Lorenzo Caffar 3^ AER D 12.5.2018
Prova di resilienza
Numero Descrizione
1 Basamento
2 Incastellatura
3 Appoggi per la provetta
4 Provetta
5 Quadrante con indice
6 Aste di rotazione
7 Mazza
8 Tagliente del coltello
9 Freno
1. Introduzione
Il pendolo di Charpy è un pendolo utilizzato per prove di tenacità (tipicamente per materiali plastici e metalli), per definire la tenacità a frattura ed a flessione. Il suo nome deriva da quello dell’ideatore Augustin Georges Albert Charpy. La prova con esso svolta viene anche definita prova di resilienza.
La resilienza è la resistenza del materiale alle sollecitazioni dinamiche, si tratta di una prova che analizza la sollecitazione dinamica di urto. La resilienza è una proprietà molto importante che deve essere elevata in quegli organi sottoposti ad urti. I materiali che presentano un’alta resilienza vengono detti tenaci, mentre quelli che presentano una bassa resilienza sono detti fragili.
In generale esiste un rapporto inverso tra la resilienza e le altre proprietà meccaniche; per esempio materiali come gli acciai duri sono fragili, mentre sono tenaci quelli con scarsa resistenza alle sollecitazioni statiche, quali gli acciai dolci o le leghe leggere.
La prova di rottura per urto a flessione su una provetta viene efettuata a seconda della forma e dimensioni, le quali sono entrambe unificate.
2. Cenni teorici PROVETTA
Esistono 2 tipi di provette e queste sono:
a) Con intaglio a V: apertura intaglio a 45° profondità 2mm, con raggio del fondo dell’intaglio di 0,25 mm (per materiali duri)
Qualora dai materiali non si riesca a ricavare un a provetta normale, si procede a prelevare un provino di dimensioni ridotte avente larghezza 7,5 o 5 mm e praticando l’invito su una delle facce più strette.
b) Con intaglio a U o a buco di chiave: profondità 5 mm, con raggio del fondo dell’intaglio di 1 mm (per materiali più teneri)
La provetta è un barretta a sezione quadrata con un intaglio centrale a forma di U oppure a forma di V.
L'intaglio a forma di U può avere profondità 5 mm nel caso di metalli ferrosi, mentre è profondo 2 mm nel caso di metalli non ferrosi (leghe dell'alluminio e del rame). In questo caso la resilienza è caratterizzata dal simbolo KCU.
Su provette in metalli ferrosi si usa anche l'intaglio a V, profondo 2 mm; in questo caso la resilienza è designata dal simbolo KV.
Le provette per questa macchina sono di sezione quadrata, 10x10 [mm] e di lunghezza 55 [mm]. Al loro centro viene fatto tramite una apposita broccia un intaglio che indebolisce e innesca la rottura in un punto ben determinato. Le provette unificate sono di tre tipi: Mesnager, Charpy, con intaglio a V.
È abbastanza importante sapere il modo con cui è stata ottenuta la provetta per analizzare il senso di laminazione del provino e analizzare gli eventuali risultati. La rottura della provetta avviene per Urto- Flessione.
Immagine con descrizione e posizionamento della provetta prima dell’esecuzione della prova
Misure della provetta ad intaglio a “V”
Immagine con la descrizione della lama, del blocco di posizionamento provetta, provetta ad intaglio ad “U” e con intaglio a “V”.
Numero di riferimento Denominazioni Unità di misura
1 Lunghezza provetta mm
2 Spessore della provetta mm
3 Larghezza della provetta mm
4 Spessore residuo al tronco dell’intaglio mm
5 Angolo dell’intaglio Grado
6 Raggio del fondo all’interno dell’intaglio mm
7 Distanza tra gli appoggi mm
8 Raggio di arrotondamento degli appoggi mm
9 Angolo delle parti interne degli appoggi Grado 10 Angolo al vertice del maglio della mazza Grado 11 Raggio dello spigolo del coltello della mazza mm
12 Spessore del coltello della mazza mm
Tabella necessaria per l’individuazione dei valori delle varie distanze, raggi…
MACCHINA
Immagini della macchina del nostro laboratorio
Vista frontale della macchina Vista laterale della macchina
Sportellino
La macchina per le prove di resilienza consiste in una incastellatura che sostiene una mazza oscillante; per questo la macchina è anche chiamata pendolo di Charpy.
La mazza può essere bloccata a una data altezza; dopo avere posizionato la provetta in un apposito
alloggiamento e con intaglio rivolto dal lato opposto alla mazza, si può liberare la mazza che in caduta libera urta contro la provetta.
Dopo la rottura la mazza continua il moto pendolare fino a una certa altezza che la macchina è in grado di registrare mediante un indice angolare; esso viene azzerato prima della prova e indica sul quadrante l'angolo di risalita del pendolo.
La mazza deve avere una energia all'impatto di 300 J ± 10 J energia data dalla formula. Am = M x g x H [J]
In cui M è la massa della mazza, g accelerazione di gravità, H altezza di caduta La mazza viene bloccata nello sgancio e fatta oscillare una volta senza la provetta per misurare l'energia che essa perde per gli attriti interni, attriti date dalle parti meccaniche in movimento. Il risultato della prima corsa è utile dato che va sommato ai seguenti risultati. Questa machina si basa infatti sulla misurazione della energia che si perde dopo che il pendolo urta e erompe la provetta.
La macchina è provvista di freno per le oscillazioni del pendolo e di dispositivi di protezione.
Descrizione del pendolo di Charpy
Lo strumento è composto da un’asta che prevede da un lato una cerniera fissata alla base e dall’altro una mazza. Affinché la misurazione non venga falsata dall’attrito dell’aria e della cerniera, quest’ultima presenta dimensioni sensibilmente contenute, mentre la mazza ha una forma aerodinamica ed è munita di un coltello intercambiabile dal profilo standardizzato. Una tale soluzione comporta però un ulteriore problema: la piccola cerniera non sorregge l’urto sviluppato dalla mazza nel colpire il provino se il centro d’urto è al disopra del baricentro di questa, per tale ragione la mazza del pendolo, oltre ad avere forma aerodinamica, è progettata in modo da avere il centro d’urto al disotto del baricentro, in modo da garantire la funzionalità della cerniera.
Calcolo della resilienza
La resilienza viene misurata mediante la relazione
K=𝐿𝐿
𝑆𝑆
(
𝑐𝑐𝑐𝑐𝐽𝐽2)
In cui L è il lavoro speso per spezzare la provetta e S l'area della sua sezione. Il valore di S è noto: 0,8 𝑐𝑐𝑐𝑐2 (intaglio a “V”) oppure 0,5 𝑐𝑐𝑐𝑐2 (intaglio a “U”) a seconda dell'intaglio nella provetta. Dalla prova bisogna invece rilevare i dati che consentono di calcolare il lavoro L in base al seguente procedimento.
Schema per il calcolo della resilienza
Il lavoro speso per rompere la provetta si calcola per differenza tra il lavoro (L1) che la mazza compie in caduta prima dell'urto e il lavoro residuo (L2) che le consente di risalire dopo l'urto.
L1 è dato dalla forza, e cioè il peso della mazza (P), per lo spostamento (H) dalla posizione iniziale fino all'urto, quindi
L1 = P x H
Analogamente L2 è dato dal prodotto tra peso della mazza per l'altezza di risalita (h), e cioè L2 = P x h
Il valore di h è fornito dalla macchina mediante l'angolo di risalita (α) segnalato dall'indice sul quadrante e attraverso il valore di R (raggio di oscillazione del pendolo). Dalle relazioni trigonometriche possiamo ricavare
h = R – R x sen α
Essendo noto il valore di h, è noto anche L2 e quindi la differenza tra L1 e L2, cioè il valore di L. Con questo valore possiamo ricavare il valore della resilienza K = 𝐿𝐿
𝑆𝑆
.
Modalità di prova
Viene ora riportato un semplice bilancio di energia potenziale riferito al sistema mostrato in figura; la grandezza K si misura comunemente in joule (J): essa indica il valore di energia meccanica impattante che provoca la rottura del materiale, calcolata sperimentalmente mediante la differenza fra l’energia associata al pendolo prima di essere lanciato in corsa e l’energia associata ad esso in corrispondenza del percorso massimo effettuato (energia cinetica del maglio pari a zero) immediatamente dopo la rottura del provino.
L’intaglio della provetta nel suo alloggiamento deve essere disposto dal lato opposto a quello della mazza.
• m : massa del peso del pendolo
• g : accelerazione (generalmente 9.81 𝑐𝑐 𝑠𝑠−2)
• h’: Posizione di partenza (altezza iniziale)
• h : Posizione d’arrivo (altezza finale)
Posizionamento della provetta al momento dell’impatto
Nell’esecuzione della prova un altro importante elemento che è da tenere conto è la temperatura alla quale viene eseguita perché con il variare della temperature della provetta vari anche la sua resilienza.
Più il pezzo era freddo più la sua resilienza diminuisce, questo fatto fa intendere come con il variare della temperatura vari la resilienza e quindi la fragilità del materiale.
Lo svolgimento della prova si è svolto in modo consueto, dopo avere centrato la provetta con un centratore veniva sganciato il pendolo che colpiva la provetta e la rompeva.
Un importante fatto che abbiamo notato è stato la variazione di temperatura a cui veniva effettuata la prova per farci capire come con il variare della temperature della provetta vari anche la sua resilienza.
Più il pezzo era freddo più la sua resilienza diminuiva, questo fatto ci fa intendere come con il variare della temperatura vari la resilienza e quindi la fragilità del materiale.
La resilienza di un materiale dipende fortemente dal tipo di intaglio con cui è stata effettuata la prova.
Esistono quindi delle tabelle di conversione che derivano il valore della resilienza in base al tipo di intaglio.
L’empiricità della prova di resilienza è data dal breve tempo in cui avviene la prova e dalla ripartizione dell’urto. La presenza di un intagli della provetta favorisce la rottura ma ne evita l’utilizzo nella realtà, infatti quando si progettano pezzi meccanici si preferisce evitare la presenza di inneschi alla rottura.
Grafico della variazione dei calori delle percentuali del carbonio in base alla temperatura del provino
Scopo
Determinare la capacità di un materiale a resistere ad una serie di urti al fine di scegliere il materiale più adatto per un utilizzo in ogni tipo di condizione determinando i propri comportamenti ai vari tipi di impiego.
I motivi per i quali viene effettuata questa prova sono:
• Orientamento sulla scelta dei materiali destinati a subire urti (incudine, mazza...)
• Condizionamento dei parametri dei trattamenti termici (temperatura, tempi, velocità di raffreddamento)
• Precisazioni dello stato di un materiale sottoposto a lavorazione plastica
• Considerazioni sulle strutture
3. Parametri di prova
Tabella delle varie dimensioni delle provette a seconda del tipo di intaglio
Immagine della sezione della provetta dopo l’esecuzione della prova. Utile per capire le misure da prendere sui nostri provini per capire il tipo di materiale esaminato.
Descrizione:
1. Intaglio
2. Zona di scissione (fragile) 3. Area di taglio (duro)
Misurare la dimensione media di A e B che si avvicina a 0,5 mm e poi individuare la percentuale di frattura con la corrispettiva tabella sottostante.
Tavella con i corrispettivi valori trovati dopo la misurazione dei provini delle distanze “A” e “B” per individuare la percentuale di frattura del nostro provino
Immagine delle percentuali dei valori ricavabili attraverso l’osservazione della tabella precedente
Diagramma con alte o basse quantità di carbonio
Tabella con alcuni esempi di valori della resilienza
4. Procedura di prova
Per la realizzazione della prova di resilienza i calcoli non vengono eseguiti perché già da un paio d’anni, con l’aiuto tecnologia, i dati sono digitali e quindi direttamente calcolati dal computer.
Per prendere i calcoli in modo esatto si considerano o quelli digitali o quelli analogici.
Ci sono 2 leghe leggere che hanno l’intaglio ad “U” mentre per gli acciai è a “V” ed è a 45°.
Per realizzare la prova di resilienza bisogna tener conto innanzi tutto del valore della resistenza dell’aria. Quindi si fa una prima prova a vuoto e si trova il valore della resistenza dell’aria che è pari a 2 J.
Abbiamo poi posizionato al provetta mettendo il segno dalla parte opposta da dove arriva il pendolo. Viene poi schiacciato il pulsante rosso per far scendere il pendolo verso la provetta. Si aspetta poi che il pendolo torni nella posizione iniziale prima di aprire lo sportello per accedere alla macchina e si estrae la provetta per osservare il modo in cui si è rotta. Attraverso le misure
eseguite con il calibro delle dimensioni “A” e “B” si osserva la tabella riportata sopra che indica la percentuale. Infine si cerca di presumere che tipo di materiale abbiamo analizzato.
In alcune abbiamo osservato che il taglio del materiale era netto (capibile anche dai Joule prodotti dalla rottura del provino) e in altri era frastagliato e fibroso.
Primo provino intaglio a “U” (lega leggera) Si presume che sia una lega leggera
1. 10 J (-2) A=8,30 mm B=4,45 %s=55%
2. 10 J (-2) A=8,30 mm B=6,50 %s=35%
Secondo provino intaglio a “U” (ottone OT58)
Si presume che sia un ottone anche se lo si riesce ad intuire dal colore del materiale.
Gli impeghi di questo materiale possono essere: campo elettronico, autotrasporti, munizioni, industria meccanica, edilizia e arredamento.
1. 12 J (-2) A=9,00mm B=3,65mm %s=55%
2. 12 J (-2) A=8,60mm B=4,50mm %s=44%
Terzo provino intaglio a “V” (C40) C’è l’ossido
Si presume che sia un C 40 perché la sua frattura e molto netta ed ha un basso valore di resistenza.
Esso può essere impiegato per costruzioni.
1. 20 J (-2) A=10,20mm B=7,75mm %s=0%
2. 20 J (-2) A=10mm B=7,50mm %s=6%
Quarto provino intaglio a “V” (S235)
Si presume che sia un S235 perché il suo tipo di frattura è molto frastagliata e addirittura uno dei due provini non si è rotto.
Esso può essere utilizzato per costruzioni metalliche come trave, opere in calcestruzzo armato e precompresso.
1. 160 J (-2) A=8,20mm B=3,85mm %s=60% (provino rotto con la pressone delle dita)
2. 176 J (-2) A=--- B=--- %s=0% (provino non rotto)
5. Risultati N°
provino
Prima prova
A B % Seconda
prova
A B %
1 10 J 8,30 mm 4,45mm 55 10 J 8,30 mm 6,50mm 35
2 12 J 9,00mm 3,65mm 55 12 J 8,60m 4,50mm 44
3 20 J 10,20mm 7,75mm 0 20 J 10mm 7,50mm 6
4 160 J 8,20mm 3,85mm 60 176 J 0 0 0
Il valore di resilienza di questi provini dipende dalla forza che è stata impiegata su di essi per la loro rottura e dalla loro sezione. È comunque capibile anche senza eseguire altri calcoli che i provini con i quali è stata impiegata maggiore forza abbiano una resilienza più elevata rispetto agli altri.
6. Conclusioni
Il valore numerico della prova di resilienza ha scarsa importanza come grandezza quantitativa, in quanto, variando la forma dell'intaglio o le dimensioni della provetta, si ottengono, a parità di materiale, prove non compatibili tra loro. Questa prova è però molto eseguita perché i valori ottenuti consentono di classificare (in particolare gli acciai) in base al diverso grado di fragilità, condizione importantissima ai fini della scelta dei materiali destinati alla costruzione di strutture, di parti meccaniche, di contenitori di liquidi a bassa temperatura, ecc. per i quali sono prevedibili sollecitazioni ad un urto. Oltre al valore della prova di resilienza con l'esame del provino dopo rottura è possibile valutare altri due parametri:
•
L’espansione laterale, cioè la deformazione che subisce il provino in seguito all'urto
•
