domenica 16 novembre 2008

PREFAZIONE

S.I.L.S.I.S.
Scuola Interuniversitaria Lombarda di Specializzazione all'Insegnamento Secondario



Questo BLOG è stato creato per il corso di:
MULTIMEDIALITA'

presso la S.I.L.S.I.S. di Bergamo

anno scolastico: 2008/09

classe 020A (discipline meccaniche e tecnologia)

studente: Ing. Riccardo Scandellari

matricola: 1004051

Docente del corso: Prof. Fabio Dovigo
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sabato 15 novembre 2008

FINALITA' DEL BLOG

Il presente BLOG ha il fine di fornire allo studente un diverso mezzo di apprendimento complementare alle normali lezioni frontali in classe, da utilizzare da casa come integrazione agli appunti acquisiti.
Nelle pagine che seguiranno si approfondiranno gli aspetti teorici/pratici relativi a delle esperienze di laboratorio, sulle prove non distruttive per i materiali metallici.
Nello specifico verranno trattate le prove di durezza superficiale, utilizzando i due principali metodi in uso presso le officine: la prova BRINELL e la prova VICKERS.

L’approccio seguito nella presente lezione multimediale, si articolerà nei seguenti punti:
­ 1) Inquadramento del presente modulo all'interno della programmazione didattica
adottata per la classe III A Mecc,
­ 2) Gli obiettivi di competenza finali attesi
3) I prerequisiti necessari e i contenuti del Modulo del corso presentato

Le eventuali estensioni teoriche ai contenuti trattati, per agevolare la leggibilità della lezione multimediale, saranno strutturati in diversi post, distinti tra loro.



PROGRAMMA Classe TERZA
I.T.I.S. E. TORRICELLI
Corso di Tecnologia Meccanica
Modulo 1 - METROLOGIA

Obiettivi di Competenza finali attesi
1 Utilizzare correttamente le unità di misura valutandone il grado di precisione
2 Scegliere opportunamente le apparecchiature di misura definendo le caratteristiche metrologiche

UNITA 1.1 – Metrologia dei materiali, dei prodotti e dei processi produttivi
UNITA 1.2 – Misure e dispositivi di misurazione



Modulo 2 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI METALLICI

Obiettivi di Competenza finali attesi
1 Conoscere le principali tipologie di leghe (acciai, ghise, bronzi, ottoni e leghe leggere) e loro
designazione in ambito UNI
2 Saper riconoscere l’impiego e la destinazione dei principali materiali metallici

UNITA 2.1 – Leghe metalliche
UNITA 2.2 – designazione UNI dei materiali metallici
UNITA 2.3 – Classificazione dei materiali in base al loro impiego


Modulo 3 – PROPRIETA’ E PROVE DEI MATERIALI
NB: Cn = conoscenza; Ab = abilità; T = teoria.

Obiettivi di Competenza finali attesi
1 Saper scegliere le più opportune prove sperimentali in relazione alle proprietà meccaniche attese
2 Saper interpretare i risultati sperimentali ottenuti
3 Saper operare la scelta del materiale in relazione all’impiego e alle prestazioni richieste


UNITA 3.1 – Proprietà dei materiali

Prerequisiti: Struttura dell’atomo e tavola periodica degli elementi
Nozioni di metrologia – grandezze e unità di misura nel Sistema Internazionale


Contenuti:
Proprietà chimiche e fisiche dei materiali: strutture molecolari dei metalli; massa volumica, calore specifico, dilatazione termica, temperatura di fusione, calore latente di fusione, conduttività elettrica.
Proprietà meccaniche dei materiali: proprietà elastiche e plastiche dei materiali, durezza, resistenza meccanica,
resilenza, resistenza a fatica, creep dei materiali.
Proprietà Tecnologiche dei materiali: fusibilità, saldabilità, truciolabilità, plasticità, malleabilità, duttilità, estrudibilità, piegabilità.

Obiettivi di teoria fondamentali:
CnT1: conoscere la differenza tra le principali strutture cristalline dei materiali e come si correlano con le relativa proprietà meccaniche e fisiche.
AbT1: saper eseguire i calcoli relativi alla variazioni di dimensioni geometriche con la temperatura.
AbT2: saper calcolare la quantità di calore minima per portare a fusione un manufatto in materiale metallico.
CnT2: Avere conoscenza del legame tra sollecitazione e deformazione in campo elastico e plastico a regime statico.
AbT3: saper calcolare lo stato di sollecitazione statiche associata a un noto stato di deformazione. CnT3: Avere conoscenza della differenza tra il comportamento dei materiali soggetti a sollecitazioni statiche e dinamiche.
CnT4: Sapere indicare quali sono le lavorazioni più opportune in relazione alle proprietà tecnologiche dei materiali.

UNITA 3.2 – Trattamenti Termici dei materiali

Prerequisiti: Nozioni di base di chimica inorganica,
Proprietà meccaniche dei materiali e loro classificazione
Sistemi di misura internazionale delle temperature

Contenuti:
Diagramma Fe-C: Equilibri da fase e teorema di Gibbs, descrizione generale del diagramma Fe-C, strutture allotropiche del ferro), punti critici, influenza degli altri elementi di lega.
Metodi di rafforzamento dei materiali metallici: Microstrutture della lega Fe-C (Martensite e Bainite), influenza della velocità di raffreddamento e curve TTT e CCT (ricottura, tempra, rinvenimento, normalizzazione), Trattamenti specifici degli acciai: Trattamenti termochimica di diffusione (cementazione e nitrurazione),

Obiettivi di teoria fondamentali:
CnT1: Saper distinguere i costituenti strutturali di una lega Fe-C
AbT1: Saper disegnare e descrivere qualitativamente le fasi solide del diagramma Fe-C
CnT2: Conoscere l’influenza degli elementi di lega.
CnT3: Conoscere le differenze tra i vari trattamenti termici
AbT2: Saper tracciare le traiettorie di raffreddamento nei diagrammi CCT e TTT
CnT4: Conoscere la differenza tra Carbo-Cementazione e Nitrurazione


UNITA 3.3 – Prove sui materiali

Prerequisiti: Proprietà fisiche e meccaniche dei materiali
Tempi: 9 ore in aula
4 ore di laboratorio

Contenuti:
Prove statiche sui materiali: Il funzionamento della macchina universale, Realizzazione dei provini secondo normativa UNI, Prova di Trazione alla macchina universale, Prove di durezza (descrizione del durometro e dei penetratori) Confronto tra le scale di durezza (Vickers, Brinell, HRC, HRB) ,Prove dinamiche sui materiali: Prova di resilienza: pendolo di Charpy; Prova di fatica: curve di Wohler e diagramma di Goodmann-Smith.

Obiettivi di teoria fondamentali:
CnT1: Descrizione della macchina universale
AbT1: Saper analizzare il diagramma di una prova di trazione distinguendo le proprietà meccaniche del materiale
CnT2: Saper riconoscere quale prova di durezza è più opportuna in base alle proprietà meccaniche del materiale.
CnT3: Descrizione del funzionamento del pendolo di Charpy
CnT4: descrizione della curva di Wohler e del diagramma di GoodMann-Smith


Obiettivi di laboratorio fondamentali:
AbL1: saper preparare il provino da utilizzare per la prova di trazione
AbL2: Saper attrezzare ed utilizzare il durometro in autonomia



Modulo 4 - MATERIALI METALLICI

Obiettivi di Competenza finali attesi
1 Descrivere un materiale metallico sulla base delle proprietà che lo caratterizzano
2 Conoscere e interpretare la designazione dei materiali metallici trattati
3 Scegliere il materiale idoneo alla realizzazione di un componente di caratteristiche assegnate

UNITA’ 4.1 – Processi siderurgici
UNITA’ 4.2 – Acciai e ghise
UNITA’ 4.3 – Materiali metallici non ferrosi
UNITA’ 4.4 – Confronto e scelta dei metalli



Modulo 5 – PROCESSI DI SOLIDIFICAZIONE

Obiettivi di Competenza finali attesi
1 Scegliere il processo di solidificazione più idoneo per il materiale scelto in base al componente di caratteristiche assegnate
2 Saper progettare un modello da fonderia

UNITA’ 5.1 – Fonderia
UNITA’ 5.2 – Formatura di componenti in materiale metallico

Modalità di verifica, di recupero e/o approfondimento
Alla fine di ogni modulo avrà luogo una verifica sommativa orale; eventuale ripresa dell’argomento da punti di vista diversi, esempi in numero maggiore e diverso grado di difficoltà per ogni unità didattica e verifica di recupero. Eventuali ulteriori approfondimenti saranno possibili con percorsi didattici personalizzati ed esterni al normale orario di lezione.

giovedì 6 novembre 2008

LA PROVA DI DUREZZA BRINELL

Prova di durezza Brinell


Cenni Teorici
La prova di durezza Brinell è stata ideata dall’omonimo ingegnere svedese J.A. Brinell verso il 1900, viene eseguita con un durometro, che è costituito essenzialmente da una piccola pressa, un dinamometro e un visore graduato per poter riscontrare il diametro dell’impronta.


Descrizione della prova
Consiste nel premere una sfera di acciaio con diametro D, sulla superficie del pezzo (o della provetta) con un carico di prova F, per un prestabilito intervallo di tempo.




Si definisce durezza Brinell HB il rapporto fra il valore del carico F espresso in newton e l'area di superficie S della calotta d'impronta rilevata a carico tolto (impronta elastica) espressa in millimetri quadrati.


Pertanto:
Essendo S l'area della superficie dell'impronta una calotta sferica di diametro d e di altezza h, il suo valore che inizialmente vale:


S = p D h


Diventa, esprimendo h (profondità dell'impronta) in funzione del diametro d:


Il valore di durezza risulta perciò essere:


dove il fattore di conversione 0,102 serve per conservare immutati i valori delle durezze con il sistema originariamente adottato, prima dell'introduzione del sistema internazionale (SI).

Infatti: 1 N = 1 Kgf / 9,80665=1 Kgf x 0,102




Accettabilità dell’equazione:
l'equazione indicata ha un limite di accettabilità, in quanto i valori di durezza da lei dedotti, dipendono dalla relazione fra il carico F e il diametro D della sfera.


In definitiva si può dire che non esiste un paragone di risultati ottenuti con prove di durezza Brinell, nelle quali il rapporto F/D è differente.


La paragonabilita' e l'accettabilità' sono soddisfatte solo quando l’angolo beta è costante.
Teoricamente il valore normale di questa costante è stato ritenuto uguale a:


d/D = 0.375


Si definisce allora prova ideale quella eseguita in grado di soddisfare tale relazione.





In pratica questo valore non è rigido, ma si tollerano delle piccole variazioni.

L'esperienza ha insegnato che la possibilità di confronto è possibile quando il rapporto tra il diametro D della sfera e il diametro d dell'impronta è compresa tra 0,25 e 0,5



Diametro delle sfere:
la prova normale richiede l’utilizzo di una sfera del diametro di 10 mm.

Per prove particolari possono essere usate sfere di diametro inferiore, in ogni caso non minore di 1 mm.

le sfere che vengono più usate hanno diametro di 10 – 5 – 2.5 – 2 e raramente 1 mm.

Durezza delle sfere:
solitamente le sfere sono in acciaio temprato con un indice di durezza (espresso in scala Vickers) maggiore o uguale a 850 kg/mm².


Se il provino è d’acciaio molto duro, maggiore cioè di 350-400 kg/mm², la sfera può essere costituita da carburi di tungsteno (al fine di evitare l’errore dovuto alla deformabilità della sfera); in generale si preferisce, però, passare ad altro tipo di prove di durezza (Rockwell, Vickers).



Carico di prova:
deve essere proporzionato al diametro della sfera ed alla qualità del materiale da provare, nel miglior caso, è il carico che verifica la legge d/D=0,375.

Il carico applicato viene gestito tramite l’aumento o la diminuzione dei pesi, questi sono collegati ad una leva che ruota su di un cuscinetto a sfere ed è fulcrata appena dopo l’asse del penetratore, così da aumentare decisamente la forza che i pesi esercitano per la legge di gravità.
Leva alla cui estremità è fissata l’asta porta pesi, che scorre su cuscinetto a sfere, fulcrata dall’altra estremità, appena prima esercita la forza sul penetratore tramite un punzone.

Nella prova eseguita con il diametro di sfera di 10 mm, il carico impiegato era pari a 29.400 N e la durata di permanenza del carico di 15 s .

In condizioni di prove particolari si pone alla destra del simbolo HB un indice che specifichi nell'ordine: il diametro della sfera in mm, il carico di prova in newton x 0,102, e la durata di permanenza del carico in secondi.


Esempio:
HB 5/250/15


Spessore minimo del pezzo:
lo spessore minimo del pezzo da provare deve essere almeno 8 volte la profondità dell'impronta.
Conversioni:
non esiste un metodo generale preciso di conversione tra i valori di durezza Brinell ottenuti con carichi diversi, in altre scale di durezza o con i valori del carico unitario di rottura a trazione.
Occorre pertanto evitare di compiere tali conversioni, tranne che in quei casi particolari in cui, grazie a prove comparative, si disponga di una valida base statistica per effettuare la conversione.

Dall’indice di durezza HB si può dedurre, in via approssimativa (negli acciai), il carico unitario di rottura a trazione R m= (0,34 - 0,35) HB.


Esecuzione della prova di laboratorio
Posizionato il provino di Fe37 sull’apposito piattello, andiamo ad agire sulla ghiera filettata, in modo da portarlo a contatto con il penetratore sferico da 10 mm, a questo punto sganciamo leva che comanda l’applicazione del carico (29400 N).
Quest’ultimo infatti deve essere applicato gradatamente e senza urti in un tempo di 10 sec, una volta giunti alla massima applicazione lo si lascia agire per trenta secondi, dopo di che lo si toglie riportando la leva in posizione iniziale.

Ora si passa ad analizzare l’impronta lasciata sul provino:
Ecco come si presenta il provino al termine della prova.



Naturalmente abbiamo eseguito più prove per avere un riscontro e poter far una media.
Per poter determinare la durezza, dobbiamo calcolare la superficie dell’impronta (in quanto conosciamo già il valore della forza); per far ciò ci serviamo di un oculare graduato o di un microscopio in modo da rilevare con esattezza il diametro dell’impronta.
Attraverso l’oculare è sufficiente posizionarlo in modo centrato rispetto l’impronta, e andare a leggere il valore riportato sulla scala graduata, questa lettura è molto delicata, infatti, richiede di un’adeguata esperienza per assicurare valori precisi.

Utilizzando il microscopio si può collegare uno schermo in modo da vedere l’impronta ingrandita e nitida (si costruisce una sorta di visore ottico), ora si tratta di collocare semplicemente l’impronta perpendicolarmente ai rispettivi assi e sfiorando i limiti dello schermo con il bordo si possono riscontrare i valori degli spostamenti.


Visione del diametro della calotta sferica mediante microscopio:
Le prove eseguite hanno dato rispettivamente 3 impronte di diametro rilevato pari a 4,27 mm e altre 3 impronte di diametro rilevato pari a 4,18 mm. I valori ottenuti sono conformi verificando il rapporto d/D compreso tra 0.25 e 0.5:
Entrambi i valori possono essere utilizzati, ma per correttezza useremo la media pari a 0,422.


Una volta ottenuto il diametro dell’impronta siamo in grado di calcolare la durezza Brinell:
dove:
F = 29400 N (carico applicato)
D= 10 mm (diametro penetratore)
d= 4,22 (diametro dell’impronta)
dunque:

Conclusioni
Abbiamo ottenuto una durezza per provino di Fe370 pari a 204 HB, i parametri fondamentali per la validità della prova sono stati rispettati, dunque la prova può essere ritenuta valida.
I limiti di questa prova sono: materiali con durezza superiori 350 HB, difficoltà nel rilevare il diametro dell’impronta con precisione, rispetto dei parametri ( d/D, angolo di penetrazione = 136°

mercoledì 5 novembre 2008

PROVA DI DUREZZA VICKERS

Prova di durezza Vickers


Cenni Teorici
Questo metodo estende e perfeziona il metodo Brinell.
Infatti:
- ha un campo d’applicazione illimitato sia per la durezza che per lo spessore del pezzo da provare senza la necessità di cambiare il penetratore, con la sola modifica del carico di prova;
- il numero di durezza Vickers è praticamente indipendente dal carico di prova applicato sul penetratore, ed è in ogni caso equivalente al numero Brinell ottenuto nelle condizioni della prova ideale ( d/D=0,375 ).


Descrizione prova
Il penetratore, riportato in figura


è costituito da una piramide retta a base quadrata, di diamante, con angolo al vertice fra le facce opposte di 136°.

L'angolo al vertice di 136° corrisponde al valore dell'angolo di penetrazione della prova di durezza Brinell ideale.
Dalla teoria riguardante tale prova, infatti, si desume che :




Definizione di durezza Vickers:

è espressa dal rapporto tra il valore del carico di prova F applicato sul penetratore e l'area della superficie laterale S dell'impronta rilevata a carico tolto, considerata come una piramide retta a base quadrata, con diagonale d avente lo stesso angolo al vertice tra le facce opposte del penetratore:

L'indice che definisce la durezza Vickers si ricava dalla seguente relazione:

Dove:

F = carico applicato al provino espresso in newton,

d = diagonale media dell'impronta in millimetri ottenuta dalla misurazione delle due diagonali

0,102 = il fattore di conversione introdotto per conservare invariati i valori della durezza precedenti all'introduzione del SI.



Carico di prova:

Il carico applicato viene generato aumentando o diminuendo il numero di pesi a bordo macchina. Questi sono collegati ad una leva fulcrata appena dopo l’asse del penetratore (D) avente lo scopo di aumentare il carico che i pesi esercitano sul tastatore.

I pesi vengono applicati in base ad una tabella posta nella parte posteriore del durometro.


e trovano posto in una apposita rastrelliera solitamente posta sul retro della macchina:
















nelle condizioni standard di prova il carico applicato per l'acciaio è di 294 N ma di fronte a particolari esigenze carichi differenti possono venire utilizzati .
Le norme UNI, EURONORM ed ISO contemplano carichi compresi fra 49 N e 980 N con una tolleranza massima pari ± 1%.

Il simbolo HV senza ulteriori specificazioni indica che la prova è stata eseguita con il carico normale di 294 N e con durata di permanenza normale del carico di 10 ÷ 15 secondi.

In condizioni di prova diverse da quelle esposte si pone alla destra del simbolo HV un indice che specifichi, nell'ordine, il carico di prova impiegato in Newton x 0,102 e la durata di permanenza del carico in secondi.

Esempi:
HV 30/20 ........... carico di 30 kg (294 N) per 20 secondi
HV 5/15 .............. carico di 5 kg (49 N) per 15 secondi
HV 20/30 ........... carico di 20 kg (196 N) per 30 secondi


Spessore minimo del pezzo:

Avevamo visto che nella prova Brinell esisteva uno spessore minimo per il provino, nella prova Vickers lo spessore del pezzo da provare invece non deve essere minore di 1,5 volte la diagonale dell'impronta.



Applicazione del carico di prova:

il carico di prova deve essere applicato gradatamente, senza urti e raggiungere il suo valore massimo senza interruzioni nel tempo previsto di 10÷15 secondi; anche la durata di permanenza del carico massimo è precisata in 10÷15 secondi nel caso dell'acciaio.

Per materiali diversi il tempo è indicato nella specificazione relativa ai singoli materiali.




Modalità di esecuzione della nostra prova di laboratorio:
Posizionato il provino di Fe37 sull’apposito piattello, andiamo ad agire sulla ghiera filettata, in modo da portarlo a contatto con il penetratore piramidale a base quadrata.





Il carico viene applicato gradatamente sganciando la leva e andando a registrare un apposito dispositivo che regola l’efflusso dell’olio; una volta giunti alla massima applicazione si attende 30 secondi e si riporta la leva in posizione iniziale.

E' importante notare come si presenta il provino al termine della prova.



L'impronta lasciata sul pezzo dalla prova Vickers è decisamente più piccola delle impronte lasciate dalla prova Brinell.

Essa si trova all’interno dei cerchi blu; è molto piccola e si fa fatica a distinguerla ad occhio nudo, ma mettendo il pezzo contro luce si riesce a localizzarla.
A questo punto mediante un microscopio andiamo a misurare la diagonale, in quanto è mediante questo valore che possiamo stimare l'indice di durezza del provino.

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Informazioni personali

La mia foto
Docente di "Impianti" corso per geometri c/o I.I.S. Volta Loc. Cravino (PV) Libero professionista iscritto all'ordine degli ingegneri di Pavia. Settori di competenza: (1) Impianti termici (progettazione e verifica per conto di amministrazioni comunali e provinciali) .. (2) Acustica : Tecnico competente in acustica .. (3) Prevenzione incendi: iscritto negli elenchi L.818