Proprietà meccaniche dei metalli

21/06/2020 0 Di Silvano Orsini

Dai cedimenti inspiegabili e catastrofici nel settore navale alle prove di laboratorio dei materiali

Durante la seconda guerra mondiale, molti cantieri navali americani iniziarono un programma di emergenza per costruire navi da carico a larga scala, in parte destinate all’Inghilterra, per compensare la perdita di unità commerciali affondate dagli U-Boot tedeschi.

Al programma serviva tutta la forza lavoro possibile, così iniziò l’impiego delle donne, abili saldatrici e rivettatrici, per le operazioni di routine durante l’assemblaggio delle lamiere. Il lavoro delle donne era necessario poiché gli uomini lasciavano il paese per combattere, facendo di “Rosie the Riveter” e “Wendy the Welder” dei simboli non solo del patriottismo americano, ma dello spirito femminile pionieristico e del duro lavoro.

Il progetto “The Liberty Ships” era semplice ed economico, in tre anni furono costruite 2700 unità, nel periodo di massima produzione circa cinque al giorno, ma nel primo anno di costruzione 810 navi subirono drammatiche rotture e 362 affondarono in modo catastrofico.

Alle 23:00 del 16 gennaio 1943, pochi giorni dopo aver completato le prove in mare, la nave cisterna “Schenectady T2” lunga 152 m si ruppe a metà, mentre giaceva nel molo attrezzato nel cantiere dei costruttori a Portland, Oregon, USA.
La temperatura dell’acqua del porto era di circa 4° C e le condizioni erano buone. La temperatura dell’aria era di circa -3° C con brezza leggera.
La rottura fu improvvisa, accompagnata da un boato udito fino a un miglio di distanza. La frattura si estendeva attraverso il ponte, i lati dello scafo, le paratie longitudinali e le travi inferiori.
La nave si inarcò, incernierandosi sulla lamiera inferiore dello scafo che era rimasta intatta. La parte centrale della nave si sollevò dall’acqua, quindi non avvennero allagamenti dello scafo attraverso la frattura.

Vista la gravità delle perdite provocate dall’inspiegabile fenomeno, alcuni tecnici furono chiamati a studiare il caso per scoprirne le cause.

Constance Tipper, ingegnere e cristallografa britannica, fu uno dei primi studiosi a indirizzare la ricerca verso le proprietà intrinseche della materia, al comportamento dell’acciaio durante il passaggio rapido tra diverse temperature.

Anche lo scienziato americano George Rankin Irwin del US Naval Research Laboratory (NRL), famoso esperto delle proprietà meccaniche dei metalli, aveva osservato che una lamiera di acciaio duttile poteva comportarsi in modo fragile in particolari circostanze.

Dai loro studi emersero diverse concause responsabili della rottura improvvisa delle navi.

La presenza di saldature continue al posto di bulloni o rivetti generava un percorso di stress interno alle lamiere, ideale per le crepe verificatesi, ma la causa principale era la qualità dell’acciaio non idonea a quell’impiego, con un veloce passaggio dallo stato duttile a quello fragile vicino alla temperatura di 0°.

Caratterizzazione meccanica e prove di laboratorio dei materiali

Attraverso le prove di laboratorio di tipo semplice è possibile valutare preventivamente le proprietà meccaniche dei materiali da utilizzare per le costruzioni industriali:

trazione (la più importante)
durezza (indice di fragilità)
resilienza

Le proprietà meccaniche dei metalli rappresentano la resistenza di un materiale alle sollecitazioni esterne. Con la maggioranza delle prove si verificano le proprietà intrinseche dei metalli, indipendenti dalla forma e dalla dimensione:

meccaniche
tecnologiche (piegatura, imbutitura, …)

In base al tempo, si possono distinguere ulteriormente:

statiche (trazione, compressione, torsione, flessione)
dinamiche (resilienza)
periodiche
scorrimento viscoso (prove a “creep” per le turbine degli aerei)

Proprietà meccaniche

Prova di Trazione

La prova di trazione è statica (movimenti molto lenti) e serve a determinare la forza necessaria (carico) per portare il materiale allo snervamento e alla rottura. È necessaria una conoscenza preliminare del materiale sotto forma di provetta campione (la composizione chimica del metallo, lega).

I comportamenti si caratterizzano nelle situazioni tipiche dei metalli sottoposti a una forza:

Campo elastico (la capacità di ritornare alla forma e alle dimensioni originali del materiale, dopo essere stato sottoposto a una forza)
Campo plastico (la capacità di mantenere una forma voluta, dopo essere stato sottoposto ad una forza)

Sigma è il rapporto tra una forza (pressione) applicata su di una superficie (spazio) in senso ortogonale, un carico mono-assiale crescente in modo molto lento e costante (1 mm al minuto).

In controllo di spostamento s’imposta la velocità costante e la forza è una conseguenza:

Descrive l’allungamento della provetta, confrontando la lunghezza finale rispetto a quella iniziale indicandone un rapporto (numero puro o percentuale adimensionale).

Curva della prova di trazione

F p (OA) campo elastico, dove la deformazione è reversibile, c’è un rapporto di proporzionalità diretta (lineare) tra la forza e l’allungamento. In questo tratto vale la legge di Hooke della molla elastica, che determina la variazione della lunghezza della molla:

Questo fenomeno viene anche chiamato modulo di elasticità longitudinale o modulo di Young:

Dove la costante E [GPa] indica la rigidezza del materiale.

Per l’acciaio E = 210.000 MPa = 210 GPa

L’angolo formato dalla retta e l’asse della deformazione (orizzontale) è pure indice della rigidezza; un angolo elevato rappresenta un materiale molto rigido (alta elastanza).

Oltre F p (OA) inizia il campo elasto-plastico.

F e limite del campo elastico, dove la deformazione è ancora reversibile (parte della struttura tende a tornare nella posizione originale), ma la curva comincia a perdere la proporzionalità diretta tra la forza e l’allungamento.

Oltre a questo punto il materiale comincia ad entrare in campo plastico.

F s carico di snervamento, dove accade una singolarità, quando improvvisamente la forza applicata diminuisce repentinamente, il materiale subisce una deformazione plastica drastica.

F σ s 0,2 carico di snervamento convenzionale, per i materiali molto duttili è probabile che non avvenga mai la singolarità sopra descritta. Si definisce un punto sull’asse della deformazione pari allo 0,2 % e si traccia una retta parallela all’andamento del campo elastico; dove questa retta incontra la curva questo punto viene assunto come la forza di carico di snervamento convenzionale.

F r carico di rottura, è il punto in cui la provetta si spezza e la forza si azzera completamente terminando la prova. Per i materiali molto duttili con carico di snervamento convenzionale questo valore corrisponde al punto più alto della curva (forza massima).

Per l’acciaio σ s = 250 MPa e σ r = 370 MPa

ELASTICITÀ

L’elasticità è l’energia immagazzinata da un materiale nel campo elastico. Sul grafico tipico della prova di trazione è l’area compresa tra la linea verticale del punto F e, la curva, in direzione del punto zero. Questa energia può essere utilizzata quando viene rilasciata dalla forza (pressione).

TENACITÀ (statica)

La tenacia è l’energia assorbita da un materiale nel campo plastico per resistere alla rottura. Sul grafico tipico della prova di trazione è l’area compresa tra la linea verticale del punto F e, la curva, in direzione del punto di rottura. Questa energia non è recuperabile, poiché utilizzata per la deformazione irreversibile del materiale + la generazione di calore.

Lavoro = forza * spostamento

Proprietà tecnologiche

Materiale DUTTILE

Un materiale è molto duttile, quindi lavorabile tecnologicamente, quando il punto di frattura produce un allungamento molto elevato.

Al termine della prova si uniscono le due parti della provetta e si misura la lunghezza finale:

Più elevata è la percentuale più il materiale è duttile (elevata capacità di deformazione in campo plastico).

Stessa indicazione si ottiene dalla misura della sezione finale in corrispondenza della zona di strizione:

Visibilmente, la frattura della provetta di tipo duttile è allungata nella zona di strizione, con un accoppiamento di tipo coppa-cono.

L’acciaio è duttile quando A% è > 5%

Materiale FRAGILE

Un materiale con elevata durezza è anche molto fragile (contrario di duttile), quindi difficilmente lavorabile tecnologicamente, quando il punto di frattura produce un allungamento molto breve. La rottura avviene vicino al campo elastico.

Visibilmente, la frattura di tipo fragile è netta, senza stiramenti.

Punti di vista tra il progettista e il tecnologo

Progettista: σ s elevato (lo snervamento inizia con forza elevata)

Tecnologo: σ s basso (lo snervamento inizia a con bassa energia) A% elevato (elevata duttilità)

Prova di Durezza

La prova di durezza riguarda la superficie del materiale, serve a misurare la resistenza alla deformazione permanente da parte di un penetratore con carico statico; all’indentazione, alla scalfittura e all’abrasione. Dal punto di vista meccanico, la durezza rappresenta indirettamente la resistenza a trazione. Dal punto di vista tribologico, rappresenta la resistenza a usura. Dal punto di vista tecnologico, rappresenta la resistenza alla lavorazione.

Esistono tre tipi di prova:

Brinell
Vickers
Rockwell

Brinell

Rapporto Forza [N] su Area [mm2] = tiene conto delle proprietà meccaniche e non delle dimensioni del campione.

Penetratore: sfera di metallo duro con vari diametri, in materiale sinterizzato, carburo di tungsteno in matrice di cobalto.

L’indice di durezza HBW si esprime come il rapporto tra il carico applicato (F) e la superficie dell’impronta a calotta calcolata dal diametro dell’impronta (d) rilevata con misurazione, in relazione al diametro della sfera (D) e al tempo di applicazione.

Si sceglie una coppia di F e D in modo che il loro rapporto sia predeterminato:

F/D2 (quadro) = 30, 15, 10, 5, 2.5, 1

Per ottenere una misura corretta, il rapporto d/D deve essere il più possibile costante e compreso tra:

0,24 < d/D < 0,6

Il valore ideale d/D è 0,375 che corrisponde ad un angolo di penetrazione di 136°.

Per l’acciaio F/D2 = 30 (ad esempio 3.000 kg per sfera da 10 mm o 187,5 kg per sfera da 2,5 mm).

HBW 250 kg/mm2

Esempio di indicazione: 250 HBW1/30/20 (sfera D 1 mm / carico F = 30 kg / 20 secondi di applicazione)

Carico di rottura F r calcolato (statistico, indicativo) = HBW 250 kg/mm2 * 3,5 = 875 MPa

Vickers

Rapporto Forza [N] su Area [mm2] = tiene conto delle proprietà meccaniche e non delle dimensioni del campione

Penetratore: piramide a base quadrata con vertice ad angolo di 136°, in diamante sintetico (più duro del penetratore Brinell).

L’indice di durezza HV si esprime come il rapporto tra il carico applicato (F) e la superficie dell’impronta a piramide a base quadrata calcolata dalla media delle due diagonali rilevate con misurazione, in relazione al diametro della sfera (D) e al tempo di applicazione tra 10-15 secondi.

Esistono intervalli di forza previsti dalla normativa:

Normale
Low force
Microdurezza

Una condizione standard di prova prevede F = 30 kg e tempo = 10-15 secondi.

Vantaggi: campo di applicazione illimitato per durezza e dimensioni del campione.

Svantaggi: preparazione della superficie del campione (rugosità, irregolarità eccessive) e volume limitato interessato alla prova.

Esempio di indicazione: 175 HV30/15 (carico F = 30 kg / 15 secondi di applicazione)

Prove di microdurezza:

Vickers con carichi da 10 g (HV0,01) a 200 g (HV0,2)
Vickers con penetratore a piramide con base a rombo allungato (prova Knoop)

Rockwell

Misura della profondità permanente al netto della fase elastica del penetratore = tiene conto delle proprietà meccaniche ed è influenzato dalle dimensioni del campione.

Penetratore: sfera in acciaio con diametro fisso, oppure cono in diamante sintetico con vertice ad angolo di 120° (per i materiali più duri).

L’indice di durezza HRB (ball = sfera) o HRC (cone = cono) esprime la differenza di profondità e in “tacche”, tra il punto del penetratore a precarico iniziale e il punto di recupero della fase elastica (quando il penetratore lascia il contatto col campione).

Precarico iniziale: 10 kg

Carico complessivo: tra 60 e 150 kg

Esempio di indicazione: HRB = 130 – e/0,002 (sfera, carico complessivo 100 kg) per metalli teneri (HRB < 200).

Esempio di indicazione: HRC = 100 – e/0,002 (cono, carico complessivo 150 kg) per metalli duri (HRB > 200).

È il metodo più utilizzato nelle aziende metalmeccaniche.

Prova di Resilienza

La prova di resilienza è dinamica con una sollecitazione impulsiva unica e serve a determinare la resistenza che il materiale oppone alla frattura fragile (rottura improvvisa in campo totalmente elastico, senza deformazioni sensibili) detta anche tenacità dinamica.

Ci sono diversi fattori che contribuiscono alla frattura fragile:

bassa temperatura
concentrazione di forze
alta velocità di deformazione

Charpy

Misura la quantità di energia K [Joule] assorbita dal campione in una prova d’impatto per ottenere una frattura completa con una sollecitazione impulsiva unica, eseguita per mezzo di un maglio a pendolo. Il campione è una barretta di materiale con dimensioni determinate e intaglio sulla superficie opposta rispetto a quella dell’impatto del maglio. La posizione è orizzontale.

Energia di partenza del maglio: Ep1 = massa * acc. di gravità * altezza di partenza.

Energia di arrivo del maglio: Ep2 = massa * acc. di gravità * altezza di arrivo.

Energia assorbita dal campione: K = Ep1 – Ep2 [J]

Oltre alla valutazione quantitativa KV sull’energia necessaria per ottenere la frattura (comunque non utilizzabile in sede di progettazione), è possibile compiere una valutazione qualitativa sull’aspetto del campione dopo la prova.

Le superfici ottenute con la frattura possono evidenziare:

separazione deformata, superfici opache e filamentose, con espansione laterale = frattura duttile
separazione netta, superfici brillanti e cristalline, con poca espansione laterale = frattura fragile

A parità di materiale, è possibile ottenere un comportamento diverso della frattura (da duttile a fragile) abbassando velocemente la temperatura del campione.

Izod

Anche questa prova misura la quantità di energia K [Joule] assorbita dal campione in una prova d’impatto per ottenere una frattura completa da una sollecitazione impulsiva unica, compiuta per mezzo di un maglio a pendolo.

Il campione è una barretta di materiale con dimensioni determinate e intaglio sulla stessa superficie rispetto a quella dell’impatto del maglio. La posizione è verticale.

La prova di resilienza strumentata ha la possibilità di registrare l’assorbimento di energia istante per istante in relazione alla deformazione del campione, fornendo un grafico caratteristico Forza su Deformazione.

Il caso Fort Mercer

Il 18 febbraio 1952, il Fort Mercer, pieno di cherosene e olio combustibile, durante una tempesta si spezzò in due, 48 km a est di Chatham, nel Massachusetts. Il capitano Frederick Paetzel chiese aiuto via radio, riferendo che onde di 68 piedi (21 m) stavano colpendo la nave. Nel momento della rottura, nove ufficiali e membri dell’equipaggio erano nella sezione di prua e 34 membri dell’equipaggio erano nella parte di poppa, con la radio e il motore ancora funzionanti.

Le navi della Guardia costiera degli Stati Uniti Eastwind e Unimak che si trovavano vicino a Nantucket, a circa 120 miglia (190 km) di distanza, si diressero verso le due sezioni di Fort Mercer. Un aereo PBY della Guardia Costiera uscito dalla Stazione di Guardia Costiera di Salem fu inviato a cercare la nave, ma non la trovò. Le navi della Guardia Costiera Yakutat e Acushnet, usando zattere di salvataggio, salvarono gli uomini.

Perirono solo cinque membri dell’equipaggio di 43 uomini di Fort Mercer, tutti intrappolati nella prua che affondava. La poppa, rimasta a galla, fu rimorchiata a Newport, nel Rhode Island, dotata di una prua e ribattezzata San Jacinto. La nuova nave era più lunga di 12 metri e la capacità di carico si espandeva da 26 a 29 carri armati.

La nave si spaccò di nuovo a metà nel 1964 e fu nuovamente ricostruita, ribattezzata questa volta La Pasadena. La Pasadena fu parzialmente recuperata e in gran parte demolita nel 1983.