La resilienza è la capacità di un materiale di resistere a sollecitazioni
impulsive (urti). Può anche definirsi come l'energia per unità di superficie
assorbita da un materiale portato a rottura in maniera fragile.
La rottura della Liberty ship, in servizio durante la seconda guerra
mondiale
Le cause del disastro sono da ricercarsi in un iniziale difetto costruttivo tra
le parti saldate e sottoposte a temperature al di sotto dello zero.
Le rotture possono avvenire per carichi inferiori al limite elastico. Ciò
avviene in condizioni particolari, in corrispondenza delle quali il metallo
mostra un comportamento fragile.
I
fattori
principali
che
contribuiscono alla rottura
fragile nei metalli sono:
• Bassa temperatura.
• Alta velocità di deformazione
tipica degli urti.
La saldatura è un punto di debolezza della struttura: tensioni residue, effetto
d’intaglio. Le strutture saldate non sono state abbandonate; si sono sviluppate
tecniche di saldatura e di progettazione atte a garantirne l’affidabilità.
La prova di resilienza è quindi utilizzata per determinare le caratteristiche di
fragilità e/o duttilità di un materiale e viene eseguita con il pendolo di
Charpy.
La prova Charpy consiste nel rompere con un colpo
di pendolo un provino intagliato. Tale provino viene
colpito
al
centro,
dopo
essere
stato
opportunamente posizionato su due appoggi.
Dal risultato della prova si ottiene l’energia W
assorbita durante il colpo del maglio. La resilienza è
pari all’energia assorbita per unità di superficie
(espressa in J/cm2).
I fattori caratterizzanti questa prova sono :
- la provetta ha forma unificata
- la prova può essere fatta a bassa temperatura
- il carico viene applicato dinamicamente con massa battente sagomata a
coltello
I risultati che si ottengono dalla prova non sono grandezze intrinseche del
materiale, non sono quindi utilizzabili nella progettazione in quanto fortemente
dipendenti dalle modalità prova, dalla grandezza che si misura ecc.
Le dimensioni standard del provino sono
10x10x55 mm con intaglio a V con angolo di
45°profondo 2 mm
La massa battente viene posta ad
un'altezza H da cui cade rompendo
la provetta e risalendo dalla parte
opposta ad un'altezza minore di h.
Se la massa ha un peso P la
differenza L = P(H-h) rappresenta
l'energia assorbita dalla provetta ed
esprime il valore della resilienza.
La prova di Charpy permette di mettere in evidenza in laboratorio la
transizione duttile-fragile nel comportamento dei materiali, nello stesso
intervallo di temperatura spesso riscontrabile nelle strutture in esercizio
All'abbassarsi della temperatura di
prova si può individuare il campo
entro cui un materiale ( acciaio)
passa da una frattura duttile ad
una fragile. In tal modo si può
individuare la minima temperatura
alla quale un acciaio può essere
utilizzato restando duttile. Tale
temperatura
viene
chiamata
Temperatura di transizione.
Curva di transizione duttile-fragile. Ductile
to brittle transition temperature curve
(DBTT curve).
La temperatura (o intervallo) di transizione è il valore al di sotto del quale è
certamente pericoloso utilizzare il materiale.
frattura duttile
Zona di transizione
frattura fragile
Aspetto delle fratture riscontrabili in condizioni di fragilità, duttilità e di transizione
fragile-duttile.
Vi sono diversi fattori che influiscono sulla curva di transizione
duttile-fragile. Fra questi, i principali sono:
1) la struttura cristallina;
2) Il tenore di carbonio;
3) eventuali trattamenti termici
(tempra, rinvenimento, etc..);
4) dimensioni del provino;
5) forma e dimensioni dell’intaglio.
Effetti della struttura cristallina del materiale sulla curva di
transizione.
Gli acciai a basso tenore di carbonio risentono in maniera evidente della
temperatura, mentre i materiali ad alta resistenza o i metalli come il rame o il
nichel sono praticamente indifferenti alla temperatura di esecuzione della
prova
Effetti della percentuale tenore di carbonio e/o di manganese
contenuto nell’acciao utilizzato durante la prova.
L’intervallo di transizione
aumenta con l’aumentare
del tenore di carbonio e/o di
manganese.
Effetti dei trattamenti termici sulla grana del materiale e sulla curva di
transizione.
Le dimensioni della grana
hanno un forte effetto sulla
curva di transizione. In
particolare una diminuzione
delle dimensioni sposta la
curva
verso
sinistra
consentendo temperature
di esercizio più basse.
Alcuni trattamenti termici come il rinvenimento, la bonifica e la ricottura,
raffinano la grana e aumentano la resilienza del materiale.
Effetto dell’orientamento del provino in base alla direzione di
laminazione del materiale.
Un
provino
realizzato
longitudinalmente alla direzione di
laminazione consente a temperature
superiori a 0 °C di assorbire il
massimo di energia.
Per contro, un provino realizzato
trasversalmente alla direzione di
laminazione è in grado di assorbire
una quantità sensibilmente inferiore
di energia.
Si è osservato che l’orientamento del provino in base alla direzione di laminazione
influisce sul comportamento del materiale rendendolo anisotropo.