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Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica
06JWLNE, 08JWLMZ
A.A. 2023/24
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
L’insegnamento si propone di fornire i concetti fondamentali e le principali applicazioni del comportamento meccanico dei materiali alle condizioni che portano al cedimento dei componenti strutturali sollecitati sia con carichi statici sia con carichi variabili e dinamici. L'insegnamento focalizza l'attenzione principalmente sui materiali metallici. Sono affrontate in modo approfondito le tematiche dell'elasticità, della plasticità, della fatica e del creep e sottolineati i possibili interventi progettuali sui componenti e sulla scelta dei materiali per evitare cedimenti in opera. Particolare attenzione è rivolta alla modellazione della risposta del materiale con leggi costitutive e di comportamento che possano essere utilizzate nei moderni software di calcolo. L’insegnamento è offerto nell'orientamento "Progettazione meccanica" della Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica e fra le scelte consigliate della Laurea Magistrale in Ingegneria dei Materiali.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
Il modulo di metallurgia meccanica si propone di fornire i concetti fondamentali del comportamento meccanico dei materiali nelle condizioni che portano alla frattura dei componenti strutturali sollecitati con carichi statici, con particolare attenzione per i materiali metallici e per gli effetti di fessure o altri difetti. Pertanto, dopo aver descritto i fenomeni di frattura ed i fondamenti del comportamento meccanico dei metalli, si svolgono in modo approfondito i temi della meccanica della frattura lineare elastica ed elastoplastica e della frattura assistita dall'ambiente, evidenziando i possibili metodi di analisi e di prevenzione dei cedimenti in opera.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
The subject aims to illustrate the fundamental concepts and the principal applications of the mechanical behaviour of materials up to the conditions that lead to failure of structural components, both under static and alternate and dynamic loads. The course is mainly focused on metallic materials. Elasticity, plasticity, fatigue and creep are presented in depth with regard to the possible interplay between component design and material selection to avoid failures under load. Constitutive laws and material modelling are discussed with particular attention to the use in modern numerical tools and finite elment codes.. The course is offered in the "Mechanical design" elective curriculum of the MSc in Mechanical Engineering and among the electives recommended for the MSc Programme in Material Engineering.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
The module of mechanical metallurgy aims to provide the fundamental concepts of the mechanical behavior of materials in the conditions that lead to the fracture of structural components stressed with static loads, with particular attention to metallic materials and to the effects of cracks or other defects. Therefore, after describing the fracture phenomena and the microscopic foundations of the mechanical behavior of metals, the themes of linear elastic fracture mechanics, of elastic-plastic fracture mechanics, and of environment-assisted fracture are carried out in depth, highlighting the possible methods of analysis and prevention of service failures.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Comprendere le caratteristiche del comportamento dei materiali strutturali: comportamento elasto-plastico dei materiali, fatica in controllo di tensione, di deformazione e ad altissimo numero di cicli; fatica con sollecitazioni multi assiali complesse; comportamento meccanico ad elevata velocità di deformazione; plasticità dei materiali metallici; cedimento per frattura duttile o fragile. Il creep. Capacità di utilizzare le conoscenze avanzate sul comportamento dei materiali all’interno del processo di progettazione. Capacità di analizzare cedimenti individuandone la causa e suggerendo i metodi per evitarle.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
Comprensione del comportamento dei materiali strutturali in presenza di difetti e/o in ambienti aggressivi. Capacità di utilizzare le conoscenze avanzate sul comportamento dei materiali all’interno del processo di progettazione. Capacità di analizzare cedimenti individuandone la causa e suggerendo i metodi per evitarli.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Knowledge of the characteristics and behaviour of structural materials: linear-elastic and elastic-plastic behaviour, fatigue in control of stress, strain and very high cycles fatigue, complex multi-axial fatigue. Basic knowledge of methods for failure analysis. Ability to use advanced knowledge on the behaviour of materials within the design process. Ability to define the controls in production or work necessary to preserve the structural integrity of mechanical components. Ability to analyze failures by identifying the cause and suggesting ways to avoid them.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
Understanding of the behavior of structural materials in the presence of defects and / or in aggressive environments. Ability to use advanced knowledge on the behavior of materials within the design process. Ability to analyze failures by identifying their cause and suggesting methods to avoid them.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Conoscenze di base del calcolo delle sollecitazioni e della tecnologia dei materiali metallici.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
Conoscenze di base del calcolo delle sollecitazioni e della scienza e tecnologia dei materiali metallici.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Basic knowledge of strength of material and basic metallurgy (especially heat treatment).
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
Basic knowledge of strength of material and of science and tecnology of metallic materials.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Programma 1) Introduzione al insegnamento e richiami di meccanica del continuo, elasticità. Richiami sullo stato di tensione, di deformazione e sulle ipotesi di rottura, modalità di cedimento dei materiali. Costanti elastiche dei materiali, proprietà elastiche di materiali metallici, ceramici e polimerici, materiali iperelastici. 2) Plasticità Introduzione agli aspetti microscopici della deformazione plastica, dislocazioni e difetti, prova di trazione, necking e modello di Bridgman, modellazione della curva di flusso plastico, incrudimento ed effetto Bauschinger, criteri di cedimento e plasticità multiassiale. Effetto di temperatura, strain-rate e triassialità sul comportamento plastico dei materiali. 3) Fatica Diagrammi SNP, metodi di determinazione delle curve di fatica, effetto delle tensioni medie e diagrammi di fatica. Dai provini ai componenti: fattori che influenzano la vita a fatica, effetto degli intagli. Fatica con carichi di ampiezza variabile: metodi di conteggio, ipotesi di danneggiamento cumulativo. Aspetti micro e macroscopici e meccanicistici della fatica; approccio alla fatica con la meccanica della frattura; legge di Paris, il fenomeno del ritardo; misura sperimentale della curva di Paris. Introduzione alla fatica oligociclica, Equazione di Manson-Coffin; effetto della tensione media; approcci a due stadi. Fatica cumulata e ipotesi di Miner. 4) L'effetto di intaglio in campo elastico, plastico e a fatica. 5) La plasticità ad elevati strain-rate: aspetti microscopici e modellazione. L'attivazione termica delle dislocazioni e i meccanismi atermici. Leggi costitutive per la modellazione della curva di flusso plastico per modelli termo-visco-plastici. 6) Modellazione della frattura e danno duttile Modelli per la previsione del cedimento di materiali fragili, modelli di cedimento di materiali duttili in condizioni di carico multiassiale, frattura per spall. Transizione duttile-fragile. 7) Comportamento in condizioni di carico idrostatico Comportamento dei materiali ad elevata triassialità, propagazione di onde di tensione e di shock, equazioni di stato multifase. 8) Modellazione del comportamento di materiali metallici sottoposti a creep.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
1) Fenomeni di frattura Concetto di frattura duttile o fragile. Prova di Charpy. Transizione fragile - duttile negli acciai ferritici. Meccanismi di frattura ed aspetto macroscopico e microscopico delle superfici di frattura. 2) Fondamenti cristallografici del comportamento meccanico dei metalli Richiami di cristallografia; sistemi di scorrimento; tensione critica risolta di taglio; tensione di taglio teorica e reale. Ruolo delle dislocazioni: proprietà, tensioni reticolari, scorrimento, ostacoli e loro superamento. Deformazione plastica per geminazione. Meccanismi di rafforzamento: affinamento del grano, soluzione solida, incrudimento. Tensione di clivaggio teorica e reale. Nucleazione del clivaggio. 3) Meccanica della frattura lineare elastica (MFLE) Approssimazioni bidimensionali del campo tensionale. Effetti di intaglio e sensibilità all'intaglio. Propagazione di una fessura per clivaggio. Approccio energetico alla propagazione di una fessura (Griffith) e tasso di rilascio di energia elastica (G). Campi di tensione e deformazione all'apice di una cricca (Westergard) e fattore di intensità delle tensioni (K). Calcolo del fattore K in casi particolari. Relazione tra G e K. Velocità di propagazione di una fessura in una lastra infinita. Estensione della teoria di Griffith a materiali duttili. Dimensione e forma della zona plastica all'apice della fessura. Zona K-dominata e principio di similitudine. Concetto di tenacità alla frattura (KIc). Misura della tenacità alla frattura: provette, precriccatura, svolgimento della prova, calcoli, validità, effetti delle dimensioni delle provette. Valori tipici di KIc negli acciai. Competizione tra frattura fragile e duttile ed effetti di scala. 4) Meccanica della frattura elastica-plastica (MFEP) Propagazione stabile o instabile di una fessura e curva di resistenza alla propagazione (curva a-R). Limiti della MFLE ed introduzione alla MFEP. Apertura (CTOD), arrotondamento e lacerazione plastica all'apice della fessura. Relazione tra CTOD e K. definizione e misura del CTOD critico: metodo della cerniera plastica, metodo degli scarichi parziali, costruzione del diagramma CTOD - Δa, valori critici. Definizione e significato dell'integrale J di Rice. Zona J-dominata (o HRR). Confronto tra zona HRR e zona K-dominata. Relazioni tra CTOD, J, G e K. Misura di J: calcolo di J in base alla curva forza-spostamento; metodi multicampione e monocampione; condizioni di validità; confronto con le misure di KIc e di CTOD critico. Procedure di verifica di componenti contenenti difetti con i metodi della MFEP: metodi basati sul CTOD; metodi basati sul calcolo di J. 5) Fenomeni di frattura assistita dall'ambiente Richiami sulla corrosione. Fenomeni di tensocorrosione e di infragilimento da idrogeno. Prove sperimentali con campioni integri o precriccati. Esercitazioni in aula: analisi di fallimenti di componenti meccanici. Esercitazioni in laboratorio: misura di KIc e/o JIc; microfrattografia.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Programma 1) Introduzione al insegnamento e richiami di meccanica del continuo, elasticità La prova di trazione, richiami sullo stato di tensione, di deformazione e sulle ipotesi di rottura, modalità di cedimento dei materiali. Costanti elastiche dei materiali, proprietà elastiche di materiali metallici, ceramici e polimerici, materiali iperelastici. Effetti di intaglio e sensibilità all'intaglio. 2) Fatica ad alto numero di cicli Diagrammi SNP, metodi di determinazione delle curve di fatica, effetto delle tensioni medie e diagrammi di fatica. Dai provini ai componenti: fattori che influenzano la vita a fatica, effetto degli intagli. Fatica con carichi di ampiezza variabile: metodi di conteggio, ipotesi di danneggiamento cumulativo. Aspetti micro e macroscopici e meccanicistici della fatica; approccio alla fatica con la meccanica della frattura; legge di Paris, il fenomeno del ritardo; misura sperimentale della curva di Paris. 3) Plasticità Introduzione agli aspetti microscopici della deformazione plastica, dislocazioni e difetti, prova di trazione, necking e modello di Bridgman, modellazione della curva di flusso plastico, incrudimento ed effetto Bauschinger, criteri di cedimento e plasticità multiassiale. Effetto di temperatura, strain-rate e triassialità sul comportamento plastico dei materiali. Leggi costitutive per la modellazione della curva di flusso plastico. 4) Fatica a basso numero di cicli Introduzione alla fatica oligociclica, Equazione di Manson-Coffin; effetto della tensione media; approcci a due stadi. 5) Fatica a altissimo numero di cicli Fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF); curve SN duplex e doppia pendenza; macchine di prova ad ultrasuoni; meccanismi di nucleazione. 6) Modellazione della frattura e danno duttile Modelli per la previsione del cedimento di materiali fragili, modelli di cedimento di materiali duttili in condizioni di carico multiassiale, frattura per spall. Transizione duttile-fragile. 7) Comportamento in condizioni di carico idrostatico Comportamento dei materiali ad elevata triassialità, propagazione di onde di tensione e di shock, equazioni di stato multifase. 8) Modellazione del comportamento di materiali metallici sottoposti a creep.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
1) Fracture phenomena Concept of ductile or brittle fracture. Qualitative toughness tests (Pellini, Charpy). The brittle-to-ductile transition in ferritic steels. Fracture mechanisms and macroscopic and microscopic appearance of fracture surfaces. 2) Crystallographic foundations of the mechanical behavior of metals Elements of crystallography; slip systems; critical resolved shear stress; theoretical and real shear stress. Role of dislocations: properties, crystal stresses, movement, obstacles and their overcoming. Plastic deformation due to twinning. Strengthening mechanisms: grain refinement, solid solution, work hardening. Theoretical and real cleavage stress. Cleavage nucleation and propagation. 3) Linear elastic fracture mechanics (LEFM) Two-dimensional approximations of the stress field. Notch effects and notch sensitivity. Propagation of a cleavage crack. The energetic approach to crack propagation (Griffith) and the energy release rate (G). Stress and strain fields at the crack tip (Westergard) and stress intensity factor (K). Calculation of K in particular cases. Relation between G and K. Crack speed in an infinite plate. Extension of the Griffith theory to ductile materials. Size and shape of the plastic zone at the crack tip. K-dominated zone and principle of similarity. Concept of fracture toughness (KIc). Measurement of the KIc: specimens, pre-cracking, testing, calculations, validity, effects of specimen size. Typical values of KIc in steels and other materials. Competition between brittle and ductile fracture and scale effects. 4) Elastic-plastic fracture mechanics (EPFM) Stable or unstable crack growth and resistance curve (a-R curve). Measurement of the a-R curve: specimens, pre-cracking, testing, prevention of plastic instability, calculations, validity limits. Limits of LEFM and introduction to EPFM. Crack tip opening displacement (CTOD), blunting and ductile tearing. Relationship between CTOD and K. Measurement of the critical CTOD: plastic hinge method, partial unloading method, construction of the Δa-CTOD diagram, critical values. Definition and meaning of Rice's J integral. J-dominated zone (or HRR zone). Comparison between HRR zone and K-dominated zone. Relations between CTOD, J, G and K. Measurement of J: calculation of J based on the force-displacement curve; multiple single specimen methods; validity conditions; comparison with KIc and critical CTOD measurements. Verification procedures for components containing defects with EPFM methods: CTOD-based methods; methods based on the calculation of J. 5) Environmentally assisted cracking Elements of corrosion. Stress corrosion and hydrogen embrittlement phenomena. Experimental tests with pre-cracked or un-cracked samples. Environmentally assisted fatigue. Classroom exercises: failure analysis of mechanical components. Laboratory exercises: KIc and / or JIc measurement; microfractography.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
Per una presentazione dell'insegnamento è disponibile il seguente documento: https://staff.polito.it/lorenzo.peroni/MMMM.pdf
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Per una presentazione del corso è disponibile il seguente documento: https://staff.polito.it/lorenzo.peroni/MMMM.pdf
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L'insegnamento prevede la discussione a lezione tramite l'ausilio di slide degli argomenti a programma. Sono previste una serie di esperienze in laboratorio su prove di caratterizzazione meccanica dei materiali.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
Si svolgeranno lezioni in aula, esercitazioni in aula (analisi di fallimenti in opera di componenti meccanici) ed esercitazioni in laboratorio (misura di KIc e/o JIc; microfrattografia).
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
L'insegnamento prevede la discussione a lezione tramite l'ausilio di slide degli argomenti a programma. Sono previste una serie di esperienze in laboratorio su prove di caratterizzazione meccanica dei materiali.
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Classroom lessons, classroom exercises (failures analysis of mechanical components) and laboratory exercises (KIc and / or JIc measurements; microfrattography) will be held.
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Slide fornite dal docente. I testi di approfondimento dai quali sono state ricavate le slide verranno segnalati dal docente. Al link suindicato sono rinvenibili i testi suggeriti, tra i quali si indica come primo riferimento: Joachim Rösler, Martin. Bäker, Harald. Harders, Mechanical Behaviour of Engineering Materials - Metals, Ceramics, Polymers, and Composites Textbook, 2007
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L'apprendimento è basato principalmente sulle dispense distribuite dal docente e sugli appunti delle lezioni. I seguente testi (disponibili in forma digitale nella biblioteca del Politecnico) sono consigliati per approfondimento. - Anderson T.L., 2017, Fracture mechanics: fundamentals and applications, fourth edition, CRC press. - Campbell F.C. (ed.), 2012, Fatigue and fracture: understanding the basics, ASM International.
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Appunti forniti dal docente. Eventuali testi di approfondimento verranno segnalati dai docenti durante il semestre.
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Learning is mainly based on the lecture notes and on the students own notes. The following textbooks (available in digital form in the Politecnico library) are recommended for further study. - Anderson T.L., 2017, Fracture mechanics: fundamentals and applications, fourth edition, CRC printing. - Campbell F.C. (ed.), 2012, Fatigue and fracture: understanding of the bases, ASM International.
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Dispense; Libro di testo;
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Dispense; Libro di testo;
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Lecture notes; Text book;
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Lecture notes; Text book;
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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
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Modalità di esame: Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
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Exam: Written test; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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Exam: Computer-based written test in class using POLITO platform;
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma del insegnamento e la capacità di applicare la teoria ed i suoi metodi alla soluzione di esercizi. L’esame è costituito da una parte scritta con domande a risposta multipla. La valutazione dello scritto è unica tra i due moduli (Meccanica dei Materiali e Metallurgia Meccanica) dell’insegnamento ed è espressa in trentesimi. La prova è considerata sufficiente se la votazione dello scritto è pari o superiore a 18/30. Durante lo scritto non si possono portare in aula libri di alcun tipo o appunti dell’insegnamento. L’esame scritto è rivolto anche ad accertare la capacità di risoluzione di quesiti e semplici calcoli inerenti agli argomenti trattati nell’insegnamento. Tempo a disposizione: 1 ora; le domande a risposta multipla, inerenti alla meccanica dei materiali, sono 16. I risultati della prova scritta saranno pubblicati sul portale della didattica.
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Metallurgia meccanica)
L’esame è volto ad accertare la conoscenza di tutti gli argomenti svolti nel modulo. L’esame è costituito da uno scritto di 1 ora con domande aperte. Durante lo scritto non si possono usare libri, dispense o appunti. L'esame del modulo di metallurgia meccanica deve essere sostenuto contemporaneamente a quello del modulo di Meccanica dei Materiali.
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Exam: Written test; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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Exam: Computer-based written test in class using POLITO platform;
Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica (Meccanica dei materiali)
The goal of the exam is to test the knowledge of the candidate about the topics included in the program of the subject and to verify the skills in solving problems. The exam consists of a written exam with questions associated to multiple choices. The final assessment is determined by considering both marks obtained in the two modules of the exam. During the exams, books and other kinds of support are not allowed. The exam is passed if the assessment of the written exam results to be 18 out of 30, or more. Time: 1 hour. The written examination will be published on the teaching portal.
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The exam is designed to ascertain the knowledge of all the topics covered in the module. The exam consists of a 1-hour written test with open questions. During the test, textbooks, lecture notes or own notes cannot be used. The exam of the mechanical metallurgy module must be taken at the same time as that of the Mechanics of Materials module.