Prova di Trazione

Materie:	Appunti
Categoria:	Tecnologia Meccanica
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Data:	24.06.2005
Numero di pagine:	13
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RELAZIONE
Prova di trazione statica (UNI EN 10002)
E’ la più importante prova convenzionale meccanica. Si esegue su ogni materiale allo scopo di rilevare le caratteristiche di resistenza, deformabilità e di elasticità: è pertanto fondamentalmente una prova di collaudo, di riconoscimento, di selezione. Con la prova di trazione statica si ricavano indici di confronto che, per quanto convenzionali, consentono la formulazione di giudizi relativi allo stato del materiale ed alle possibilità del suo impiego. Questa prova costituisce pertanto il mezzo di controllo dei processi tecnologici (stampaggio, fucinatura, saldatura, laminazione, trafilatura, trattamenti termici, ecc.) offrendo al progettista valori di riferimento per il calcolo e il dimensionamento degli organi di macchine. La prova analizza gli effetti e raramente le cause: pertanto potrà essere integrata con altre prove, analisi, ricerche. Esempio: la prova di trazione di un acciaio fucinato può avere rilevato insufficienza di resistenza. Se la prova è di semplice collaudo, la partita si scarta. Se la prova è di contestazione, occorre ricercare le cause con altre prove ed analisi. Nel caso dell’esempio l’insufficienza della resistenza può essere provocata da errata composizione chimica (sostituzione del materiale), da alterazione strutturale per anormale processo di lavorazione (surriscaldamenti, bruciature, decarburazioni, segregazioni, incolonnamenti, ecc.), da irregolarità o da omissioni di trattamenti termici (temperature e permanenze errate, ambienti non idonei, raffreddamenti non adeguati, cicli non meditati, ecc.). Conseguentemente l’analisi chimica, l’analisi microstrutturale, le prove di resistenza e/o di piegamento possono fornire un quadro più completo. Normalmente le norme di collaudo prescrivono, oltre la prova di trazione, altre prove il cui numero, natura e severità è proporzionale all’importanza dell’organo cui il materiale è destinato. Esempio: le lamiere impiegate per la costruzione di recipienti contenitori di gas o di vapori sotto pressione si collaudano con la prova di trazione statica, la prova di resilienza, la prova di piegamento.
Provette
Per la prove meccaniche dei materiali metallici valgono le seguenti definizioni:
- prodotto: è l’elemento scelto di un’unità di collaudo per ottenere delle provette;
- saggio: è il materiale prelevato dal prodotto in quantità sufficiente per il ricavo di una o più provette;
- barrotto: è la parte del saggio che ha subito un trattamento meccanico, seguito eventualmente da un trattamento termico, destinato all’approntamento delle provette;
- provetta: è la parte di un saggio prelevato da un prodotto o da un barrotto, di dimensioni fissate, lavorata di macchina o no, portata allo stato voluto per subire una determinata prova; la provetta, in alcuni casi, può essere costituita dal saggio stesso o dal barrotto e può inoltre subire un trattamento termico che le conferisce uno stato diverso da quello di partenza detto stato di riferimento.
Prelievo e preparazione dei saggi e delle provette
Il saggio deve essere prelevato in modo tale che la posizione e l’orientamento delle provette che ne saranno ricavate corrispondano, rispetto al prodotto, alle prescrizioni della norma qualitativa del prodotto stesso. Per l’acciaio ed i prodotti siderurgici, in mancanza di queste prescrizioni, consultare la norma UNI EU 18. Il distacco del saggio dal prodotto deve essere fatto in modo da non alterare le caratteristiche della parte del saggio che dovrà fornire le provette. La provetta deve essere ricavata dal saggio mediante lavorazione a freddo in modo da non modificare le caratteristiche meccaniche del materiale per incrudimento superficiale e riscaldamento. La forma e le dimensioni raccomandate per le provette sono riportate nelle norme per la prova di trazione dei singoli materiali. Per l’acciaio nelle provette a sezione rettangolare il rapporto tra le dimensioni dei due lati non deve essere superiore a 8/1 mentre il diametro della parte calibrata delle provette a sezione circolare non deve essere minore di 4 mm. Nelle provette si distinguono la lunghezza iniziale tra i riferimenti L0, la lunghezza della parte calibrata Lc e le teste di serraggio aventi forma e dimensioni appropriate ad essere afferrate dai morsetti della macchina di prova. La parte calibrata deve essere raccordata alle teste mediante raccordi preferibilmente ad arco di cerchio per evitare concentrazioni di sforzi che influiscono sui risultati della prova. Alcuni prodotti (profilati, barre, getti di ghisa malleabile, ecc.) possono essere sottoposti alla prova di trazione allo stato grezzo. Per le modalità di prelievo e di preparazione e per la forma e dimensioni delle provette per materiali metallici non ferrosi si deve fare riferimento alle specifiche norme per ogni singolo materiale (ad esempio per i semilavorati di alluminio, magnesio e loro leghe, ottenuti da lavorazione plastica, si fa riferimento alla UNI 8899).
Macchina
E’ costituita da un complesso di dispositivi che consentono di afferrare e di sollecitare la provetta con carichi regolabili nell’intensità e nella velocità d’incremento, misurabili con precisione e continuità, registrabili con fedeltà e con rapporti d’amplificazione opportuni contemporaneamente alle deformazioni della provetta. Pertanto la macchina è formata dai seguenti organi.
Organo di potenza
E’ destinato a fornire lo sforzo sollecitante. Può essere a comando meccanico o a comando idraulico. L’organo di potenza a comando meccanico è realizzato con dispositivi a leve e con coppie cinematiche (ruota elicoidale-vite senza fine, vite-madrevite) che nell’espressione più elementare sono azionate da un motore elettrico e cambio ma in realtà sono comandate da motori a variazione continua con controllo elettronico costituente una centrale di comando con molteplici funzioni quali la preselezione delle velocità entro gamme estese, la costanza del carico nel tempo, la variazione ciclica, reversibile, programmata, ecc.
Organo misuratore
E’ destinato a misurare lo sforzo di trazione che agisce sulla provetta e quindi è uno strumento per la misura statica delle forze. Può essere un dinamometro a pendolo con comando meccanico od idraulico, un dinamometro a molla, un dinamometro estensimetrico, ecc.
Parametri della prova di trazione statica
La norma UNI EN 10002/1 del gennaio 1992 Indica che la prova a temperatura ambiente consiste nel sottoporre una provetta ad uno sforzo di trazione generalmente fino a rottura. I parametri che individuano le caratteristiche meccaniche di resistenza, di deformabilità e di elasticità di un materiale metallico sottoposto a sollecitazioni di trazione statica si interpretano osservando il diagramma delle deformazioni che per gli acciai ricotti è caratterizzato dalla netta separazione delle varie fasi.
Regime elastico
In questa fase i costituenti del corpo solido cristallino si deformano elasticamente in quanto la deformazione è reversibile. Pertanto tutto il lavoro necessario per l’allungamento viene assorbito sotto forma di energia potenziale elastica, dovuta alla variazione delle distanze interatomiche nel reticolo: questa energia resta così pienamente disponibile per la deformazione inversa. Pertanto si può definire l’elasticità la proprietà della materia in virtù della quale i corpi metallici deformati per effetto di un carico esterno riacquistano la forma e le dimensioni originarie al cessare di questo. Precisamente queste forze interatomiche sono attrattive e crescono al diminuire della distanza dei baricentri degli atomi, ma quando tale distanza diventa inferiore ad un certo valore limite, variabile da caso a caso, cambiano segno e diventano repulsive. In questa fase esiste proporzionalità diretta tra i carichi e gli allungamenti. Pertanto la prima parte del grafico è rappresentata da un tratto rettilineo corrispondente al campo di validità della legge di Hooke (entro determinati limiti le deformazioni provocate dalle sollecitazioni sono proporzionali alle sollecitazioni stesse):
L / L0 = Fi / E S0;
dove dL è l’allungamento elastico, L0 è la lunghezza iniziale tra i riferimenti prima dell’applicazione del carico, S0 è l’area della sezione trasversale della parte calibrata della provetta, misurata prima dell’inizio della prova, Fi è un carico qualsiasi fornito dalla macchina di prova e il cui valore è compreso entro il regime elastico ed E è il modulo di elasticità normale il cui valore è un parametro indicativo del comportamento di ciascun materiale in condizioni di sollecitazione normale. Di conseguenza il punto A del diagramma rappresenta il carico limite di proporzionalità Flp cioè il carico oltre il quale cessa di avere valore la legge di proporzionalità tra carichi ed allungamenti. Pertanto al cessare del carico le deformazioni permanenti sono nulle poiché il corpo riacquista la forma e le dimensioni iniziali.
Regime elasto-plastico
Il materiale sotto carico subisce allungamenti determinati dalla somma di deformazioni elastiche e deformazioni plastiche: gli allungamenti crescono più rapidamente dei carichi e pertanto la legge di Hooke (che risale al 1678) non è più rispettata. Al cessare del carico la provetta subisce un ritorno elastico e conserva una deformazione plastica di piccola entità. In alcune regioni gli atomi del reticolo, anche al cessare della sollecitazione, non ritornano nella posizione primitiva poiché una parte del lavoro assorbito per l’allungamento durante questa fase viene immagazzinata sotto forma di energia elastica che ha un carattere reversibile (cioè non si produce calore) e una parte viene dissipata sotto forma di calore causando una deformazione plastica irreversibile.
Regime plastico
Quando la sollecitazione cresce oltre il carico limite di elasticità, le distanze interatomiche del reticolo sono divenute così grandi che anche al cessare della sollecitazione gli atomi non riprendono la posizione primitiva in quanto hanno trovato un equilibrio su nuove posizioni reticolari scorrendo plasticamente. Le deformazioni sono perciò irreversibili e di conseguenza ha inizio la deformazione plastica. Il carico di snervamento FeH è il valore del carico nell’istante in cui si osserva effettivamente la prima diminuzione del carico in corrispondenza del quale si passa bruscamente dalla piccole alla grandi deformazioni. Il carico di snervamento inferiore FeL è il valore più basso del carico raggiunto nel corso dello snervamento. L’allungamento localizzato si produce nella provetta accompagnato da una visibile riduzione di sezione (strizione) che si concentra in una zona determinata della provetta in corrispondenza della quale si manifesterà la rottura. La rottura della provetta viene indicata con il carico ultimo Fu. Queste diverse fasi sono più o meno distinte a seconda dei materiali; alcuni di essi (rame, ottone, leghe leggere, acciai bonificati, ecc.) passano senza soluzioni di continuità dalle piccole alle grandi deformazioni. La prova a temperatura ambiente consiste nel sottoporre una provetta ad uno sforzo di trazione, generalmente fino a rottura, allo scopo di determinare una o più delle caratteristiche indicate nel seguito: si esegue a temperatura ambiente, nei limiti fra 10 e 35 °C. Le prove effettuate in condizioni controllate devono essere eseguite ad una temperatura di 23 p 5°C (per le prove a temperatura diversa da quella ambiente si applicano le corrispondenti norme specifiche).
Determinazione delle caratteristiche tensili
Le caratteristiche prescritte dalla norma relativa al singolo materiale, devono essere determinate secondo le prescrizioni indicate nel seguito.
Carichi unitari di snervamento
Si definisce snervamento il fenomeno che si può manifestare per alcuni materiali metallici quando, durante la prova, si raggiunge un punto in corrispondenza del quale si manifesta una deformazione plastica senza alcun incremento del carico. L’aumento dell’allungamento a carico pressoché costante denota un rapido scorrimento dei cristalli per effetto del superamento della tensione tangenziale critica. Il carico subisce variazioni aperiodiche di ampiezza e frequenza dipendenti dal materiale e dal suo stato, comprese tra un valore superiore FeH ed uno inferiore FeL, escluso l’effetto transitorio iniziale. La loro determinazione deve essere fatta rispettando la velocità di incremento dell’allungamento (o del carico) prescritta dalla norma di prodotto essendo questa velocità notevolmente influente sul rilevamento dei valori per effetti di inerzia. I carichi di snervamento superiore FeH ed inferiore FeL possono essere determinati visivamente o mediante un diagramma carichi – allungamenti o in maniera similare. Il carico unitario di snervamento superiore ReH è definito dal rapporto tra il carico di snervamento superiore nell’istante in cui si osserva effettivamente la prima diminuzione del carico e dell’area della sezione iniziale S0 della parte calibrata della provetta:
ReH = FeH / S0 (N/mm^2)
In campo elastico e fino a raggiungimento del suddetto carico unitario la velocità di allontanamento delle teste della macchina deve essere la più costante possibile e compresa entro i limiti corrispondenti alle velocità di incremento del prospetto riportato alla pagina seguente.
Modulo di elasticità del materiale
N/mm^2
Velocità di incremento del carico
N/mm^2*s^-1
Min.
Max.
< 150.000
2
10
150.000
6
30

Il carico unitario di snervamento inferiore ReL è definito dal rapporto tra il carico di snervamento inferiore FeL , corrispondente al valore più basso del carico durante la deformazione plastica non tenendo conto degli eventuali effetti transitori iniziali che si possono verificare, e l’area della sezione iniziale S0 della provetta:
ReL = FeL / S0 (N/mm^2)
La velocità di incremento del carico in campo elastico deve essere compresa entro i limiti fissati nel prospetto precedente.
Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità Rp
E’ definito dal rapporto tra il carico di scostamento dalla proporzionalità Fp 0 , … e l’area della sezione iniziale S0 della provetta:
Rp 0, … = Fp 0, … / S0 (N/mm^2)
Il carico Fp 0, … è quello al quale corrisponde un allungamento non proporzionale (elastico + plastico) pari ad una percentuale prescritta nella lunghezza iniziale L0 tra i riferimenti della provetta; viene determinato tracciando con un estensimetro di precisione conveniente la curva dei carichi (in ordinate) in funzione degli allungamenti (in ascisse), parallelamente alla parte rettilinea del primo tratto della curva, si traccia una linea retta con distanza da quella, misurata sulle ascisse, pari alla percentuale di allungamento non proporzionale descritta (dalle norma relative al materiale in esame o per accordo tra le parti interessate) della lunghezza iniziale tra i riferimenti L0. Il punto in cui la linea retta interseca la curva rappresenta il carico di scostamento della proporzionalità richiesto. La velocità di incremento del carico in campo elastico deve essere compresa entro i limiti fissati nel prospetto precedente. In campo plastico e fino a raggiungimento del suddetto carico la velocità di deformazione oL / L0 * 1 / t non deve essere maggiore di 0.0025 al secondo. Evidentemente il carico unitario in oggetto intende sostituire il carico unitario limite di proporzionalità di impossibile determinazione. Infatti la loro coincidenza si avrebbe per uno scostamento tendente a zero. La precisione del tracciato del diagramma carichi – allungamenti è fondamentale. Qualora la parte rettilinea del diagramma suddetto non sia chiaramente definita e la retta parallela non possa essere tracciata con sufficiente certezza, si ricorre al seguente procedimento. Una volta superato il carico Fp presunto, il carico viene ridotto fino ad un valore uguale a circa il 10% del carico raggiunto. Si incrementa nuovamente il carico fino al superamento del valore raggiunto in precedenza. Si traccia quindi una retta attraverso il ciclo di isteresi e quindi una retta parallela a quest’ultima la cui distanza dall’origine della curva , misurata sull’asse delle ascisse, corrisponde alla percentuale di allungamento non proporzionale prescritta. Il punto in cui tale retta interseca la curva carichi – allungamenti indica il carico Fp richiesto. Il valore di Rp 0, … si ottiene dividendo Fp 0, … per l’area della sezione iniziale S0 della provetta.
Carico unitario di rottura Rm (detto anche resistenza a trazione)
E’ definito dal rapporto tra il carico massimo Fm e l’area della sezione iniziale S0 della provetta:
Rm = Fm / S0 (N/mm^2)
Il carico massimo è individuato visivamente e graficamente dal valore del carico più elevato sopportato dalla provetta nel corso della prova dopo il superamento dello snervamento. Esso viene convenzionalmente assunto come carico di rottura, cioè come carico che non deve essere raggiunto per determinare la rottura.

carichi

Fm

Allungamenti in %
A
In campo plastico la velocità di allontanamento delle teste della macchina di prova non deve essere maggiore di 0.5 L0 al minuto. Tale velocità è valida anche in campo elastico se non è richiesta la determinazione di un carico di snervamento. In ogni caso la velocità di prova deve essere il più possibile uniforme e il cambiamento di velocità (sia per il campo plastico sia per quello elastico) deve essere effettuato progressivamente e senza rapide variazioni.
Allungamento percentuale dopo rottura A
E’ rappresentato dall’espressione:
A = 100 Lu – L0 / L0 (%)
In cui Lu è la lunghezza ultima tra i riferimenti dopo la rottura della provetta e dopo la sua ricostruzione, misurata dopo avere riportato a contatto, in modo accurato, i suoi due frammenti nella posizione di rottura in maniera tale che i loro assi siano, per quanto possibile, l’uno sul prolungamento dell’altro ed L0 è la lunghezza iniziale tra i riferimenti (tratto utile) misurata prima dell’applicazione del carico.
Coefficiente percentuale di strizione Z
E’ definito dal rapporto fra la variazione massima dell’area della sezione trasversale della provetta (S0 – Su) che si produce durante la prova e l’area della sezione iniziale S0 della provetta, espresso in % :
Z = 100 S0 – Su / S0 (%)
Dove Su è l’area minima della sezione della provetta, misurata dopo rottura. Per provette cilindriche:
Z = 100 d^2 – d^2u / d^2 (%)
Essendo d e du rispettivamente il diametro iniziale e finale della provetta. Le provette a sezione circolare subiscono contrazioni circa uniformi e la sezione finale è ancora circolare: tuttavia si assume per du la media aritmetica di due diametri ortogonali misurati nella sezione di massima contrazione. I materiali che presentano contemporaneamente elevati valori di Z e di A sono duttili, cioè possono essere ridotti facilmente in fili. Impiegando le provette indicate nella UNI 7957 è possibile il rilievo della: duttilità dei materiali ferrosi, nella direzione dello spessore del prodotto attraverso la misura di Z.
Esecuzione prova con estensimetro
Lo strain-gage (estensimetro) è un resistore che varia la sua resistenza variando la sua lunghezza e permette quindi di amplificare le deformazioni del materiale per effetto di una sollecitazione applicata, indicandone o registrandone i valori.
L’estensimetro viene montato nel tratto tra i riferimenti(L0) della provetta e collegato tramite cavo alla macchina universale. Quest’ultima viene impostata adeguatamente secondo il tipo di prova. Il grafico ottenuto avrà i seguenti fondiscala: pL (X) 1cm = 0.0125mm; F (Y) 1cm = 3KN. Durante la prova si raggiungerà un carico massimo di circa 40KN, restando sempre nel campo elastico. Il grafico presenta una buona linearità. All’inizio della prova, il grafico rileva una leggera curva; questa non è dovuta al materiale ma allo scivolamento della provetta fra le ganasce.
Esecuzione prova
1)- Misurazione provetta per verificare se è a norma. Perché sia norma deve avere il Dmax – Dmin 0.05 mm per verificare la cilindricità.
2)- Parametri di impostazione della macchina.
In questo caso si opera con un fondo scala pari a 300 KN, calcolato tramite la formula:
Fm = 0.34*HBs*S0
Dove HBs è la durezza Brinell con penetratore a sfera (D = 2.5mm) del materiale stesso (pari a 190) e S0 la sezione della provetta. Dal calcolo risulta una Fm di 202840 N mentre quella reale è di 213500 N. Questa formula ci dà valori non precisi ma poco scostati dalla realtà.
Il plotter ha indicato sull’asse delle ordinate (y) i carichi e sull’asse delle ascisse (x) gli allungamenti. Entrambi hanno un fondoscala rispettivamente di: 1 cm = 15 KN; 1 cm = 1.25 mm.
Durante la prova la provetta deve raggiungere il collasso tra 2 e 5 minuti dall’applicazione del primo carico. La prova è stata effettuata ad una temperatura di 20°C.
I vari valori riguardanti la prova sono riportati nella tabella.
Purtroppo è stato impostato un fondoscala sbagliato e pertanto il grafico non appare nella sua completezza. Tuttavia è sufficiente per calcolare i parametri che ci interessano.
Nel caso specifico si è rilevata un tipo di frattura a coppa e rientra nella tabella UNISIDER 4.
La rottura rientra nel terzo medio, di conseguenza la prova è valida.
Dai vari valori ottenuti dalla prova, confrontati con la tabella di pag. 349 del manuale, possiamo definire un C 43 TF l’acciaio impiegato durante la prova. Infatti, i valori di Rm, Rp0.2 e A, Rientrano in quelli fissati dal manuale.
Lunghezza iniziale fra i riferimenti(mm)
L0
100
Lughezza ultima fra i riferimenti dopo rottura(mm)
Lu
112,8
Superficie iniziale(mm^2)
S0
314
Superficie minima dopo rottura(mm^2)
Su
160,974
Coeff. Percentuale di strizione
Z
48,73439
Allungamento percentuale dopo rottura
A
12,8
Carico di snervamento superiore(N)
Feh
141000
Carico max.(N)
Fm
213500
Carico unitario di snerv. Superiore(N/mm^2)
Reh
449,0446
Carico unitario di rottura(N/mm^2)
Rm
679,9363
Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità(N/mm^2)
Rp0.2
334,3949
Modulo di elasticità(N/mm^2)
E
205000