Test di impatto Charpy di acciai formati a freddo e laminati a caldo in diverse condizioni di temperatura

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Uno dei tipi più insidiosi di guasti che possono verificarsi nelle strutture sono le fratture fragili,che sono principalmente dovute a materiali di scarsa qualità o scarsa selezione dei materiali. Le fratture fragili tendono a verificarsi improvvisamente e senza molta inelasticità materiale; pensa a una frattura ossea, per esempio. Questi guasti si verificano spesso in situazioni in cui vi è poca capacità per il materiale di sviluppare sollecitazioni di taglio a causa di condizioni di carico tridimensionali, dove le concentrazioni di deformazione locali sono elevate e dove un percorso di forza logico e diretto non è stato fornito dal progettista. Esempi di questo tipo di guasto sono stati osservati all'indomani del terremoto di Northridge del 1994 in strutture in acciaio a più piani. In questi edifici, un certo numero di saldature chiave si sono fratturate senza mostrare alcun comportamento duttile. Le fratture tendono a verificarsi in prossimità di connessioni o interfacce tra pezzi di materiali di base, poiché la saldatura tende a introdurre discontinuità locali sia nei materiali che nella geometria, nonché sollecitazioni tridimensionali dovute al raffreddamento.

Quando si specificano materiali per una struttura che vedrà temperature di esercizio molto basse (ad esempio, la pipeline dell'Alaska) molti cicli di carico (un ponte su un'autostrada interstatale), o dove la saldatura è ampiamente utilizzata, è necessario avere un semplice test che caratterizzi la robustezza del materiale o la resistenza alla frattura. Nel campo dell'ingegneria civile quel test è il test Charpy V-notch, che è descritto in questo laboratorio. Il test Charpy V-notch ha lo scopo di fornire una misura molto semplicistica della capacità del materiale di assorbire energia quando sottoposto a un carico d'impatto.

Nelle strutture metalliche, si è interessati a ottenere un comportamento duttile, tale che ci sia un segno o un avvertimento di un imminente fallimento. Ad esempio, in una trave d'acciaio, questo potrebbe venire sotto forma di deformazione eccessiva. Questa prestazione è quantificata attraverso la tenacità del materiale, definita come l'area sotto la curva stress-deformazione, che è la proprietà meccanica più strettamente associata al comportamento duttile o fragile. La tenacità è correlata sia alla forza che alla duttilità. Mentre la tenacità è la capacità del materiale di deformarsi plasticamente prima del guasto, la duttilità è la misura di quanto un materiale può deformarsi plasticamente prima del fallimento. Un materiale che ha un'alta resistenza ma una bassa duttilità non è resistente, così come un materiale con bassa resistenza e alta duttilità non è resistente. Affinché un materiale sia resistente, deve essere in grado di assorbire stress elevati e sforzi elevati (duttilità e resistenza).

Lo stesso materiale, un acciaio dolce, ad esempio, può comportarsi in modo duttile o fragile a seconda della chimica effettiva del materiale, della lavorazione e delle condizioni di carico. Ci sono almeno cinque driver principali per questo possibile cambiamento nelle prestazioni:

1. La struttura molecolare e microstruttura del materiale, con granulometrie più fini con conseguente aumento della resistenza e diminuzione della duttilità, e la presenza di grandi quantità di leghe, come il carbonio, spesso con conseguente diminuzione della duttilità della maggior parte degli acciai.

2. La lavorazione a cui è sottoposto il materiale può comportare una diversa tenacità nelle lastre di acciaio nella direzione di laminazione, perpendicolare ad esso, e nello spessore passante della piastra. Quest'ultima direzione è particolarmente sensibile in quanto è difficile sviluppare una microstruttura coerente su una piastra spessa.

3. Le condizioni di carico (carico in 3 dimensioni), che spesso inibiscono lo sviluppo delle sollecitazioni di taglio. Nel carico a 1 e 2 dimensioni, si incontrano generalmente situazioni di carico che danno luogo a grandi sollecitazioni di taglio, e quindi a un sacco di comportamento cedevole e duttile. Al limite, per un carico idrostatico 3D, non c'è raggio al cerchio di Mohr, e quindi non c'è taglio. In questi casi, il materiale non cederà ma fallirà improvvisamente.

4. L'aumento della velocità di deformazione, che porta a forze più elevate ma ridotta capacità di deformazione.

5. Una diminuzione della temperatura, che può portare a significative diminuzioni di tenacità. Alcuni materiali che potrebbero essere molto duttili a temperatura ambiente potrebbero diventare molto fragili se la temperatura viene significativamente ridotta.

Per determinare se un materiale si comporterà in modo fragile o duttile, in genere si esegue un test di impatto Charpy V-notch. Esistono altri test simili, come il test di impatto Izod, che è il test di tenacità più comunemente usato in Europa. Questi test intendono misurare l'energia che un piccolo volume di materiale può assorbire quando sottoposto a un carico di impatto improvviso. Come notato in precedenza, questa energia può essere considerata direttamente correlata all'area sotto la curva stress-deformazione.

Ogni provino Charpy V-notch da testare per la resistenza agli urti ha dimensioni standardizzate ed è progettato, supportato e caricato in modo che si guasti se sottoposto a un singolo colpo applicato in modo standardizzato. È importante ricordare che la misura di Charpy è correlata al volume e alla geometria del campione, e quindi i risultati sono utili per confrontare il comportamento relativo dei materiali e non per il loro valore assoluto.

Per condurre la prova, un piccolo campione a forma di trave con una tacca su un lato (Fig. 1) è sottoposto a un impatto da un martello di peso fisso caduto da un'altezza fissa (Fig. 2). Il peso è di solito tra 150 libbre e 300 libbre e può essere lasciato cadere per diverse altezze per produrre diverse quantità di energia. La tacca a V è progettata per indurre una concentrazione di stress, aumentando così significativamente lo stress locale. Quando il raggio è semplicemente sostenuto sui due lati e colpito al centro, il raggio sarà piegato in tensione dove si trova la tacca. Di conseguenza, questo creerà una propagazione della fessura attraverso il campione quando colpito.

Figura 1: Esemplare di Charpy.

Figura 2: Macchina di prova Charpy.

Teoricamente, l'energia potenziale immagazzinata ad una data altezza del martello sarà completamente tradotta in energia cinetica poco prima che il martello colpisca il campione di Charpy, supponendo che il pendolo sia privo di attrito. Quando il martello colpisce il campione e si frattura, viene consumata una certa quantità di questa energia cinetica. Si misura quindi quanto il pendolo oscilla di nuovo nella direzione opposta. Dalla differenza tra l'altezza iniziale e l'altezza raggiunta dopo lo sciopero, si può calcolare una differenza di energia potenziale. Tutta l'energia che è stata persa in questo processo può essere assunta per essere assorbita dal campione di prova nella frattura. Questo valore è considerato uguale alla tenacità del materiale o all'area sotto la curva stress-deformazione.

Molti metalli, in particolare gli acciai cubici centrati sul corpo (BCC), mostrano una diminuzione molto forte dell'assorbimento di energia a temperature che iniziano intorno ai 40 o 50°F e raggiungono un plateau inferiore intorno a -100°F. Numerose strutture oggi esposte all'ambiente rientrano in questo intervallo di temperatura, quindi è importante comprendere la dipendenza dalla temperatura del cedimento del metallo. Ad esempio, nella costruzione di un gasdotto nel nord dell'Alaska dove le temperature possono raggiungere valori molto bassi, sarebbe importante capire il cedimento dipendente dalla temperatura del metallo. Tuttavia, la maggior parte degli acciai cubici centrati sulla faccia (FCC), come gli acciai inossidabili, sono impermeabili a questo effetto della temperatura.

La resistenza teorica alla frattura, nota anche come resistenza alla frattura ideale, dipende principalmente dall'energia superficiale libera e dalla distanza interatomica. Un materiale ideale avrà una resistenza di circa 1/8 a 1/10 del suo modulo di elasticità. L'effettiva resistenza sperimentale alla frattura è molto più bassa a causa di difetti, vuoti, inclusioni metalliche e / o impurità. Ad esempio, in una semplice barra di acciaio caricata in tensione, si presume che la sollecitazione sia uniforme, ad eccezione delle estremità in cui viene applicato il carico. Tuttavia, con l'introduzione di un semplice foro circolare, le forze devono fluire attorno al foro, creando così una concentrazione di stress accanto al foro.

L'entità della concentrazione di sollecitazione è proporzionale al raggio del foro alla larghezza del campione (r/w). Man mano che il raggio diminuisce, il fattore di concentrazione dello stress aumenta drasticamente. Tuttavia, non ci sono buchi perfetti nella natura o prodotti fatti dall'uomo; in generale, ci saranno bordi frastagliati a livello microscopico e quindi si verificheranno concentrazioni di stress molto più elevate. Ci sono molte imperfezioni e difetti nei reticoli di cristallo metallico. È vicino a queste piccole concentrazioni di stress che iniziano a formarsi delle crepe e, se caricate molto rapidamente, queste crepe si propagano, si fondono e, infine, causano il cedimento del materiale.

Questo test rientra nell'area della meccanica della frattura, che comporta la caratterizzazione della capacità di un materiale di resistere alla formazione e alla propagazione di crepe. La meccanica della frattura elastica lineare (LEFM) è un approccio energetico, in cui l'energia totale del sistema è uguale al lavoro a causa dei carichi applicati più l'energia di deformazione immagazzinata più l'energia necessaria per creare una nuova superficie di frattura. Nel suo modo lineare, è molto utile per caratterizzare materiali fragili che presentano una plasticità limitata. Ci sono diverse limitazioni al LEFM applicate al test di Charpy, come una falsa ipotesi che nessuna energia venga persa attraverso la plasticità, anche se c'è molta plasticità davanti alla propagazione della fessura.

In questo esperimento testeremo diversi campioni di Charpy a diverse temperature per illustrare l'effetto della temperatura sulla resistenza agli urti dell'acciaio dolce.

1. Per preparare la macchina di prova, assicurarsi innanzitutto che il percorso del martello sia libero da eventuali ostacoli. Una volta che il percorso è libero, sollevare il martello fino a quando non si blocca e fissare la serratura per evitare il rilascio accidentale del martello.
2. Per preparare i campioni, utilizzare la scatola fredda per raffreddare un campione di ciascun metallo a una temperatura ben al di sotto dello zero. Utilizzare una piastra calda per riscaldare un altro campione di ciascun metallo a una temperatura superiore a 200 ° F.
3. Una volta sollevato il martello, inserire il campione nella macchina usando le pinze assicurandosi che sia centrato nel dispositivo con la tacca rivolta lontano dal lato per essere impattata dal martello.
4. Una volta che il campione è pronto, impostare il quadrante sulla macchina esattamente a 300 ft-lbs. Importante: ruotare il quadrante utilizzando la manopola. Non spingere sul puntatore!
5. Per iniziare il test, rimuovere il blocco e rilasciare il pendolo premendo sulla leva.
6. Dopo che il campione è stato rotto, il misuratore del quadrante leggerà l'energia assorbita dal campione. Registrare questo valore.
7. Una volta registrata l'energia assorbita, è possibile utilizzare il freno della macchina per impedire al pendolo di oscillare. Poiché l'uso del freno cambia la lettura del misuratore, assicurarsi di registrare i dati prima di utilizzarlo.
8. Una volta che il pendolo si è fermato, recuperare il campione e determinare la percentuale di area della faccia fratturata che ha consistenza fibrosa.

Dopo aver ripetuto l'esperimento per i campioni di maggio e i valori di temperatura, è possibile tracciare la dipendenza dalla temperatura dell'energia assorbita e vedere chiaramente l'esistenza di un ripiano superiore e inferiore (o porzioni orizzontali piatte). Questi scaffali indicano che ci sono chiari minimi e massimi che possono essere raggiunti per un determinato materiale e lavorazione. L'interesse principale è quello di quantificare attentamente le temperature di transizione per ridurre al minimo il rischio che queste rientrino nelle temperature di esercizio della struttura in fase di progettazione. Materiali simili sottoposti a diversi trattamenti termici e meccanici mostreranno ripiani superiori e inferiori in qualche modo simili, ma anche un netto spostamento della temperatura di transizione. Spostare la zona di transizione a sinistra tenderà ad abbassare il rischio di frattura per una struttura; tuttavia, ciò comporta notevoli costi aggiuntivi in termini di elaborazione.

Va anche notato che il test di Charpy è utile per caratterizzare i materiali fragili, che mostreranno pochissima duttilità. In pratica, i test Charpy vengono utilizzati per tutti i tipi di materiali, compresi i metalli molto duttili. Questo uso è fondamentalmente scorretto perché i processi di deformazione che guidano un guasto fragile sono diversi da quelli in un guasto duttile. Non è stato possibile ricavare un semplice test che possa essere utilizzato in un ambiente di produzione, come quello di Charpy, per materiali semiducili o duttili. Pertanto, è probabile che i test di Charpy rimarranno popolari nel prossimo futuro.

I test di impatto, sotto forma di test Charpy e Izod, sono comunemente usati per misurare la resistenza dei materiali metallici alla frattura fragile. Il test di Charpy utilizza un piccolo campione di trave con una tacca. La trave è caricata da un grande martello attaccato a un pendolo senza attrito. La combinazione della velocità di deformazione di questa sequenza di carico e la presenza della tacca a V che crea una grande concentrazione di stress locale provoca una rapida propagazione della fessura e la scissione del campione.

Il test determina l'energia assorbita dal materiale durante la fratturazione confrontando l'energia potenziale all'inizio e alla fine della prova misurata dalla posizione del martello da impatto. L'entità dell'energia assorbita dipende dal volume del materiale nel campione a fascio piccolo, quindi i risultati sono validi solo in senso comparativo.

La meccanica della frattura è un campo di studi molto importante in tutti i materiali, in quanto ci ricorda che tutti i materiali contengono difetti che la forma e le dimensioni del difetto sono importanti e che è necessario affrontare nella progettazione la questione delle concentrazioni di stress.

Una dimostrazione dell'importanza della dipendenza dalla temperatura fu nella seconda guerra mondiale, quando alcune navi Liberty e petroliere T-2 si divisero letteralmente a metà mentre erano ancora in porto. Per le navi Liberty, questo fallimento aveva a che fare con le concentrazioni di stress indotte durante la saldatura, così come l'infragilimento dello scafo in acciaio a causa di operazioni di saldatura e accompagnato da temperature del mare fredde.

Il test Charpy V-notch fa parte di molti standard ASTM e, come tale, è presente in molti prodotti che utilizziamo ogni giorno. Un'applicazione particolarmente importante è nella progettazione di ponti in cui la maggior parte degli acciai sono specificati per superare una bassa temperatura e un limite Charpy ad alta temperatura(cioè20 ft-lbs a -40°F e 40 ft-lbs a 80 ° F).

L'energia di frattura è una proprietà del materiale molto importante. Se si testa una lastra di vetro impeccabile con energia superficiale γ_s= 17x10^-5 in-lb/in²   e E=10x10⁶ psi, la resistenza teorica alla frattura sarebbe di circa 465.000 psi, data l'equazione di Griffith (σ_f = (2Eγ_s/πa)^0,5). Se si introduce un difetto, anche con una magnitudo piccola come 0,01 pollici, nella lastra di vetro, la resistenza alla frattura viene ridotta di tre ordini di grandezza a soli 465psi, che è molto più simile a quello che vediamo nella vita reale.

Altre applicazioni dipendenti dalla temperatura per le quali un test Charpy v-notch sarebbe importante includono apparecchiature di test per viaggi spaziali, dove la temperatura varia oltre un grande intervallo, così come per le attrezzature per slittino in Antartide e in altre regioni polari, dove le temperature salgono ben al di sotto dello zero.