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Proprietà dei materiali e dei metalli
AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)
Cap. ATS-G01 - Proprietà materiali - Pag. ATS-G01.10
Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2012 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina
Proprietà meccaniche dei Materiali e dei Metalli
Riguardano la capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni dovute all’azione di forze esterne. Le forze applicate ai materiali:
Sono forze
applicate con gradualità e continuità nel tempo. La capacità che i materiali
hanno di resistere a forze statiche è detta: resistenza meccanica. Le forze
statiche sono:
trazione,
compressione,
flessione,
torsione e
taglio.
Sono applicate in tempi brevi sotto forma di urto però per meno di 1 decimo di secondo. La resistenza dei materiali a forze dinamiche è detta: resilienza.
Hanno un carattere ripetitivo nel tempo. La resistenza dei materiali a forze periodiche è detta: resistenza alla fatica.
La resistenza che i materiali oppongono a forze applicate in zone ristrette o puntiformi è detta : durezza, ad esempio vedi tornitura e fresatura…
La resistenza che i materiali oppongono alle forze che vengono applicate sui contatti mobili e striscianti è detta: resistenza all’usura, ad esempio gli alberi e i cuscinetti, le guide di scorrimento.
Ogni sollecitazione che agisce singolarmente su una struttura è detta: sollecitazione semplice.
Si definisce sollecitazione statica l’insieme di forze esterne agenti su un corpo.
Un solido può essere sottoposto a più di una sollecitazione semplice contemporaneamente, in questo caso si parla di: sollecitazioni composte.
Un corpo è sollecitato a trazione quando 2 forze di uguale intensità tendono ad allungarlo.
Quando le forze dirette lungo l’asse tendono ad accorciarlo.
Si ha quando la forza applicata tende a piegarlo o a fletterlo. La direzione della forza è perpendicolare all’asse del pezzo.
Un corpo è sollecitato a torsione, quando è sottoposto ad una forza che tende a far ruotare una sezione del pezzo rispetto all’altra.
Si ha per effetto di una forza applicata, soltanto su una parte del corpo stesso, che tende di conseguenza a scorrere rispetto all’altra parte, mantenuta fissa da una forza contraria.
Occorre eseguire sui materiali delle prove specifiche, in laboratori attrezzati. Le prove vengono suddivise in:
1) Prove distruttive.
2) Prove non distruttive.
Le prove non distruttive si possono eseguire su qualsiasi pezzo meccanico.
Le prove distruttive vengono eseguite su campioni di materiali detti: provette.
La resistenza meccanica è la capacità dei materiali di resistere a forze statiche esterne. La resistenza meccanica dei materiali può essere misurata con prove specifiche di: trazione, compressione, torsione, taglio, flessione.
La prova più importante è quella di: trazione statica, dalla quale si rilevano le proprietà di resistenza, deformabilità e di elasticità del materiale.
La prova consiste nel sottoporre una provetta ad un carico di trazione applicato gradualmente e con continuità fino a provocarne la rottura. Un materiale sottoposto a trazione manifesta 5 momenti o fasi differenti di allungamento.
1) Elasticità e proporzionalità.
2) Sola elasticità (senza proporzionalità).
3) Elasticità e plasticità.
4) Snervamento.
5) Rottura.
Si ha quando il materiale è sottoposto ai primi carichi, l’allungamento cresce proporzionalmente al carico. A cessare del carico la provetta riacquista le dimensioni iniziali.
Aumentando il carico il materiale è ancora elastico, cioè le deformazioni permanenti sono trascurabili rispetto a quelle elastiche, la provetta si allunga di più e in modo non proporzionale al carico.
La provetta comincia a subire delle deformazioni che permangono, anche dopo aver eliminato il carico; il materiale presenta deformazioni sia plastiche, sia elastiche.
Si ha quando la deformazione della provetta aumenta per la prima volta senza che il carico diminuisca. Questo cedimento si chiama carico di snervamento. Questa fase non compare nei materiali fragili i quali giungono a rottura sotto un carico determinato, senza passare dalla fase di snervamento.
Aumentando il carico, la provetta continua a deformarsi fino a rompersi, in questa fase la sezione si stringe visibilmente e si ha il fenomeno di strizione.
La resilienza è la proprietà dei materiali di resistere a forze dinamiche (urti e strappi). La resilienza è l’inverso della fragilità. Quanto più grande è il valore della resilienza, tanto minore è la fragilità e viceversa. I materiali con buona resilienza sono detti tenaci, cioè mostrano buon allungamento e resistenza alla trazione.
Consiste nel misurare il lavoro (L) necessario per rompere con un sol colpo una provetta di materiale di sezione So. La resilienza (K) è espressa dal rapporto:
K = L / So
L’unità di misura della resilienza è: J/cm2.
E’ nota col nome di pendolino Charpy che incontra sulla sua traiettoria una provetta unificata, la rompe e continua la sua corsa fino ad una certa quota. La macchina è tarata per dare immediatamente su un quadrante il valore dell’energia assorbita dalla provetta.
Il lavoro (L) necessario per rompere la provetta è dato da:
L = P H - P h
dove:
P = peso.
H = altezza del peso del pendolo prima di rompere la provetta .
h = altezza del peso dopo la rottura della provetta.
Ricordiamo che l’indice di resilienza è dato da:
K = L / So
La durezza è la proprietà che hanno i materiali di resistere alla penetrazione di un corpo di un materiale duro, in ogni caso più duro del materiale in esame. Le prove di durezza non alterano il materiale sottoposto alla prova, consentono di stabilire il grado di lavorabilità delle macchine. In base alla durezza viene effettuata la scelta dei materiali per lavorazioni meccaniche. I materiali più duri hanno un’elevata resistenza alla trazione, sono poco plastici e adatti alle lavorazioni con macchine.
Il grado di durezza viene misurato comprimendo sulla superficie del materiale un penetratore di dimensioni opportune. Dalle dimensioni dell’impronta prodotta sotto un determinato carico, si deduce il grado di durezza. Gli apparecchi sono detti: durometri.
I metodi più usati per i valori della durezza sono: HB (Brinnell), HR( Rockwell), HV( Vickers).
Il metodo viene usato in prevalenza per materiali teneri, acciai dolci, leghe leggere. Si fa penetrare nel materiale in esame una sfera di acciaio duro, pressata con un carico prestabilito. La durezza è inversamente proporzionale alla superficie dell’impronta sul pezzo. Il diametro della sfera di solito è di 10 mm e il peso è di solito circa 3000 kg ( 29420 Newton). Il carico massimo deve essere raggiunto gradualmente e mantenuto da 10 a 15 secondi. Il diametro dell’ impronta (d) deve essere compreso tra ¼ e la metà del diametro della sfera (D).
HB = 0,102 F / S
Con:
F = valore carico.
S = superficie dell’impronta riscontrabile sul materiale.
F è espresso in Newton.
0,102 è il fattore di convenzione tra le 2 unità: 1 Newton = 0,102 Kg.
Esempio:
HB 5 / 750 / 20 significa che la prova di Brinell è stata eseguita con una sfera avente diametro di 5 mm, il carico F è di 750 Kg, applicato per 20 secondi.
La macchina per eseguire tale prova è dotata di un dispositivo che consente di regolare con precisione i carichi che agiscono sul penetratore.
Il metodo consiste nel far penetrare nel materiale in esame una punta di diamante a forma piramidale a base quadrata; sottoponendo il penetratore ad un carico prestabilito. Il valore della durezza non varia sensibilmente con il carico, che può variare da 5 a 100 Kg, quello più comune è di 294 Newton (30 Kg). La durata di applicazione è di 10-15 secondi.
La macchina è dotata di un sistema che consente di applicare al penetratore precisi carichi prestabiliti e la stampa dei risultati della prova.
Il suo simbolo è HV.
H V = F d / S
Con:
F = carico
S = superficie
d = diagonale del quadrato rilevabile otticamente sullo schermo della macchina.
Apposite tabelle danno direttamente il valore di S quando si conosce d.
Esempio:
HV 10 / 15: significa che il carico utilizzato è di 10 Kg per una durata di 15 secondi.
Per i materiali duri sono consigliate le prove di Vickers e Rockwell che sfruttano un penetratore di diamante. Per materiali teneri si consiglia la prova di Vickers, di Brinell e Rockwell.
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