ASTM E399: Valutazione della tenacità di metalli e leghe

Che cos'è la tenacità alla frattura?

Latenacità alla frattura si riferisce alla capacità di un materiale di resistere all'estensione di cricche preesistenti. A differenza della semplice resistenza alla trazione, che determina la forza necessaria per deformare un materiale, la tenacità alla frattura riguarda la risposta del materiale quando questo contiene già un difetto o una cricca.

In pratica, un'elevata tenacità alla frattura consente ai metalli e alle leghe di resistere alle sollecitazioni di esercizio senza subire guasti di natura catastrofica. Questa proprietà ha un'importanza specifica nelle applicazioni strutturali in cui un cedimento avrebbe conseguenze significative, come ad esempio negli aerei, nei ponti o nei recipienti a pressione. Una bassa tenacità alla frattura, invece, rende i materiali inclini alla frattura fragile, che può verificarsi improvvisamente e con poca o nessuna deformazione precedente.

Cos'è l'ASTM E399

Scopo e obiettivi

L'ASTM E399 ha lo scopo di determinare la tenacità alla frattura a deformazione interplanare (K_IC) dei metalli. Le condizioni di deformazione piana si ottengono utilizzando provini spessi in modo tale che all'estremità della cricca esista la condizione di sollecitazione controllata dalla tensione e non quella controllata dalla flessione. Lo standard fornisce risultati riproducibili e comparabili necessari per la progettazione, la selezione dei materiali e il controllo di qualità.

Procedura di prova

Il test ASTM E399 richiede alcune fasi critiche per ottenere riproducibilità e accuratezza:

1. Preparazione dei campioni:

I campioni vengono lavorati nelle dimensioni desiderate e viene creata una pre-cricca da fatica. In questo modo si garantisce la riproducibilità dell'innesco della cricca e la distribuzione uniforme delle sollecitazioni.

2. Caricamento:

Il provino viene sottoposto a carico in un dispositivo di prova meccanico e sottoposto a un carico controllato e crescente. La prova viene generalmente eseguita in condizioni di controllo dello spostamento, in modo da poter rilevare con precisione l'innesco della cricca.

3. Misurazione e calcolo:

Quando la cricca inizia a propagarsi, si registra il carico critico. La tenacità alla frattura a deformazione piana (K_IC) viene calcolata in base al carico applicato e alla geometria del provino, utilizzando le equazioni standard.

Applicazioni nei metalli e nelle leghe

L'ASTM E399 ha applicazioni diffuse nei settori metallici in cui i componenti metallici devono resistere alla propagazione di cricche quando sono sottoposti a sollecitazioni. Tra questi vi sono:

- Aerospaziale: Esecuzione di test sulla tenacità alla frattura di pale di turbine, fusoliere e materiali per carrelli di atterraggio.

- Automotive: Esecuzione di test di tenacità su blocchi motore, telai e componenti di sospensioni.

- Costruzioni e infrastrutture: Evitare che travi, tubi e leghe strutturali in acciaio perdano la loro integrità in determinate condizioni.

- Industrie energetiche e nucleari: Esecuzione di test sui metalli di reattori, recipienti a pressione e condutture per evitare guasti.

Grazie alla fornitura di dati accurati sulla tenacità alla frattura, la norma ASTM E399 consente agli ingegneri di selezionare correttamente la scelta delle leghe, di progettare in modo ottimale e di garantire la sicurezza.

Fattori che influenzano la tenacità

Esistono diversi fattori che influenzano la tenacità alla frattura misurata di metalli e leghe:

- Microstruttura: Le dimensioni della microstruttura, come la dimensione dei grani, la distribuzione delle fasi e le inclusioni, possono avere un enorme potenziale di aumento o riduzione della tenacità. I grani piccoli ed equilateri aumentano la resistenza alla crescita delle cricche.

- Temperatura: Tutti i metalli diventano più fragili a bassa temperatura, abbassando i valori di K_IC. Anche le temperature più elevate ammorbidiscono i materiali, con una diversa resistenza alle cricche.

- Velocità di carico: I carichi applicati più rapidamente possono ridurre la tenacità apparente, poiché i materiali hanno meno tempo per deformarsi plasticamente.

- Geometria del provino: Lo spessore e la lunghezza delle cricche influenzano le condizioni di deformazione piana; le modifiche possono alterare i valori di K_IC misurati.

È importante conoscere queste variabili per l'analisi dei risultati dei test e per l'utilizzo dei dati nella progettazione reale.

Domande frequenti

Per quale scopo viene utilizzata la norma ASTM E399?

L'ASTM E399 misura la tenacità alla frattura in piano dei materiali metallici, ovvero la loro capacità di resistere all'estensione delle cricche.

Perché la tenacità alla frattura è importante nei metalli e nelle leghe?

Determina la resistenza del materiale alle sollecitazioni senza cedimenti improvvisi, garantendo la sicurezza e l'affidabilità per le applicazioni ad alto rischio.

Come vengono condotti i test ASTM E399?

Vengono eseguite prove di pre-fessurazione dei campioni, carico controllato e determinazione del K_IC dal carico critico e dalla geometria del provino.

In quali settori industriali viene utilizzato abitualmente l'ASTM E399?

L'ASTM E399 è ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, automobilistico, edile, energetico e nucleare, dove l'integrità strutturale è una questione di massima priorità.

Quali sono le variabili che possono influenzare i risultati dei test?

La microstruttura, la temperatura, la velocità di carico e la geometria del provino influiscono sui test di tenacità alla frattura.