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Prove meccaniche

Le prove di tipo meccanico si utilizzano, in generale, per descrivere il comportamento di un materiale sottoposto a deformazione. Una prima distinzione va fatta tra le prove a deformazione lenta (creep, trazione, flessione, etc.) e le prove a deformazione veloce (urto, rotture, etc.). Una seconda distinzione possiamo farla tra le prove di tipo universale (pensiamo ad un dinamometro in trazione) e le prove specifiche (esempio un apparecchio per la misura della resistenza delle suole delle scarpe). Occorre valutare caso per caso e decidere qual'è la prova più adatta a risolvere la propria esigenza. Importante: al fine di avere dei numeri su cui discutere e con cui confrontarsi, una notevole attenzione deve ssmpre essere riposta caso nella preparazione dei provini. Questo aspetto riveste dal 50% al 99% dell'importanza della prova ed è spesso sottovalutato.

PROVE DI TRAZIONE, COMPRESSIONE E FLESSIONE

Preparazione e condizionamento dei provini
Esistono numerose normative a riguardo. In generale si distinguono due casi: provini fustellabili (plastificati, spessori bassi, etc.) e provini che devono essere intagliati con una fresa o stampati. La modalità di preparazione del provino varia da materiale a materiale e, in generale, viene eseguita con una pressa verticale o a iniezione e stampi adeguati. In questa fase l'esperienza è fondamentale. I provini DEVONO essere condizionati almeno 24 ore in condizioni standard prima della prova.

Apparecchiatura
Abbiamo bisogno di un dinamometro adeguato alle nostre esigenze di misura. Un dinamometro è costituito generalmente da:

  1. Un telaio che dev'essere sovradimensionato rispetto alle nostre esigenze;
  2. Una cella di carico che misura le forze di dimensione e precisione adeguate;
  3. Una misura della deformazione (direttamente sul telaio e, se possibile, mediante estensometri sul provino);
  4. Un sistema di elaborazione del dato (PC)
  5. Un micrometro per la misura degli spessori dei provini.

A questo sistema si possono aggiungere altri accessori (per prove in flessione, per misure a diverse temperature, per prove di compressione, diverse celle di carico, etc.).

Misura
Cosa si misura:

  1. Modulo elastico
  2. Sforzo a snervamento
  3. Allungamento a snervamento
  4. Sforzo a rottura
  5. Allungamento a rottura

La misura DEVE essere seguita per accorgersi di tutto quello che succede. Anche un provino rotto può essere fonte di ottime informazioni. Un buon stereomicroscopio può essere di notevole aiuto per l'analisi dei provini prima e dopo l'esecuzione dei test.

PROVE DI CREEP

A volte serve misurare la deformazione di un materiale sottoposto ad uno sforzo per tempi lunghi o lunghissimi: le prove di creep vanno in questa direzione. Sono tuttavia prove molto lunghe (diversi mesi o addirittura anni) e quindi molto costose, e richiedono una certezza assoluta delle variabili in gioco. Una prova di trazione si può ripetere se qualcosa non va; ripetere una prova di creep può voler dire un ritardo inaccettabile e, quindi, l'inutilità della prova.

Preparazione e condizionamento dei provini
Preparazione e condizionamento sono FONDAMENTALI per una prova di creep. Valgono le stesse considerazioni fatte per le prove di trazione unite al fatto che in generale NON POSSIAMO SBAGLIARE a causa della durata delle prove.

Apparecchiature
Ci sono apparecchiature specifiche per il creep. Fondamentale è il condizionamento in temperatura e umidità dell'apparecchiatura; è necessaria la certezza assoluta che temperatura e umidità vengano mantenute costanti e controllate per tutta la durata della prova.

Misure
I provini sono sottoposti ad uno sforzo costante nel tempo (pensiamo ad un peso che tira un provino). Quello che si misura è la deformazione in funzione del tempo. Da queste misure si traggono numerose informazioni sulle caratteristiche del materiale.

PROVE DI URTO

Le prove di urto hanno come finalità la comprensione del comportamento di un determinato materiale quando è sottoposto ad uno sforzo improvviso per un tempo limitatissimo (di solito qualche millisecondo): siamo quindi esattamente all'opposto delle prove di creep. Le normative in questo tipo di analisi sono fondamentali.

Preparazione e condizionamento dei provini
Oltre agli stessi accorgimenti già descritti per le prove di trazione, uno degli aspetti fondamentali per questo tipo di analisi è L'INTAGLIO del provino, dove necessario. La cura per questa operazione deve essere massima. Anche in questo caso è utile avvalersi di uno uno stereomicroscopio. Nel caso l'intaglio non debba essere effettuato, la cura della forma e del contorno del provino è comunque fondamentale prima di eseguire la pova. Altrettanto importante è il condizionamento dei provini.

Apparecchiature
Le apparecchiature sono diverse a secondo delle necessità:

  • trazione per urto con pendolo
  • pendolo Charpy
  • pendolo Izod
  • dardo ad impatto
  • prove specifiche

In generale è bene uniformarsi alle indicazioni delle normative per il materiale in oggetto.

Misure
Si colpisce il provino con una determinata energia, si misura l'energia assorbita dal provino e si analizza il provino colpito, che può rompersi completamente o deformarsi semplicemente. Spesso per queste prove si sente parlare di resilienza, termine a volte utilizzato impropriamente. L'analisi del provino dopo essere stato sottoposto a prova può dare utili indicazioni sul tipo di rottura e sulla propagazione della frattura.

PROVE DI ABRASIONE

La resistenza all'abrasione è un fenomeno complesso che riguarda essenzialmente le proprietà superficiali del materiale; a causa di questa complessità le prove hanno spesso valore comparativo, difficilmente assoluto. Esistono tuttavia apparecchiature che rispondono a determinate normative e che consentono di ottenere valori sufficientemente riproducibili del dato.

Preparazione e condizionamento dei provini
Come per tutte le prove meccaniche, questa fase è fondamentale. In particolare per l'abrasione una cura estrema deve essere riposta sull'aspetto superficiale dei provini.

Apparecchiature
Come ricordato sopra, esistono apparecchiature che rispondono a normative internazionali,  caratterizzate dal fatto che l'elemento abrasivo deve avere sempre la stessa efficacia. Esistono macchine con provini che ruotano e vengono abrasi da una mola calibrata, e macchine con l'elemento abrasivo che effettua cicli di abrasione sul provino.

Misure
Viene misurata la perdita in peso del provino sottoposto alla prova per un tempo determinato. Eventualmente si può analizzare al microscopio l'aspetto superficiale del provino dopo l'abrasione. Non esistono campioni standard, le condizioni da preferire sono:

  1. Elemento abrasivo continuamente sostituito e che opera con cicli sempre uguali;
  2. Controllo periodico delle capacità abrasive con un materiale conosciuto e con provini preparati in maniera identica.

PROVE DI FATICA

Preparazione e condizionamento dei provini
Le prove di fatica sono numerose e specifiche per ogni applicazione. Considerato il fatto che spesso hanno durata piuttosto elevata (anche settimane), valgono le solite considerazioni relative alla preparazione ed al condizionamento dei provini. Se tale fase viene sottovalutata, non si ha modo modo di capirlo e l'analisi perde di significato. Se possibile, è meglio caratterizzare meccanicamente, ad esempio mediante prove di trazione o di urto, alcuni provini di una serie prima di sottoporli alle prove di fatica, in modo da verificare eventuali anomalie.

Apparecchiature
La strumentazione per le prove di fatica è molto varia e viene utilizzata spesso anche in condizioni ambientali estreme. Per ogni settore è indicata una certa prova di fatica. In generale, considerato che tali apparecchiature hanno parti meccaniche che lavorano in movimento per lungo tempo, è importante garantire la solidità e l'affidabilità delle macchine. Considerato inoltre che a volte si ha la necessità di effettuare le prove a basse od alte temperature oppure in camere climatiche, è importante accertarsi della funzionalità delle macchine nelle condizioni desiderate.

Misure
La prova di fatica non è una vera e propria misura. Operativamente si considerano le variabili di interesse (proprietà meccanice, ottiche, aspetto, essudazione, etc.) e si misurano prima e dopo la prova di fatica. È buona regola effettuare le prove su un numero il più elevato possibile di provini.

PROVE DI DUREZZA

Preparazione e condizionamento dei provini
La preparazione ed il condizionamento rappresentano il 98% della prova. Non ha senso effettuare una misura di durezza se i provini non sono ben preparati (piani) e condizionati. La prova di per se stessa è banale e fornisce solo un numero da comparare.

Apparecchiature
Occorre scegliere l'apparecchio specifico adatto alle esigenze specifiche ed adatto al range di durezza da esaminare. Mediamente non sono apparecchi costosi e possono fornire molte indicazioni se utilizzati in maniera corretta. La taratura è fondamentale.

Misure
Ci sono diversi gradi di durezza: Rockwell, Shore, IRHD, etc. Considerate il vostro materiale e scegliete di conseguenza. La misura è semplice e richiede pochi minuti.

ALTRE PROVE MECCANICHE

Esistono altre prove meccaniche, come la resistenza ed il comportamento allo scoppio, la resistenza al graffio, alla perforazione e altre ancora.

 

Dr. Maurizio Veronelli - Specialista in Scienza dei Polimeri - RDLAB137 srl - Milano

 Ultima revisione: 02/01/2017