ASTM E228: Espansione termica di metalli e ceramiche

Cos'è l'ASTM E228

ASTM E228 è un metodo di prova standard di ASTM International per la misurazione del coefficiente di espansione termica (CTE) di metalli e ceramiche. Lo standard garantisce coerenza e accuratezza nel testare l'espansione o il ritiro del materiale al variare della temperatura, un fattore chiave nella progettazione, nella produzione e nell'assicurazione della qualità.

Importanza dell'espansione termica in ceramica e metalli

L'espansione termica è il fattore che limita l'affidabilità e le prestazioni dei materiali nelle applicazioni soggette a fluttuazioni di temperatura. Questa proprietà consente agli ingegneri e ai produttori di prevedere le variazioni dimensionali e di evitare i guasti indotti dalle sollecitazioni termiche.

Ad esempio, nei motori a turbina, le pale metalliche subiscono riscaldamenti e raffreddamenti ad alta velocità che possono portare a cricche o a fatica se il CTE non è tenuto in debito conto. Nel substrato ceramico del packaging dei semiconduttori, possono verificarsi deformazioni o delaminazioni a causa di una differenza di CTE tra il chip di silicio e il substrato.

La corretta conoscenza dell'espansione termica consente:

- Ottimizzare la progettazione: Le parti meccaniche vengono ottimizzate per mantenere la stabilità dimensionale al variare della temperatura.

- Compatibilità dei materiali: Prevenzione di guasti o deformazioni delle giunzioni durante la combinazione dei materiali.

- Produzione di precisione: Tolleranze strette in parti aerospaziali, strumenti ottici e componenti elettronici.

Come funziona ASTM E228

Apparecchiature per la misurazione

Il dilatometro a spinta è l'apparecchiatura principale utilizzata nelle prove ASTM E228. Il dispositivo di prova impiega tipicamente un'asta di spinta in silice vitrea per gli intervalli di temperatura normali o in allumina di elevata purezza o grafite isotropica per le temperature più elevate. L'asta trasferisce l'espansione o la contrazione del provino a un trasduttore di spostamento con una precisione praticamente molto elevata.

Procedura

1. Preparazione del campione: Si prepara un campione della geometria e della finitura superficiale richieste.

2. Riscaldamento/raffreddamento: Il campione di prova viene posto nel dilatometro ed esposto a variazioni di temperatura controllate.

3. Misurazione: L'apparecchiatura misura lo spostamento lineare (variazione di lunghezza) rispetto alla temperatura.

4. Calcolo: Il CTE viene calcolato in base alla pendenza del diagramma spostamento-temperatura.

Applicabilità

L'ASTM E228 è generalmente utilizzato per sostanze solide con un CTE superiore a circa 0,5 μm/m⋅℃. Si applica a metalli, ceramiche e materiali densi in un'ampia gamma di temperature. Il metodo può essere modificato per essere applicato a materiali a bassa espansione se si dispone di un'apparecchiatura sensibile.

Applicazioni dell'ASTM E228

I test ASTM E228 sono utilizzati in applicazioni in cui la stabilità della temperatura e la stabilità dimensionale sono importanti:

- Aerospaziale: Le pale delle turbine dei motori a reazione e gli scudi termici subiscono enormi gradienti di temperatura. Ad esempio, le superleghe di nichel con un CTE di 13-15 × 10^{-6}/℃ sono abbinate con cura a rivestimenti ceramici con CTE ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃) per ridurre le sollecitazioni durante i cicli termici.

- Veicolo: Componenti di scarico in lega di alluminio e blocchi motore CTE ≈ (23 × 10^(-6)/ ℃) sono sottoposti a test di espansione simili. L'incongruenza tra i bulloni in acciaio CTE ≈ (16 × 10^(-6)/ ℃) e gli alloggiamenti in alluminio fa sì che i ripetuti cicli termici provochino una distorsione meccanica.

- Elettronica: I circuiti stampati (PCB) e i pacchetti di semiconduttori necessitano di una precisa corrispondenza del CTE delle tracce di rame CTE ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) e dell'allumina o di altri substrati ceramici CTE ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃) per prevenire le crepe durante i cicli termici.

- Sistemi energetici: Nelle celle a combustibile a ossido solido, in assenza di dati CTE corretti sulle interfacce metallo-ceramica, a temperature operative superiori a 800 °C, non si verifica la delaminazione.

Grazie alla fornitura di dati precisi sull'espansione termica, l'ASTM E228 facilita la durata dei componenti e la sicurezza nell'uso ad alte prestazioni.

Effetti sull'espansione termica

Diversi effetti regolano il modo in cui metalli e ceramiche si espandono con la temperatura e in modi piuttosto complessi:

- Composizione del materiale: I leganti o gli additivi ceramici alterano in modo significativo il CTE. L'aggiunta di silicio all'alluminio, ad esempio, ne riduce il CTE e le leghe alluminio-silicio sono diventate l'opzione preferita per i pistoni delle auto esposte a forti cicli termici.

- Intervallo di temperatura: È vero che la maggior parte dei materiali presenta un'espansione non lineare alle alte temperature. L'acciaio inossidabile, ad esempio, ha un CTE di 16,0 × 10^{-6}/°C a temperatura ambiente fino a circa 18,5 × 10^{-6}/°C vicino a 700 °C.

- Microstruttura: La dimensione dei grani, la porosità e la distribuzione delle fasi sono tutti fattori da considerare. Le ceramiche di zirconia a grana fine, ad esempio, hanno un'espansione termica inferiore rispetto a quelle a grana grossa, a causa della limitata libertà di vibrazione del reticolo.

- Storia termica: Il riscaldamento e il raffreddamento ciclici modificano la struttura di un materiale, modificando in minima parte il suo comportamento di espansione, importante per i materiali che operano in condizioni cicliche come i motori degli aerei o le fornaci.

Coefficienti di espansione termica dei materiali più comuni

Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

Che cos'è il coefficiente di espansione termica (CTE)?

Il CTE definisce la velocità con cui un materiale si espande o si restringe quando viene riscaldato o raffreddato, generalmente in micrometri per metro per grado Celsius (µm/m-°C).

Che cosa rende l'ASTM E228 prezioso per la selezione dei materiali?

Fornisce valori uniformi e riproducibili che gli ingegneri utilizzano per offrire prestazioni affidabili in condizioni di temperatura fluttuante.

L'ASTM E228 può essere utilizzato con i polimeri?

No. L'ASTM E228 è adatto a metalli e ceramiche. I polimeri richiedono standard speciali, come l'ASTM E831.

In che modo l'espansione termica influisce sulle apparecchiature elettroniche?

Le differenze di CTE tra le parti possono creare tensioni interne, che porteranno al cedimento del giunto di saldatura, a cricche o delaminazioni.

L'ASTM E228 è adatto per l'uso ad alte temperature?

Sì. Il test misura con precisione il CTE in ampi intervalli di temperatura ed è quindi adatto alle tecnologie aerospaziali, automobilistiche ed energetiche.