario: la velocità di creep diminuisce nel tempoCreep secondario: la velocità di creep si mantiene costanteCreep terziario: la velocità di creep aumenta nel tempo Deformazione tempo Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 34
  35. 35. Stress relaxationApplicando una deformazione costante al materiale, si misura il decadimento della forza necessaria a mantenere tale deformazione costante σ T t Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 35
  36. 36. La fatica I test a fatica studiano il comportamento meccanico di materiali soggetti a cicli di carico al di sotto del limite di rottura Resistenza a fatica: livello di carico a cui il materiale cede ad un determinato numero di cicli La fatica è la causa più importante di cedimento nei metalli Per un acciaio il limite di resistenza a fatica per N=∞ (Limite di fatica) si ottiene al 40-50% della resistenza a trazione Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 36
  37. 37. Prove di faticaVengono eseguite su uno strumento, detto macchina di Moore (flessione rotante)Nel caso in cui lo sforzo medio sia nullo (-σf<σ< σf) si determina per ogni valore di σf il numero di cicli Nf perché il provino si rompaLa tensione è quella nel punto più sollecitato (la tensione media sulla sezione è nulla) Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 37
  38. 38. Curva di WohlerRiportando il numero lo sforzo in funzione del numero di cicli si determina la curva di faticaLa resistenza a fatica va calcolata in corrispondenza di un certo numero di cicli (σf(Nf))Campo di resistenza quasi statica (Nf<103): la σf raggiunge valori prossimi a quelli della resistenza a rotturaLimite di fatica: è il tratto orizzontale, anche per N→∞ il materiale non si rompe (generalmente per σf<0.4-0.6 σr) Nf=K σf-m Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 38
  39. 39. Parametri importantiI principali fattori che influenzano la vita a fatica: Fattori legati allapplicazione del carico  entità della tensione alternata,  presenza di una tensione media,  tipo di sollecitazione (normale-tangenziale, sollecitazione mono/ bi/tri-assiale),  gradiente della tensione Fattori legati alla resistenza e allo stato del materiale caratteristiche meccaniche, temperatura, corrosione, tensioni residue Fattori legati alla geometria dellelemento forma, dimensioni, finitura superficiale Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali 39

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