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DISPENSE DI

TECNOLOGIA MECCANICA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA NICCOLO’ CUSANO

MODULO 1 – ELEMENTI INTRODUTTIVI

Prof. Stefano Guarino

’

m

p

p

tecnologie di lavorazione industriale. In particolare saranno analizzati i processi di trasformazione, ottenuti mediante lavorazioni di fonderia, per deformazione plastica, per asportazione di truciolo e tecnologie non convenzionali. Il corso fornirà inoltre allo studente gli strumenti per ’ q

m

g

’ pp b à

p g

v

p

v

-economiche

g .

Per lo studio degli argomenti del corso lo studente avrà a disposizione le slides, le videolezioni e le dispense messe a disposizione sulla piattaforma e-learning. Per eventuali approfondimenti da parte dello studente si da indicazione di alcuni testi che rappresentano un riferimento a livello nazionale:

- Filippo Gabrielli, Rosolino Ippolito, Fabrizio Micari - Analisi e tecnologia delle lavorazioni meccaniche, Ed. McGraw-Hill Education (Italy) srl. - F. Giusti, M. Santochi: Tecnologia Meccanica e studi di Fabbricazione, Ed. Ambrosiana Milano.

Progettazione e produzione La progettazione e la realizzazione di un processo di produzione, richiede una molteplicità di azioni estremamente complesse che devono coniugare due aspetti fondamentali: le esigenze tecnologiche e gli aspetti economici. Il diagramma mostra le varie fasi del processo di progettazione e produzione di un prodotto preso a titolo di esempio. S v

’

bisogni del mercato e si arriva al prodotto finito attraverso la definizione di tecnologie e processi di trasformazione del materiale. La scelta delle tecnologie di lavorazione spesso non è univoca ma il progettista dovrà fare i conti con molteplici soluzioni, scegliendo la soluzione che in quel determinato contesto risulta ottimale. A seconda della complessità del prodotto e del tipo di m

,

p

mp h

’

p

commercializzazione può variare da pochi mesi a molti anni.

Nella tabella che segue sono riportate esempi di possibili soluzioni per la produzione di medesime forme e/o geometrie.

In figura è rappresentata una geometria di un pezzo ed i relativi metodi di produzione:

Vari metodi per produrre un pezzo semplice: (a) colata o metallurgia delle polveri, (b) forgiatura o ricalcatura, (c) estrusione, (d) lavorazione per asportazione, (e) unione di due pezzi.

PROVE MECCANICHE Le prove meccaniche sono dei test che si eseguono su di un materiale

’b

v

determinarne le proprietà di resistenza meccanica. Esse possono essere classificate in funzione della variazione del carico nel tempo. In tal senso distinguiamo in: 

prove statiche;



prove dinamiche (prove ad alta velocità);



prove dinamiche periodiche;



prove di scorrimento (effetto della temperatura);

P m

p

’

v

m

g

p v

pp

definizione di cosa si intende per proprietà meccaniche di un materiale. Le proprietà meccaniche rappresentano ’ sottoposto alle sollecitazioni. Le proprietà meccaniche si dicono statiche se i carichi applicati sono fissi o comunque variano con lentezza nel tempo. Esse si definiscono dinamiche quando i carichi sono variabili con grande rapidità. Oltre alle proprietà meccaniche di un materiale si individuano le proprietà tecnologiche. ’ m

v

’

m

subire determinate lavorazioni.

In tale trattazione si descriveranno le prove meccaniche più importanti: la prova di trazione, la prova di durezza e si darà qualche cenno sui testi di fatica. Prima di entrare nel merito dei vari aspetti delle prove meccaniche è necessario dare alcune definizioni di base. Si definisce deformazione elastica la risposta di un materiale quando sottoposto ad un carico. Essa sparisce al cessare della sollecitazione esterna. La deformazione si definisce plastica quando permane anche al cessare del carico, questa può manifestarsi anche come rottura qualora il carico applicato al materiale superi un certo valore. In base al comportamento meccanico, i materiali possono classificarsi in duttili e fragili. I primi (duttili) prima di rompersi si deformano plasticamente, i secondi giungono a rottura con una deformazione plastica trascurabile o del tutto assente.

Prova di trazione La prova di trazione si effettua su provini di dimensioni unificate prelevati dal materiale da testare. E

’ pp

m

rottura del provino. S

progressivamente il carico applicato fino a giungere alla ’

allungarsi di una certa quantità (l).

F, pp

m , il materiale tenderà ad

In figura è rappresentata la geometria tipica di un provino di trazione. I due estremi a sezione più g

v g

p ’

gg

p v

p

m h

p v.L p

centrale del provino ha una sezione più piccola con superficie S 0.

’ m

resistente del provino durante la prova. Si è indicato con L o la lunghezza di riferimento del provino prima della prova, con Lc

gh

p ’ pp

.P

’

gm

l

sara Lc-L0.

Geometria di un provino di trazione

Il diagramma carichi-deformazioni può assumere diverse forme diverse in funzione delle caratteristiche del materiale. In tale trattazione si analizzerà quello relativo ad un acciaio dolce perché didatticamente utile al fine di individuare i punti caratteristici della prova. Si definisce sforzo:

ovvero il rapporto tra il valore della forza (F) agente istantaneamente ed il valore della sezione iniziale del provino (S0). Si definisce deformazione il rapporto tra la differenza tra lunghezza istantanea e lunghezza iniziale (L-L0) ed il valore della lunghezza iniziale del provino (L0).

In figura è rappresentato un classico diagramma sforzo-deformazione di un materiale duttile. Il tratto iniziale del

g mm h v

’ g

regime di deformazione è app b

p gg

A pp

.I

H k σ=Eε

proporzionalità tra lo sforzo e la deformazione. Fp rappresenta il carico limite di proporzionalità, al di sopra di tale valore il materiale comincia a deformarsi in modo permanente. Per convenzione si definisce Fe è il carico limite di elasticità. In tale condizione si induce nel materiale un allungamento residuo dello 0,2%, ovvero una volta rimosso il carico il materiale avrà una deformazione residua dello 0,2%. Superato il carico Fs (carico di snervamento) si entra nel campo di deformazione plastica del materiale (si entra nella zona delle grandi deformazioni permanenti). Dopo lo snervamento inizia la fase di incrudimento del materiale (punto D). Si indica con FR il carico massimo raggiunto durante la prova (carico di rottura). Dopo aver raggiunto tale carico si verifica sul provino il fenomeno della strizione, ovvero una progressiva riduzione della sezione resistente fino alla rottura finale (punto F). Nella figura che segue sono rappresentati diversi stati della prova in corrispondenza delle fasi trovate sulla curva tensione deformazione.

La prova di trazione permette di ricavare 3 valori fondamentali per la comprensione delle caratteristiche del materiale : - il carico di snervamento. Esso definisce il limite oltre il quale si hanno deformazioni permanenti. Si calcola facendo il rapporto fra il carico di snervamento Fs e la sezione iniziale del provino, S0. - il carico di rottura o resistenza ultima alla trazione. Esso è il rapporto fra il carico massimo raggiunto nella prova di trazione FR e la sezione iniziale del provino, S0. - ’

gm

dove L0 ’ m

p

p

gh m

come:

p v , Lf m

p h

gh

p v m

p

. ,

tenacità e sulla capacità del materiale di deformarsi a freddo.

TENSIONI E DEFORMAZIONI IN CAMPO PLASTICO Nella teoria delle deformazioni plastiche, non ha molto interesse utilizzare i parametri della prova di trazione (engineering stress e engineering strain, nella letteratura anglosassone), in quanto interessa conoscere la tensione vera (true stress) e la deformazione vera (true strain). Nel caso della prova di trazione, per quanto riguarda le tensioni, ci si riferisce quindi alla sezione A istantanea (non a quella iniziale A0), da calcolarsi in base al fatto che, durante la deformazione plastica, il volume rimane costante. Per quanto riguarda la deformazione ci si riferisce alla somma di allungamenti infinitesimi. I valori di tensione e di deformazione sono quindi così definiti:

l

P   A

’

m

m

gh





l0

h

p v

 l  dl A   ln   ln 0  l  A  l0 

b

p v. P

piccoli valori di e, la differenza tra e ed  è irrilevante, ma, nel campo delle grandi deformazioni, l'uso dì  è più aderente alla realtà fisica del fenomeno. Per esempio si supponga di allungare una p v

pp

gh

. L’

à

m

g

q

subita da una provetta deformata a compressione fino a metà della sua altezza.

Nel primo caso si ha:

 = 0.69

e=1

Nel secondo caso si ha:

 -0.69

e = -0.5

Con questi nuovi parametri la curva tensione deformazione relativa alla prova di trazione diventa simile a quella riportata nella figura 7. La relazione approssimata che lega tensione e deformazione secondo la curva suddetta è la seguente:

  K n

[1]

dove i parametri K (coefficiente di resistenza) e n (fattore di incrudimento) dipendono dal materiale deformato.

Curva Tensione vera – Deformazione vera

Materiale

Temperatura (°C)

C (MPa)

m

Leghe di Al

200-500

300-40

0.05-0.02

Leghe di Cu

200-800

400-20

0.02-0.3

Bassa % C

900-1200

170-50

0.08-0.2

Media % C

900-1200

180-55

0.07-0.25

Inossidabili

600-1200

420-40

0.02-0.4

Acciai

Valori indicativi dei parametri C ed m

Dopo lo snervamento il valore di  viene chiamato «flow stress» e indicato con f ed esprime il valore di tensione necessario ad iniziare a mantenere la deformazione plastica per ogni dato valore di . Esso è funzione, oltre che della deformazione, della velocità di deformazione, della temperatura e ovviamente del materiale. Tuttavia, alla temperatura ambiente, l'influenza della velocità di deformazione è molto limitata. La relazione, di impiego generale per le elaborazioni numeriche relative ai vari processi di deformazione plastica, nel caso di lavorazioni a freddo è la. Nel caso invece di lavorazioni a caldo il parametro velocità di deformazione diventa rilevante a

causa del possibile effetto di addolcimento che può prevalere o meno sull'incrudimento. U’ p

pù

p

v

w

q

g

:

 f  C 

[2]

I valori di C e di m dipendono, per ogni materiale, dal valore della deformazione e dalla temp esempio in una prova di trazione, dal valore v della velocità di applicazione del carico, come:

 

d v  dt l

[3]

I valori sperimentali di C e di m possono essere ottenuti con prove di trazione a caldo, dove le provette sono tese a velocità di deformazione costante, cioè con la velocità di applicazione del carico che aumenta con l'aumento della lunghezza della provetta. Alcuni risultati tipici di tali prove sono riportati in figura.

Curve  – per diverse velocità di deformazione.

Alle basse velocità, dopo lo snervamento iniziale la curva si appiattisce in conseguenza di una mp

m

.Av

à v , ’

m

prevale sulla

restaurazione e la curva tende a crescere. Nella figura che segue è riportata una rappresentazione schematica di varie tipologie di curve tensione-deformazione ideali: (a) perfettamente elastica; (b) rigida, perfettamente plastica; (c) elastica, perfettamente plastica; (d) rigida, linearmente incrudente; (e) elastica, linearmente incrudente. Le linee tratteggiate e i vettori indicano le fasi di carico e scarico durante la prova.

La maggior parte dei materiali presentano una sensibilità alla temperatura simile a quella riportata nella figura per il modulo elastico, la tensione di snervamento, la tensione ultima e la duttilità. In g

p

’ ffetto della temperatura sulle proprietà meccaniche di un acciaio al carbonio.

Anche la velocità di deformazione ha effetto della sulla tensione ultima di un materiale. Nella g

p

’ m

deformazione per diverse temperature. S

v h

v ’ m

à temperatura la pendenza

della curva aumenta. Quindi, la resistenza a trazione diventa maggiormente sensibile alla velocità di deformazione.

PROVE DI DUREZZA La durezza si definisce come la resistenza che un materiale oppone alla penetrazione da parte di un altro materiale meccanicamente più performante. Storicamente la scala comparativa delle durezze (scala Mosh) si basava su 10 materiali. Essi sono elencati di seguito

’

pù

tenero al più duro: 1. Talco 2. Gesso 3. Calcite 4. Fluorite 5. Apatite 6. Ortose 7. Quarzo 8. Topazio 9. Corindone 10. Diamante Un materiale in esame veniva collocato nella scala fra il campione che scalfiva e quello dal quale veniva scalfito. Esso rappresentava un metodo alquanto impreciso e pertanto è stato accantonato a favore di prove meccaniche vere e proprie dette prove di durezza. Esse sono molto importanti dal punto di vista meccanico-tecnologico poiché sono prove non distruttive attraverso le quali è possibile risalire indirettamente ad altre caratteristiche meccaniche quali la resistenza a trazione, à, ’

m

di un materiale, ’

eventuali trattamenti termici con

particolare riferimento a quelli superficiali. Prova di durezza Brinell La prova Brinell viene eseguita attraverso un penetratore sferico in acciaio temprato di diametro D = 2.5 – 5 – 10 mm in funzione dello spessore del provino da testare. Per spessori inferiori a 3mm si usa la sfera da 2.5 mm, per spessori da 3 a 6 mm la sfera da 5 mm e per spessori superiori a 6 mm sferette di diametro 10 mm. In figura è riportata lo schema di una prova di durezza Brinell e la p

’ mp

Quella che c mb

m

h ( bv

’ mp

v ù

,

). m

à

plastico. Ad ogni modo è possibile già da tale osservazione visiva stabilire se il materiale è più o meno incrudito.

Geometria dell’impronta in una prova di durezza Brinell: (a) metallo ricotto, (b) metallo incrudito. Si noti la differenza del flusso di materiale alla periferia dell’impronta.

Il carico applicato attraverso un apposito dispositivo (durometro) è funzione del materiale e del diametro del penetratore attraverso la relazione F =9.8×k×D2 In tale equazione K è un coefficiente che dipende dal materiale, D il diametro del penetratore sferico. La durezza Brinell si calcola a partire dalla seguente equazione:

dove S è la superficie della impronta espressa in mm2 ed F il carico applicato espresso in N. L’ pp

viene eseguita in modo graduale nei primi 15 sec, dopodiché dopo aver

raggiunto il carico prestabilito lo si mantiene per altri 15 sec. A partire dalla conoscenza della durezza Brinell è possibile risalire al carico di rottura di un materiale. Il valore del carico di rottura si valuta approssimativamente come Rm = 3.4 HB (N/mm2). Nella figura che segue sono riportate alcune curve di correlazione tra durezza e tensione di snervamento per diversi materiali (acciaio ed alluminio).

Relazione tra la durezza Brinell e la tensione di snervamento per varie tipologie di leghe di alluminio e acciai. Per confronto, la durezza Brinell (di solito espressa in kg/mm2) è convertita in unità di pressione.

LA PROVA VICKERS. La prova Vickers

’ pp

m

v

un penetratore in

diamante con geometria a piramide a base quadrata con angolo al vertice di 136°. S

vm

m

m

g

’ mp

materiale dal penetratore. Il materiale con cui è realizzato il penetratore è il più duro fra quelli conosciuti, pertanto con tale prova possibile misurare la durezza per i materiali molto duri. La durezza Vickers si misura attraverso la seguente relazione:

Dove L è la diagonale dell’ mp

lasciata sul materiale, ed F il carico applicato dal durometro.

Prova di durezza Rockwell Entrambe le prove Brinell e Vickers trovano limitazione nella valutazione delle dimensioni h

’ mp

. E deriva da una lettura, a volte di non sufficiente precisione, di d

(HB), diametro dell’ mp

e di L (HV), lunghezza della diagonale. Per tale motivo si è sviluppata

la prova Rockwell la quale a differenza delle prime due non richiede il calcolo di dimensioni h ’ mp

’ mp

. Questa prova, infatti, richiede la sola misura della profondità

. Essa viene poi convertita direttamente in valore della durezza. Esistono diverse

configurazioni della prova Rockwell, essa infatti utilizza sia penetratori sferici che conici.

Durezza Rockwell B - HRB La durezza Rockwell B (HRB) viene effettuata attraverso un penetratore sferico in acciaio temprato m

1/16”. Essa viene usata per materiali teneri o non eccessivamente duri. La prova

prevede tre fasi: Fase 1. il penetratore viene accostato alla superficie del materiale con una forza di 98 N (10Kgf). In tale fase di ‘precarico’ la sfera penetra nel pezzo di una profondità a . Fase 2. Il carico viene aumentato progressivamente e n ’

mp

10

si raggiunge

il carico di prova F= 882 N (90 Kgf). Sul provino pertanto agisce un carico complessivo di 980N (882+98) pari a 100 kgf. In tali condizioni di carico il penetratore raggiunge la profondità b. Fase 3. dopo 20-30 secondi viene rimosso il carico, lasciando il solo precarico. In questa fase il materiale ha un ritorno elastico e la profondità d ’ mp

sarà a + e. Si è indicato con e

’

to del ritorno elastico. L’

HRB si calcola come: HRB = 130 – 500e

Durezza Rockwell C – HRC In questa prova di durezza il penetratore ha forma conica con angolo di vertice 120°. Si usa per acciai duri legati e trattati termicamente . La procedura di prova è analoga all’ HRB. In questo caso tuttavia il carico applicato è 1372N (140 Kg ). L’

si calcola come:

HRC = 130 – 500e

Nella tabella che segue sono riportate le caratteristiche generali ...