Che cos’è una prova di frattura?
La prova di resistenza alla frattura è una delle più importanti prove meccaniche volte a comprendere la capacità di un materiale di resistere alla propagazione delle fratture, influenzando così la sua resistenza alla frattura, una pietra miliare della caratterizzazione dei materiali.
Questa guida completa esplora in dettaglio le prove di resistenza alla frattura, illustrandone il significato, le metodologie, gli standard, i vantaggi e le macchine di prova adeguate.
Cosa misura la prova di frattura?
Le prove di resistenza alla frattura rappresentano la valutazione della resistenza di un materiale alla propagazione delle fratture, sottoponendolo a un carico progressivamente crescente fino alla rottura. L’innesco della frattura deriva tipicamente da difetti intrinseci del materiale, come graffi, ammaccature o siti di corrosione, che si propagano in fratture critiche che portano al cedimento strutturale. Questi test, spesso condotti insieme a valutazioni di corrosione, fatica o temperature elevate, forniscono preziose indicazioni sulle prestazioni di un materiale in diverse condizioni ambientali.
Qual è lo scopo delle prove di frattura?
I test di resistenza alla frattura offrono una visione approfondita dell’integrità strutturale e della durata di un materiale, fondamentale in diverse applicazioni industriali. Un materiale che presenta un’elevata resistenza alla frattura indica una maggiore opposizione alla propagazione delle fratture, indicativa di una tolleranza ai danni e di una resistenza alla fatica superiori. Di conseguenza, questi test svolgono un ruolo cruciale nella selezione dei materiali, nell’ottimizzazione della progettazione e nel garantire la sicurezza operativa in una miriade di discipline ingegneristiche.
- Determinare la sicurezza del materiale.
- Determinare la durata di un materiale.
- Risparmio sui costi grazie alla riduzione della manutenzione preventiva.
Come si esegue un test di frattura?
La metodologia delle prove di resistenza alla frattura si basa sull’applicazione di carichi incrementali al materiale fino al verificarsi della rottura. Prima delle prove, è indispensabile una preparazione meticolosa, che prevede la creazione di un intaglio da fatica per facilitare l’innesco della frattura, comunemente ottenuto mediante elettroerosione (Electric Discharge Machining).
Per condurre una prova di resistenza alla frattura, la fase iniziale prevede la preparazione di un campione di prova con una rottura preesistente. Questa spaccatura facilita la propagazione della frattura prevista durante la prova. L’utilizzo di una macchina di prova universale (UTM) è indispensabile per condurre prove di resistenza alla frattura, data la sua versatilità nell’ospitare varie metodologie di prova, comprese quelle di trazione. Inoltre, è fondamentale l’aderenza agli standard di riferimento, come prescritto da organizzazioni internazionali quali ASTM e ISO. Questi standard definiscono i requisiti specifici relativi alla calibrazione delle macchine e all’impostazione dei test, garantendo l’uniformità delle procedure in diversi scenari di test.
Un metodo comunemente utilizzato nelle prove di resistenza alla frattura è il test CTOD (Crack Tip Opening Displacement). Questo metodo consiste nel sottoporre un campione di materiale pre-crepato a una configurazione di prova di flessione a 3 punti. Le fasi procedurali per l’esecuzione di un test CTOD sono le seguenti:
- Preparazione del campione: Lavorazione di un intaglio nel punto centrale del campione di materiale, seguita dall’induzione di una frattura a fatica in corrispondenza dell’intaglio lavorato.
- Procedura di carico: Posizionamento del provino all’interno di una macchina di impostazione della flessione a 3 punti per applicare il carico richiesto.
- Misurazione della deformazione: Fissare estensimetri su entrambi i lati della fessura per misurare meticolosamente le variazioni di deformazione durante il processo di prova.
- Analisi della rottura: Applicazione di un carico progressivo fino al verificarsi del cedimento, documentando meticolosamente i risultati che ne derivano per un’analisi e una valutazione complete.
Norme popolari nelle prove di frattura
- ASTM D5528: per la resistenza interlaminare dei compositi polimerici unidirezionali.
- ASTM D6671: Metodo di prova standard per la tenacità alla frattura interlaminare di compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre unidirezionali.
- ASTM E208: Metodo di prova standard per la conduzione della prova di caduta del peso per determinare la temperatura di transizione di non duttilità degli acciai ferritici.
- ASTM E399: Metodo di prova standard per la tenacità alla frattura lineare-elastica a deformazione piana dei materiali metallici.
- ASTM E561: Metodo di prova standard per la determinazione della curva KR.
- ASTM E604: Metodo di prova standard per le prove di strappo dinamico dei materiali metallici.
- ASTM E740: Standard per le prove di frattura con provini di tensione a cricca superficiale.
- ASTM E1304: Metodo di prova standard per la resistenza alla frattura in piano (Chevron-Notch) dei materiali metallici.
- ASTM E1681: Metodo di prova standard per la determinazione del fattore di intensità delle sollecitazioni di soglia per la cricca assistita dall’ambiente dei materiali metallici.
- ASTM E1820: Metodo di prova standard per la misurazione della resistenza alla frattura.
- ASTM E1921-22a: Metodo di prova standard per la determinazione della temperatura di riferimento, T0, per gli acciai ferritici nell’intervallo di transizione.
- ISO 12135: Materiali metallici-Metodo di prova unificato per la determinazione della tenacità alla frattura quasi statica.
- ISO 17281: Materie plastiche-Determinazione della resistenza alla frattura (GIC e KIC) a velocità di carico moderatamente elevate (1 m/s).
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