Prove meccaniche statiche e di durezza

Una ghisa viene sempre prodotta in base ai requisiti di progetto forniti dal committente. Quasi sempre, tali requisiti sono associati al comportamento meccanico del materiale, che va quindi determinato e descritto con precisione, ricorrendo alle cosiddette prove meccaniche. I test più diffusi sono quelli che consentono di valutare il comportamento meccanico statico e la durezza.

Per prove meccaniche statiche si intendono essenzialmente i test di trazione, nei quali, in condizioni di sollecitazione mono-assiale, vengono determinati le tensioni di snervamento (Rp0,2) e di rottura (Rm), e l’allungamento a rottura (A5%). Con le prove di durezza, viene invece determinata la resistenza del materiale alla penetrazione da parte di una punta, di geometria differente, a seconda del tipo di test effettuato. Le prove di durezza sono particolarmente utili perché, mediante attrezzature relativamente semplici, forniscono in tempi rapidi informazioni preliminari ma sufficientemente affidabili sul comportamento meccanico delle ghise.

Test di trazione
Prove di durezza
Test di durezza Brinell
Test di durezza Vickers

Prove di resilienza (resistenza all’impatto)

Nel corso della vita in esercizio, per effetto delle condizioni di funzionamento previste a progetto o di eventi accidentali, un componente meccanico può subire impatti e urti, ai quali deve fornire evidentemente adeguata resistenza. È ovviamente necessario conoscere a priori le caratteristiche di resistenza all’impatto di una lega metallica, proprio per prevenire eventuali cedimenti o malfunzionamenti in esercizio indotti da urti.

Il test di resilienza serve appunto a determinare la resistenza all’impatto da parte di una lega metallica. Un provino (lunghezza 55 mm, sezione 10 mm per 10 mm), eventualmente intagliato, viene sottoposto a un urto istantaneo, effettuato mediante un pendolo con un “coltello”. L’energia complessivamente assorbita durante l’urto costituisce appunto la resilienza. Se si effettua il test di resilienza strumentata, viene anche determinata la curva istantanea di assorbimento di energia, con la possibilità di distinguere tra l’energia assorbita durante l’innesco e durante la propagazione della cricca.

Test d’impatto Charpy

Prove meccaniche dinamiche

Quasi tutti i componenti meccanici, nel corso della loro vita in esercizio, sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche di carattere ciclico (ad esempio trazione-compressione o trazione “oscillante” tra differenti valori di sollecitazione). Tali sollecitazioni possono indurre, nel tempo, al decadimento delle prestazioni meccaniche del materiale e a prematuri cedimenti. Diventa quindi essenziale la conoscenza del comportamento dinamico delle leghe metalliche, che può essere investigato utilizzando le prove di sollecitazione ciclica, convenzionalmente denominate come test di fatica. Per effetto di sollecitazioni alternate di trazione o di trazione-compressione si possono studiare a livello di laboratorio, anche dopo un numero di cicli molto elevato, l’innesco e la propagazione di una cricca, fino alla rottura del materiale. Al variare delle condizioni di sollecitazione (assiali, a flessione, multi-assiali, rapporti di ciclo) vengono ricavate le cosiddette curve di Woehler, determinando il limite di fatica del materiale, cioè il livello di ampiezza di sollecitazione al di sotto della quale, teoricamente, il materiale presenta una resistenza a numero infinito di cicli.

Test di fatica

Prove tribologiche

Un’altra significativa tipologia di sollecitazione cui sono sottoposti i componenti meccanici è quella associata al contatto (e quindi a condizioni di strisciamento o abrasione) con altri materiali. A seconda delle reciproche caratteristiche del componente e dell’antagonista, si possono indurre (nell’uno o nell’altro o in entrambi) fenomeni di usura, con danneggiamento progressivo (fino a livelli critici) della superficie dei materiali. La conoscenza del comportamento e della resistenza all’usura di un materiale è quindi particolarmente utile in sede di progettazione.

Per valutare la resistenza all’usura per strisciamento o per abrasione da parte del materiale, la configurazione più diffusa è la cosiddetta “pin-on-disk”: un perno (tipicamente in acciaio per utensili o in materiale ceramico), sottoposto a un carico ben definito, viene fatto strisciare (in condizioni a secco o lubrificate) su di un disco, costituito dalla lega da caratterizzare. Vengono determinati il coefficiente di attrito durante il test e il consumo, in funzione del tempo, del disco. La prova ha soprattutto un carattere comparativo, per confrontare il comportamento di differenti categorie di materiali.

Test pin-on-disk
Test pin-on-disk

Partners progetto Zanardi Academy