Indentatore piano cilindrico per la caratterizzazione meccanica dei materiali metallici: sviluppi sperimentali e simulazioni

Recenti sviluppi tecnologici hanno portato alla disponibilità di macchine sperimentali per eseguire prove strumentate di indentazione profonda. Tali macchine consentono di misurare in modo continuo la variazione del carico di indentazione come funzione della profondità di indentazione. La prova di indentazione è usata per investigare il comportamento elasto-plastico dei materiali metallici. Questa prova è tecnicamente più semplici della prova di trazione, ma la corretta interpretazione fisica del processo di deformazione che avviene durante la penetrazione è molto complesso, perché il campo delle tensioni sotto l’indentatore è multiassiale e inomogeneo. Il presente lavoro costituisce una continuazione di un’attività che vede il dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell’Universita degli studi di Roma “Tor Vergata” importante artefice e tratta dello sviluppo di un indentatore portatile che consente di applicare carichi fino a circa 2000_N con sensibilità di 4_N e di raggiungere penetrazioni di 1_mm con sensibilità di 1_μm. Tale macchina nasce come sviluppo del dispositivo FIMEC (Flat-top cylinder Indenter for MEchanical Characterization) che utilizza un indentatore cilindrico a testa piatta del diametro di 1_mm al fine di generare curve carico-penetrazione da cui ricavare le caratteristiche meccaniche quali il carico di snervamento, il modulo di Young e informazioni circa il comportamento plastico del materiale. La possibilità attraverso studi teorici e computazionali di chiarire la meccanica del contatto e i meccanismi della deformazione al fine di estrarre sistematicamente le proprietà meccaniche dei materiali dalle curve di carico-penetrazione aprono interessanti sviluppi sulla caratterizzazione delle proprietà dei materiali metallici tra cui quelli utilizzati nella fusione nucleare. La semplicità della macchina sperimentale consente il suo impiego anche su particolari meccanici già realizzati, montati ed in servizio. La costruzione di un modello matematico per la soluzione del problema diretto dell’indentazione con penetratore cilindrico cioè il metodo di determinare la curva di indentazione per un penetratore cilindrico partendo dalle caratteristiche elasto-plastiche del materiale, costituisce la parte più originale del lavoro di simulazione. Tale lavoro ha permesso di sviluppare un modello per la soluzione del problema inverso dell’indentazione con penetratore cilindrico cioè il metodo di ricavare le proprietà elasto–plastiche di un materiale partendo dalla curva di indentazione ottenuta con un penetratore cilindrico. Le prove sperimentali di indentazione a freddo sono state integrate con prove di indentazione a caldo grazie alla realizzazione di un apposito forno per il riscaldamento dei campioni, si sono inoltre eseguite prove di creep di indentazione confermando la possibilità che i parametri della prova di creep per trazione a carico costante possono essere determinati da una prova di creep di indentazione.