PROVA DI TRAZIONE

LA PROVA DI TRAZIONE
CENNI TEORICI
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.
DESCRIZIONE DELLA PROVA
Consiste nel sottoporre una determinata provetta ad una sollecitazione statica applicata nel baricentro
della sezione del materiale e agente secondo la direzione dell’asse del corpo, questa viene
incrementata lentamente e gradatamente, fino a pervenire alla completa rottura del provino.
Prelievo del saggio e preparazione delle provette: Il saggio è la parte di materiale destinata alla
preparazione della provetta sulla quale verrà eseguita la prova; il distacco (taglio) dei saggi e la
successiva lavorazione devono avvenire, di massima a freddo di modo da non alterare le
caratteristiche del materiale. Salvo che leghe di alluminio, l’asse delle provette dei pezzi laminati e
fucinati deve essere parallelo al senso delle fibre.
Dimensione e forma delle provette: Vengono usati provini, questi sono unificati perché devono
rispondere ad un determinato proporzionamento e si distinguono in :
Corte
Lunghe
Dove S0 rappresenta la sezione iniziale del provino:
Rettangolare = a x b dove a e b sono i due lati
dove l rappresenta il lato
Nelle provette si distinguono il tratto a sezione costante Lc, il tratto utile Lo e le teste per il fissaggio
alla macchina, esse sono lavorate in base al tipo di ganasce utilizzate (solitamente vengono zigrinate)
per favorirne la presa.
Nel caso di provette circolari il tratto a sezione costante è pari:
Lc = L0 + 2d
Dove d è il diametro della provetta.
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ANALISI DEL GRAFICO
Analizzando un generico grafico carichi-allugamenti relativo a un acciaio dolce, possiamo
suddividerlo in tre zone:
1 - 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):
D L / l0 = Fi / E S0;
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dove D L 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.
2 - 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 immagazzinato sotto forma di energia
elastica che ha un carattere reversibile (cioè non si produce calore) e una parte viene dissipato sotto
forma di calore causando una deformazione plastica irreversibile.
3 - Regime plastico
Superato il limite elastico il materiale si deforma in modo permanente, il meccanismo di deformazione
plastica piu’ comune nei monocristalli e’ lo scorrimento di un blocco di atomi su di un piano sul quale
viene superato un valore critico di tensione tangenziale.
L’entita’ di tale scorrimento e’ un multiplo della distanza interatomica. Il valore critico della tensione
e’ direttamente proporzionale alla distanza interatomica e inversamente proporzionale alla distanza tra
i piani di scorrimento: pertanto lo scorrimento avviene sui piani a massima densita’ atomica e su di
essi nella direzione a massima densita’ atomica, con l’evidente conseguenza che il monocristallo ha
comportamento anisotropo.
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La discrepanza tra i valori teorici cosi’ calcolabili dele forze necessarie a provocare la deformazione
plastica e quelli rilevati sperimentalmente, e’ stata spiegata con la teoria delle dislocazioni.
Le dislocazioni sono difetti della struttura del reticolo cristallino come illustrato nelle figure seguenti
a) dislocazione a spigolo
b) dislocazione a vite
Nel caso di una dislocazione a spigolo lo scorrimento di una parte del reticolo rispetto all’altro
avviene con tensione tangenziale minore rispetto all’assenza del difetto, a causa di un minor numero
di legami interatomici da rompere. Contemporaneamente la dislocazione si muove lungo il piano di
scorrimento. Nel caso piu’ comune di policristalli, la traslazione di blocchi di atomi ha luogo non
contemporaneamente, ma a partire da quei grani cristallini dove i piani di scorrimento hanno un
orientamento favorevole rispetto alla forza applicata. Tuttavia lo scorrimento e’ limitato dai grani
circostanti, con piani orientati sfavorevolmente, per i quali la tensione critica viene raggiunta con
forze applicate maggiori. La conseguenza e’ che non tutti i grani cristallini subiscono la stessa
deformazione. Durante la deformazione plastica la densita’ delle dislocazioni aumenta di vari ordini di
grandezza, generando tuttavia dei campi di tensione elastica tali da impedirne ulteriori movimenti.Tali
tensioni provocano anche l’incurvamento dei piani interessati allo scorrimento e degli altri adiacenti
cosicche’ a poco a poco tutta la massa del cristallo risulta distorta. Pertanto con il progredire della
deformazione, lo scorrimento puo’ avvenire solo su quei piani che richiedono tensioni tangenziali
maggiori. Questo e’ il fenomeno del’incrudimento, responsabile dell’andamento crescente della
curva tensione-allungamento in campo plastico.
Un’ulteriore conseguenza e’ l’aumento di energia interna del cristallo deformato. Altre cause di
difficolta’ di propagazione della dislocazione sono, nei policristalli, i bordi dei grani e le differenze di
orientamento dei piani di scorrimento tra grano e grano.
Il diagramma cresce fino ad un valore massimo, a questo punto l’andamento e’ decrescente ovvero
inizia il fenomeno della strizione evidente (restringimento della sezione del provino) che terminera’
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con la rottura dello stesso. L’andamento del grafico con R=F/S0 e’ fittizzio , mentre quello con R’=
F/S dove S e’ l’area della generica sezione quando insiste il carico F e’ sempre crescente.
Studio del grafico carichi-allungamenti. Parametri
Carico al limite di proporzionalità
Il valore del carico Fp rappresenta il limite in cui il materiale si allunga in modo proporzionale al
carico, rispondendo alla legge di Hooke.
Carico unitario al limite di proporzionalità
E’ il carico al limite di proporzionalità ma riferito alla sezione del provino di 1mm²
dove S0 è la sezione iniziale e Fp il carico al limite di proporzionalità.
Carico unitario al limite di elasticità
Aumentando la sollecitazione al di sopra di Fp (o Rp) la provetta si comporta elasticamente sino a un
punto non individuabile sui grafico ma che si trova tra A e B. In corrispondenza di questo punto si ha
rispettivamente:
- il carico ai limite di elasticità Fe;
- il carico unitario al limite di elasticità Re, dato da:
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Superando il carico Fe (o Re) la provetta di acciaio non si comporta più solo elasticamente, vale a
dire, l'allungamento ottenuto sotto carico, ritornando la sollecitazione a zero, non scompare del tutto.
Carico unitario di snervamento
Quando, aumentando la sollecitazione, si perviene al punto B del grafico si hanno generalmente dei
bruschi allungamenti della provetta. Questi allungamenti sono imprevisti e avvengono con improvvisi
cedimenti della provetta per cui la macchina di prova, predisposta per aumentare il carico non
istantaneamente ma con un incremento inferiore a 10 N/s per ogni millimetro al quadrato di sezione
della provetta, diminuisce la forza di trazione applicata e il grafico assume una forma ad andamento
alterno caratteristico sino al punto D dei grafico stesso. Successivamente questi bruschi cedimenti
della provetta scompaiono ed essa riprende ad allungarsi regolarmente mano a mano che il carico
aumenta. In corrispondenza dei punto B si ha il ''carico di snervamento" FeH e il "carico unitario di
snervamento" ReH dato da:
Questo fenomeno non si verifica in tutti i materiali per i quali l’andamento del grafico risulta come
quello rappresentato in figura sottostante:
Il valore del carico di snervamento e’ di difficile determinazione e, per molti materiali, vicino al limite
elastico Re. Pertanto si preferisce considerare il punto in cui si ha una deformazione permanente pari
allo 0.2%, in quanto facilmente misurabile. Questo valore e’ indicato con Y (yield point). Quanto piu’
basso e’ questo valore, tanto minori sono le forze da applicare al pezzo per iniziare la deformazione
plastica.
Carico unitario di rottura
E’ il carico totale o unitario corrispondente al punto di massimo; è il parametro più importante della
prova di trazione e un indice di giudizio sulla qualità dei materiale. Il carico unitario s’indica con Rm
ed è legato al carico totale Fm dalla relazione:
dove S0 è la sezione iniziale
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Carico unitario ultimo
A partire dal punto E dei grafico inizia un restringimento in una sezione qualsiasi della provetta e
avviene la rottura in corrispondenza dei punto U del grafico stesso. Il restringimento della sezione
provoca la cosiddetta "strizione'' e la rottura avviene naturalmente in questa sezione ridotta quando il
carico unitario ha raggiunto un certo valore (punto U) variabile a seconda dei materiale. Questo carico
viene chiamato , "carico ultimo" e indicato con Fu; da quest'ultimo si ricava il "carico unitario ultimo"
Ru con la relazione:
dove S0 è la sezione iniziale
Allungamento a rottura
Si definisce secondo la seguente formula:
A=Lu-L0
dove L0 è la lunghezza iniziale
Lu è la lunghezza finale (rottura)
L0
Tale parametro misura la duttilita’ di un materiale, cioe’ la sua capacita’ di subire grandi deformazioni
plastiche
Coefficiente di strizione
E’ già stato detto che a partire dal punto E del grafico avviene una rapida contrazione in una sezione
qualsiasi della provetta, fenomeno chiamato "strizione''. Si definisce "coefficiente di strizione"
(denominato anche "contrazione percentuale dopo rottura") e s’indica con la lettera Z secondo la
seguente espressione:
dove S0 è la sezione iniziale
Su è la sezione finale (rottura)
Altri parametri ricavabili da prova di trazione come descritti nella figura precedente sono:
Tenacita’: l’area sottesa dal diagramma tensione allungamento (con le dimensioni di un lavoro per
unita’ di volume) e’ un indice della tenacita’ del materiale, cioe’ dell’energia assorbita per portarlo a
rottura.
Malleabilita’: Capacita’ di subire grandi deformazioni plastiche senza manifestare forti incrudimenti,
rilevabile dalla pendenza della parte della curva in zona plastica, prima della strizione.
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