Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche

dei materiali dei materiali

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

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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

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Lo sforzo e la deformazione

L’effetto dell’applicazione di forze sui materiali è di indurre deformazioni transitorie e/o permanenti Il comportamento meccanico di un materiale è descritto mediante relazioni tra carichi applicati e deformazioni La determinazione delle distribuzioni degli sforzi e delle deformazioni derivanti da carichi esterni applicati permette di dimensionare le parti in fase di progettazione

Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali

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La rappresentazione sforzo/deformazione


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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 ....

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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:

TrazioneFlessioneCompressioneTaglioTorsione

Rispetto al tempo la distribuzione della sollecitazione applicata può essere:

IstantaneaContinuaAlternata

Prove meccaniche effettuate ad alta temperatura consentono di apprezzare le proprietà termostrutturali

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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

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Sistema di misura e geometria del provino

Lo sforzo e la deformazione si calcolano da:Allungamento del provinoForza del provino

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Young modulus

Shear modulus

Bulk modulus

Il modulo elastico o di Young

La deformazione elastica è la deformazione reversibile indotta da uno sforzo esterno agente sul materiale Quando la forza agente viene annullata, si 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

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Rappresentazione grafica

Il modulo è dato dalla pendenza della retta nel campo elastico

σ

ε

σe

εe

α

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La rigidità specifica

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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


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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

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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

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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

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Fragilità e duttilità

Raggiunto il limite della deformazione elastica, un materiale si può comportare in due modi:Il campione si rompeIl 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 campioneI 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

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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 legameLa resistenza dovrebbe essere quindi proporzionale al modulo elasticoCiò si verifica solo in parte, dal momento che i materiali fragili sono molto sensibili alle proprietà superficiali (cricche)

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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)

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Sforzo reale e deformazione reale

Per motivi pratici, lo sforzo e la deformazione si calcolano come mostrato in precedenzaLo sforzo che agisce realmente sul provino è

σr

σi

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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

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Resilienza o tenacità

Capacità di un materiale di immagazzinare energia nel campo elasto-plastico prima di arrivare a rottura La tenacità è pari all’area sottostante la curva σ/ε La resilienza dipende da resistenza e duttilità

σ

ε

Alta resistenza, bassa duttilità, bassa resilienza

media resistenza, media duttilità, alta resilienza

bassa resistenza, alta duttilità, bassa resilienza

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Tenacità a confronto


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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

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Diagramma delle tensioni

La tensione media su una sezione è nulla poichè la compressione e la trazione si bilanciano

FCompressione

Trazione

Spessore

0+

-

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La durezza

La durezza si definisce come la resistenza di un materiale alla deformazione plastica localizzataPer 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 durezzaLe prove di durezza sono di diversi tipi:BrinellVickersKnoopRockwell

I risultati ottenuti seguendo le diverse procedure non possono essere confrontati

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La durezza e la SCALA DI MOHS

La durezza è una misura che indica la resistenza ad essere scalfito. Nella scala di Mohs, composta da dieci minerali; ogni elemento scalfisce i precedenti e viene scalfito dai successivi

TENERI (si scalfiscono con l'unghia)1 Talco2 Gesso

SEMI DURI (si rigano con una punta d'acciaio)3 Calcite4 Fluorite5 Apatite

DURI (non si rigano con la punta di acciaio)6 Ortoclasio7 Quarzo8 Topazio9 Corindone10 Diamante (Carborundum)

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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" dell'impronta 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

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Durezza Vickers (UNI 1955-75)

Il penetratore Vickers è costituito da una piramide retta, a base quadrata, di diamante, con l'angolo 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

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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:CharpyIzod

Le prove vengono anche condotte in presenza di intaglio per determinare la sensibilità dal materiale

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Prove Izod e Charpy

W=P(h-h’)R=W/SLa resistenza si può calcolare per unità di

lunghezza ( in corrispondenza dell’intaglio) o di area (superficie del campione all’intaglio)

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Analisi delle curve σ/ε


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Quesito tipo


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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

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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 tempoCreep secondario: la velocità di creep si mantiene costanteCreep terziario: la velocità di creep aumenta nel tempo

Deform

azione

tempo

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Stress relaxation

Applicando una deformazione costante al materiale, si misura il decadimento della forza necessaria a mantenere tale deformazione costante

σ

t

T

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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

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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)

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Curva di Wohler

Riportando il numero lo sforzo in funzione del numero di cicli si determina la curva di faticaLa 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 rotturaLimite 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

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Parametri importanti

I principali fattori che influenzano la vita a fatica:Fattori legati all'applicazione 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 materialecaratteristiche meccaniche,temperatura,corrosione,tensioni residue

Fattori legati alla geometria dell'elementoforma,dimensioni,finitura superficiale

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Technology

Proprietà meccaniche