TECNOLOGIA MECCANICA sintesi semestre completo

1Proprietà e Caratteristiche Meccaniche dei Materiali

Grandezze ingegneristiche e grandezze vere

Quando si analizzano i processi di fabbricazione occorre distinguere tra due modi di misurare sforzo e deformazione. Nelle grandezze ingegneristiche (o nominali) si fa sempre riferimento alla sezione iniziale del provino, mentre nelle grandezze vere (o effettive) si considera la sezione istantanea, che varia durante la prova. Questa distinzione diventa fondamentale quando le deformazioni plastiche sono grandi, perché in quel caso la sezione trasversale del pezzo cambia in modo significativo rispetto a quella di partenza.

Durante la deformazione plastica permanente il materiale non cambia densità in modo apprezzabile, per cui vale la conservazione del volume.

Prova di trazione e legge di Hollomon

La curva sforzo-deformazione ingegneristica ottenuta da una prova di trazione permette di individuare tre grandezze caratteristiche del materiale:

1. Limite di snervamento (Y o Rp0.2): tensione oltre la quale iniziano le deformazioni plastiche, cioè irreversibili. Sotto questo limite vale la legge di Hooke, σ = E·e (comportamento elastico lineare).
2. Carico di rottura a trazione (UTS o Rm): valore massimo raggiunto dalla tensione ingegneristica s; in corrispondenza di questo punto compare la strizione localizzata (necking), cioè un restringimento concentrato della sezione.
3. Deformazione a rottura (e_f): indica la duttilità del materiale, ossia quanto esso si allunga prima di rompersi.

Oltre lo snervamento, il comportamento del materiale in campo plastico segue la legge di Hollomon (o legge di incrudimento a freddo):

Rugosità superficiale e modelli d'attrito

La qualità della superficie lavorata si misura tramite l'indice di rugosità media Ra, calcolato come valore medio del modulo del profilo di rugosità y(x) lungo una lunghezza di riferimento L:

Ra = (1/L) · ∫₀ᴸ |y(x)| dx [μm]

Nei processi di formatura e asportazione di truciolo, l'attrito all'interfaccia tra pezzo e utensile viene descritto con due modelli alternativi, a seconda delle condizioni di contatto:

• Legge di Coulomb: τ = μ·σ, valida quando le pressioni di contatto sono basse.
• Attrito di aderenza (modello di Tresca / Shear Factor): τ = m·k = m·(Y/√3), dove m ∈ [0,1] è il fattore di attrito e k è la resistenza a taglio del materiale. Si usa quando le pressioni normali sono così elevate da far scorrere plasticamente il materiale sottostante, rendendo inadeguata la legge di Coulomb.

Confronto tra i materiali metallici industriali

La tabella seguente riassume gli ordini di grandezza tipici delle proprietà meccaniche dei principali materiali da costruzione, utile per un rapido confronto in fase di progettazione.

Esercizio svolto: tensione vera e conversione delle deformazioni

Un provino cilindrico di acciaio (K = 800 MPa, n = 0.20), con diametro iniziale D₀ = 12 mm e lunghezza utile l₀ = 60 mm, viene trazionato fino a raggiungere una lunghezza l = 75 mm, prima della strizione. Si chiede di calcolare deformazione ingegneristica e vera, la tensione vera e la forza applicata.

1. Deformazione ingegneristica e vera: e = (75−60)/60 = 15/60 = 0.25 (25%) ε = ln(1+e) = ln(1.25) = 0.2231

2. Tensione vera di flusso plastico: σ = K·εⁿ = 800·(0.2231)^0.20 = 800·0.7408 = 592.6 MPa

3. Sezione trasversale istantanea e forza: A₀ = π·D₀²/4 = π·12²/4 = 113.1 mm² Per conservazione del volume (A·l = A₀·l₀): A = A₀·(l₀/l) = 113.1·(60/75) = 90.48 mm² F = σ·A = 592.6 N/mm² · 90.48 mm² = 53618 N ≈ ++53.62 kN++

1. Dati geometrici e materiale↓→
2. Calcolo e ed ε↓→
3. Calcolo σ con Hollomon↓→
4. Calcolo A con conservazione del volume↓→
5. Calcolo F = σ·A

2Processi di Fonderia e Solidificazione

Fasi del processo e proprietà tecnologiche

La fonderia è il processo che permette di ottenere pezzi anche di forma complessa versando metallo liquido all'interno di una cavità detta forma. Il successo del getto dipende da alcune proprietà tecnologiche fondamentali del materiale:

• Fusibilità: attitudine del materiale a passare allo stato liquido con basso consumo energetico.
• Fluidità (scorrevolezza): capacità del metallo fuso di riempire completamente la forma prima che inizi la solidificazione.
• Ritiro di solidificazione: contrazione volumetrica che si sviluppa in tre fasi successive — ritiro liquido, ritiro di solidificazione (che genera cavità interne, dette succhietto) e ritiro solido (contrazione dimensionale esterna del pezzo già formato).

Legge di Chvorinov e modulo di solidificazione

La solidificazione procede sempre dall'esterno verso l'interno del getto, e l'ultimo punto a solidificare, detto centro termico, è quello più critico per la formazione di difetti. Il tempo totale necessario alla solidificazione è descritto dalla legge di Chvorinov:

Progettazione della forma: modello, materozza, verifiche

1. Pezzo finito↓→
2. Modello (con sovrametallo e ritiro)↓→
3. Forma in sabbia↓→
4. Colaggio del metallo↓→
5. Materozza alimenta il ritiro↓→
6. Getto solidificato

1. Dimensioni del modello. Per passare dal pezzo finito al modello in legno o metallo occorre applicare due correzioni successive: il sovrametallo di lavorazione S (per le superfici che dovranno essere lavorate di macchina) e il ritiro percentuale del materiale:

Dimensione Modello = (Dimensione Pezzo ± Sovrametallo S) · (1 + Ritiro%/100)

2. Dimensionamento della materozza. La materozza è un serbatoio di metallo liquido che compensa la contrazione di solidificazione del pezzo. Perché funzioni correttamente deve solidificare dopo il pezzo, evitando che il succhietto si formi nel getto stesso:

M_mat ≥ 1.2 · M_pezzo

Nella pratica progettuale si utilizza il metodo dei cerchi di Heuvers per individuare i centri termici critici del getto, cioè i punti dove la materozza deve intervenire.