Proprietà Meccaniche

 

Le proprietà meccaniche dei pressocolati in lega di zinco non dipendono soltanto dalla composizione chimica, ma anche dalle condizioni di fusione che influenzano il tasso di raffreddamento. Le condizioni che promuovono un raffreddamento rapido nello stampo restituiscono i valori più elevati di resistenza e durezza. Per questa ragione, le sezioni a parete sottile sono più resistenti di quelle a parete spessa. Le proprietà tensili nella tabella delle “Proprietà Nominali” proposta di seguito, rappresentano i valori tipici per un getto sano con uno spessore pari a circa 2mm. Le proprietà corrispondenti a diversi spessori possono essere prese in considerazione nelle tabelle successive. Tali valori “originali” sono misurati indicativamente da cinque ad otto settimane dopo la fusione. Le proprietà variano nel corso del tempo: molto lentamente a temperature ambiente, oppure più rapidamente a temperature elevate. Per le leghe ZP3, ZP5 e ZP8 la resistenza a trazione e la durezza diminuiscono, mentre l’allungamento aumenta. L’allungamento della ZP2 tende a diminuire durante le prime settimane o mesi d’invecchiamento a temperatura ambiente, periodo dopo il quale inizia lentamente ad aumentare.

Le performance delle leghe di zinco e di altri materiali comuni sono messe a confronto nella sezione “Confronto con Materiali Alternativi”.

Le proprietà nelle diverse tabelle sono state ottenute da una varietà di diversi studi utilizzando campioni dal design differente ottenuti in diverse condizioni. Nel confrontare i risultati ottenuti dalle molteplici raccolte di risultati bisognerebbe impiegare una certa cautela, a meno che i provini e le condizioni di test non siano identici. Tuttavia, nonostante le differenze tra le condizioni di fusione dei provini testati siano potenzialmente ampie, le resistenze a trazione immediatamente dopo la fusione hanno una corrispondenza sorprendente per i provini dallo spessore analogo. Si dovrebbe, in ogni caso, tenere presente il fatto che chi ha condotto i diversi studi abbia verificato il fatto che i campioni fossero “sani”. In concreto tutti i pressocolati in lega di zinco contengono qualche porosità, e “sano” non è pertanto un termine assoluto. Nella pressofusione dello zinco, la porosità ha una duplice origine. La prima è rappresentata dall’aria intrappolata che è impossibilitata ad uscire dal sistema costituito dai canali di colata e dallo stampo, poiché questi sono sigillati ermeticamente e riempiti dal metallo fuso in qualche millisecondo. La seconda è dovuta alle porosità da ritiro che si formano naturalmente nel momento in cui il metallo liquido solidifica contraendosi. A condizione che il livello di porosità sia compreso indicativamente tra l’1% e il 5%, e che le singole cavità siano molto piccole, questo fenomeno non indebolisce in modo significativo il materiale. La reale distribuzione della porosità è importante almeno quanto la sua percentuale nominale. Di conseguenza, i progettisti e gli stampatori di getti pressocolati  dovrebbero tentare di assicurare la compattezza in quelle aree ritenute critiche per la resistenza; la porosità in altre zone non è così importante, almeno non dal punto di vista dell’integrità strutturale.

Con l’introduzione della progettazione assistita da computer, si è prodotta una richiesta di specifiche più ristrette riguardanti le proprietà dei materiali. In passato valori nominali di resistenza erano considerati adeguati anche senza le specifiche inerenti alle dimensioni del provino ed alle condizioni di test. La conseguenza di quest’evoluzione è che le leghe di zinco da pressofusione e molti altri materiali sono adesso sottoposti ad una rivalutazione tecnica. Nelle tabelle sottostanti sono mostrati in grassetto i valori di quelle proprietà legate a test effettuati in condizioni perfettamente specificate.

Poiché lo zinco è un materiale bassofondente, è probabile che i getti in lega di zinco siano soggetti al fenomeno di scorrimento viscoso (definito come la deformazione che avviene sotto carico costante per tempi sufficientemente lunghi). Gli effetti di questo fenomeno devono essere adeguatamente considerati se i pressocolati sono sottoposti a condizioni di carico prolungato, specialmente a temperature elevate. La resistenza allo scorrimento delle leghe ZP8 e ZP2 è superiore rispetto a quella della ZP5, a sua volta maggiore della ZP3. Nella sezione Proprietà a Creep sono riportate le informazioni che permettono di stimare la quantità di deformazione da scorrimento che si verifica su di un pressocolato sotto un determinato set di carichi, temperatura e parametri di progetto.

Riferimento 2

Valori Nominali delle Proprietà Meccaniche

Condizioni immediatamente successive alla pressofusione, temperatura di test 20oC. I valori delle proprietà collegate ai test perfettamente definiti sono mostrati in grassetto.

Designazione Abbreviata della Lega	ZP3	ZP5	ZP2	ZP8
Resistenza a Trazione MPa (5) (3)	308 283	331 328	397 359	387 374
Allungamento a Rottura % (5)	5.8	3.4	6.0	3.4
Allungamento a Fmax % (5)	2.3	3.1	2.2	2.5
Carico di Snervamento (0.2% offset) MPa (5) (3)	268 221	295 228	361 NA	319 320
Coefficiente di Poisson (6)	0.29	0.29	0.29	0.29
Resistenza a Taglio MPa (3)	214	262	317	275
Durezza Brinell (306.5-2.5-15) (5) Durezza Brinell (500-10-30) (3)	97 82	114 91	130 100	110 103
Resilienza Joules (barra 6.3mm x 6.3mm) (5) (barra 6.3mm x 6.3mm) (1)	46 58	52 65	38 48	NA 42
Modulo di Young GPa (Istantaneo) (6) (4)	96 85	96 85	96 85	96 85
Carico di Snervamento a Compressione (0.1% offset), MPa (3)	414	600	641	~600
Resistenza a Fatica, 5×108 cicli, MPa (3)	48	57	59	51.5

Riferimenti:

(3) Engineering Properties of Zinc Alloys
International Lead Zinc Research Organization, Inc. Third Edition August –1988
(4) DeZign (025)
(5) Umicore R&D
Condizioni del test di trazione: spessore dei provini 1.5 mm, raffreddati in aria, invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm.
Velocità di test 10mm/min, temperatura 20°C, media di 10 test.
I test di durezza sono stati eseguiti sulla superficie di un getto-provino spesso 1.5mm.
(6) Umicore R&D/Brescia Univ.

Curve Sforzo/Deformazione

Riferimento 5

Proprietà Meccaniche/Temperatura di Test

Resistenza a Trazione (MPa) in Funzione della Temperatura di Test (°C)
Spessore 1.5 mm, Invecchiamento 8 settimane, Lo 70mm,
Velocità di test 10mm/min, Provino raffreddato in aria

Temperatura oC	ZP3	ZP5	ZP2	ZP8
80	218	232	296	260
60	260	277	338	308
40	293	317	376	356
20	308	331	397	387
0	340	347	431	406
-20	345	365	449	412
-40	360	368	443	422

La tabella superiore è rappresentata nel grafico proposto di seguito:

Riferimento 5

Effetto della Temperatura di Test sulle
Proprietà Meccaniche delle leghe ZP3 e ZP5

Proprietà	Temperatura oC	ZP3	ZP5
UTS MPa	95	200	250
	40	250	300
	20	280	340
	0	300	380
	-40	320	380
Allungamento % F rottura	95	15	12
	40	8	6
	20	5	4
	0	4.5	4
	-40	2.5	1.5
Resilienza J/cm2 barra squadrata 6.18mm senza intaglio	95	135	143
	40	140	150
	20	140	145
	10	100	135
	0	25	130
	-10	11	60
	-20	8	12
	-40	7	8
Resilienza J/cm2 barra squadrata 6.18mm intaglio a V 2mm 45o	70	11	12
	20	2.9	4.1
	0	1.7	2.2
	-25	1.4	1.5
	-55	1.2	1.1
Durezza VPN	95	43	62
	40	68	89
	20	82	90
	0	82	100
	-20	87	105
	-40	91	107

Riferimento 7

Effetto della Temperatura di Test sulle
Resilienze delle Leghe ZP3, ZP5 e ZP2

Proprietà	Temperatura oC	ZP3	ZP5	ZP2
Resilienza J/cm2 barra squadrata 6.35mmsenza intaglio (0.40cm2)	80	112	103	116
	40	106	111	104
	20	116	131	96
	0	44	130	55
	-10		25
	-20	11	13	13
	-40	6	6	5
Resilienza J/cm2 barra squadrata 6.35mm intaglio a V 2mm 45o	80	13.3	13.6	12
	40	11.5	10.9	8.2
	20	5.1	6.9	4.2
	0	2.4	2.4	3.2
	-20	2.1	1.6	1.75
	-40	1.6	1.1	1.5

Effetto della Temperatura di Test sulle Resilienze delle
Leghe ZP3, ZP5 e ZP2

barra squadrata 6.35mm senza intaglio (0.40cm²)

barra squadrata 6.35mm con intaglio a V 2mm 45^o

Riferimento 5

Proprietà di Trazione/Spessore di Parete

Resistenza a TRazione (MPa) in Funzione dello Spessore di Parete

		ZP3	ZP5	ZP2	ZP8
0.76mm	Appena Colato	333	374	416	421
	Invecchiato	296	327	345	394
1.52mm	Appena Colato	301	337	387	374
	Invecchiato	274	301	356	360
2.14mm	Appena Colato	276	312	353	369
	Invecchiato	251	275	329	353

Invecchiato = 4 ore a 100^oC

Riferimento 3

Lega ZP3, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore		0.2% Carico di Snervamento MPa	σ	UTS MPa	σ	Allungam. % F rottura	σ	Allungam. % F max	σ
0.75mm (200C)	max	295	6.22	337	5.74	10.4	1.53	2.72	0.24
	min	276		317		6.36		2.01
1.5mm (200C)	max	272	5.65	312	4.37	8.15	1.59	2.40	0.1
	min	253		296		4.22		2.16
3mm (200C)	max	225	2.8	292	5.9	8.75	2.2	4.7	0.8
	min	216		270		2.23		2.1

s = deviazione standard

Lega ZP3, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore		0.2% Carico di Snervamento MPa	σ	UTS MPa	σ	Allungam. % F rottura	σ	Allungam. % F max	σ
0.75mm (200C)	max	342	4.6	387	4.7	4.4	0.7	2.4	0.2
	min	327		371		2.0		1.7
1.5mm (200C)	max	303	7.0	336	3.1	5.05	1.05	4.46	0.88
	min	288		317		2.17		2.07
3mm (200C)	max	280	2.9	333	8.2	7.1	1.6	6.5	1.4
	min	272		311		1.8		1.7

s = deviazione standard

Lega ZP2, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore		0.2% Carico di Snervamento MPa	σ	UTS MPa	σ	Allungam. % F rottura	σ	Allungam. % F max	σ
0.75mm (200C)	max	338	15.4	430	14.8	9.5	2.4	1.8	0.2
	min	336		386		1.6		1.1
1.5mm (200C)	max	378	9	403	4	8.51	1.3	4.84	1.4
	min	351		392		4.10		1.2
3mm (200C)	max	330	7.4	376	10.8	4.5	2.6	4.3	1.2
	min	313		345		1.0		1.0

s = deviazione standard

 Lega ZP8, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore		0.2% Carico di Snervamento MPa	σ	UTS MPa	σ	Allungam. % F rottura	σ	Allungam. % F max	σ
0.75mm (200C)	max	357	11	430	7	6.2	1.1	2.0	0.1
	min	329		408		2.2		1.7
1.5mm (200C)	max	331	7	397	5	4.2	0.5	2.8	0.2
	min	307		378		2.5		2.2
3mm (200C)	max	304	16	357	13	3.3	0.6	3.0	0.6
	min	251		318		1.4		1.4

s = deviazione standard

Riferimento 5

I valori della resistenza nelle quattro tabelle superiori sono rappresentati nei grafici seguenti:

Effetto dell’Invecchiamento a Temperature Ambiente ed Elevate

Effetto dell’Invecchiamento a Temperatura Ambiente sulla Resistenza a Trazione (MPa)
Spessore 1.5 mm, Lo 70 mm, Velocità di test 10mm/min

Time	ZP3	ZP5	ZP2	ZP8
8 settimane	308	331	397	387
3 anni	281	314	471
4 anni	281	320	477
5 anni	282	314	474
10 anni		293
12 anni				314
13 anni			356
14 anni	274

Riferimento 5

I dati nella tabella superiore sono rappresentati nel grafico proposto di seguito:

Effetto dell’Invecchiamento a Temperatura Elevata

Proprietà dopo 10 Giorni a 95^oC, testate a 20^oC
Lo 70 mm, Velocità di test 10mm/min, Spessore del provino 1.5mm

Designazione Abbreviata	ZP3	ZP5	ZP2	ZP8
Resistenza a Trazione MPa	271	291	326	303
Carico di Snervamento (0.2% offset)	218	241	249	230
Allungamento % F rottura	8.6	7	1.5	6.1
Allungamento % F max	2.6	3.8	1.5	2.4
Durezza Brinell (500-10-15)	74	83	97

Riferimento 5

Le cifre nella tabella superiore sono rappresentate nei grafici proposti di seguito:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Effetto dell’Invecchiamento a Temperatura Ambiente sulla
Resistenza a Trazione (Mpa) di ZP3 e ZP5 in Funzione della Temperatura di Test

Temperatura di Test oC	ZP3		ZP5
	Invecchiata 6 mesi	Invecchiata 3 anni	Invecchiata 6 mesi	Invecchiata 3 anni
70	207.5	205.5	255.1	246.8
20	268.9	261.3	316.5	304.1
0	290.3	284.1	338.5	330.3
-25	310.3	302.7	356.5	347.5
-55	330.3	324.1	358.5	355.1

Riferimento 3

Durezza Vickers delle Leghe Elencate in Funzione del
Tempo d’Invecchiamento a 100°C per Tre Diversi Spessori

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riferimento 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riferimento 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riferimento 8

Proprietà a Creep

Lo scorrimento viscoso è definito come la deformazione dipendente dal tempo che ha luogo sotto un dato carico costante. E’ possibile distinguere fra tre stadi di scorrimento.

 

1. Scorrimento primario -la deformazione si verifica con una velocità che tende a diminuire
2. Scorrimento secondario -la velocità di deformazione presenta un minimo ed è pressoché costante.
3. Scorrimento terziario -la velocità di deformazione aumenta sino a giungere, di solito, a rottura.

Il comportamento a creep delle leghe di zinco è una funzione non lineare dello sforzo, della temperatura di servizio e del tempo d’applicazione. Quando le leghe di zinco sono sottoposte a carichi continui per un periodo di tempo considerevole devono essere utilizzate, per predire in modo accurato il comportamento dello scorrimento di ciascuna lega, le relazioni empiriche matematiche tra l’allungamento, lo sforzo, il tempo ad un dato carico e la temperatura di servizio. Il modulo di Young per una lega, definito come lo sforzo diviso per la deformazione, è spesso utilizzato nei calcoli di progettazione. Per le leghe di zinco, il valore del modulo dipende dallo sforzo, dalla velocità di deformazione e dalla temperatura, ed è determinato attraverso test di trazione di breve durata. Il valore del modulo elastico è valido soltanto per le condizioni di sforzo, velocità di deformazione e temperatura in cui è stato misurato. Quando sono disponibili le curve che rappresentano la relazione sforzo/deformazione nel breve periodo, è possibile determinare facilmente il modulo elastico così da stimare le deformazioni elastiche. In ogni caso, sotto carichi applicati per lungo tempo, le leghe di zinco evidenziano un allungamento irreversibile aggiuntivo, e per stimare le deformazioni conseguenti a determinati sforzi è richiesto l’uso di opportune formule, come specificato più avanti in questa sezione.

Il comportamento a scorrimento viscoso delle leghe ZP3 e ZP8 con sezione di parete pari a 2 mm può essere modellizzato mediante l’equazione riportata di seguito. Essa è valida per valori di temperatura nel campo che va da 25° C a 120° C. La formula, che mette in relazione lo sforzo massimo di progetto s (MPa), la temperatura T (K), il tempo vita di utilizzo t (s) e la deformazione, è stata ricavata come:

Ln σ = C’+Q/RT – Ln t
n

dove : n è l’esponente dello sforzo = 3.5
Q è l’energia di attivazione = 106kJ/mol
R è la costante dei gas = 8.3143 x 10^-3 kJ/mol °K
C’ = è una costante calcolabile che varia con la deformazione per ogni lega (come mostrato di seguito

Utilizzando quest’equazione è possibile calcolare le combinazioni ammissibili di sforzo, temperatura e vita a creep per ogni deformazione compresa tra 0.2% e 1%. Essa è valida per sforzi fino a 50 MPa e temperature fino a 120°C. Si è osservato inoltre che restituisce dei tempi relativi ad un dato allungamento che concordano con tutti i dati sperimentali conosciuti.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’entità dello scorrimento viscoso, nella maggior parte dei sistemi di leghe, può essere molto irregolare. Lo zinco non fa eccezione, e campioni apparentemente identici possono avere variazioni della vita media a creep (o della deformazione) anche di una o due volte. Pertanto, a seconda che la vita a scorrimento sia determinata a partire da test reali od utilizzando la formula empirica descritta in precedenza, dovrebbe essere impiegato un coefficiente di sicurezza addizionale pari ad almeno 2 così da tenere conto di simili variazioni

Temperature di servizio elevate danno luogo all’invecchiamento di tutte le leghe di zinco. Quando si è studiato l’effetto dell’invecchiamento a temperatura ambiente sulla resistenza allo scorrimento viscoso per la lega 3, si è scoperto che la resistenza diminuiva in entrambi i casi. L’esecuzione di test con carichi elevati ha mostrato che la resistenza allo scorrimento decresceva del 16% sia nel caso di un invecchiamento a temperatura ambiente per due anni, che nel caso di un riscaldo compreso tra 75°C e 95°C per la durata di tre giorni. Si è pertanto suggerito di applicare un fattore di 0.8 per valori dello sforzo ammissibile calcolati secondo l’equazione illustrata.

Le velocità dello scorrimento viscoso per la lega ZP5, fino a 100°C, possono essere valutate utilizzando i grafici riguardanti la ZP3 mostrati in questa sezione ed aggiungendo 10°C alle temperature date. Ciò significa che la ZP5 presenta un comportamento approssimativamente equivalente alla ZP3, ma a temperature superiori di circa 10°C.

Un test limitato di scorrimento viscoso cui è stata sottoposta la lega ZP2, indica che il suo comportamento è equivalente alla ZP8. La ricerca sta proseguendo per identificare la costante C’ in funzione delle curve di deformazione per le leghe ZP5 e ZP2.

Riferimento 3 e riferimento 2