La norma ASTM E21 è uno dei principali standard internazionali utilizzati per valutare le proprietà meccaniche dei metalli alle alte temperature. Soprattutto per settori ad alta criticità come l’aerospaziale, l’energia e l’automotive, comprendere come i metalli reagiscono a temperature elevate è fondamentale per garantire prestazioni sicure e durature. In questa guida, esploreremo nel dettaglio cosa prevede la norma ASTM E21, soffermandoci sui parametri misurati, sulle procedure di prova e sui requisiti tecnici richiesti.
Cos’è la norma ASTM E21?
La norma ASTM E21 definisce le procedure per le prove di trazione su materiali metallici esposti a temperature elevate. Queste prove sono essenziali per studiare come cambiano le caratteristiche meccaniche dei metalli quando sottoposti a calore, garantendo una progettazione accurata di componenti destinati a operare in ambienti ad alta temperatura.
Perché sono importanti le prove a temperature elevate?
Quando i metalli sono sottoposti a temperature elevate, la loro resistenza e duttilità possono variare significativamente. Materiali che mostrano eccellenti proprietà meccaniche a temperatura ambiente possono diventare più fragili o perdere la loro capacità di carico in condizioni di calore intenso. Ecco perché è essenziale eseguire prove di trazione a caldo: assicurano che i componenti metallici progettati per funzionare a temperature elevate mantengano la loro affidabilità.
Valori caratteristici determinati secondo ASTM E21
Le prove di trazione a caldo secondo ASTM E21 consentono di determinare diversi parametri chiave:
- Resistenza alla trazione: è la massima tensione sopportabile dal materiale prima di rompersi.
- Punto di snervamento: rappresenta il livello di stress a cui il materiale inizia a deformarsi plasticamente.
- Offset del limite elastico: definisce lo stress necessario per produrre una specifica quantità di deformazione permanente, come nel caso dell’offset Rp0,1.
- Deformazione a rottura: misura la deformazione che il materiale subisce fino alla rottura.
- Riduzione dell’area: rappresenta la diminuzione della sezione trasversale del provino dopo la frattura, un indicatore della duttilità residua del materiale.
Requisiti delle macchine di prova secondo ASTM E21
Per ottenere risultati accurati e conformi, la norma ASTM E21 specifica una serie di requisiti per le macchine di prova utilizzate:
- Allineamento del provino: il campione deve essere allineato perfettamente per garantire una distribuzione uniforme del carico.
- Controllo della deformazione: la deformazione massima a flessione deve restare entro il 10% della deformazione assiale.
- Termocoppie: devono essere tarate regolarmente, in genere una volta all’anno, in conformità allo standard ASTM E220. Questi sensori termici devono essere estremamente precisi per garantire una lettura accurata della temperatura.
Prove di trazione a caldo: gestione della temperatura
Nel contesto delle prove di trazione a caldo, la temperatura è un fattore cruciale. Secondo la norma ASTM E21, è fondamentale utilizzare termocoppie di precisione per monitorare e mantenere la temperatura del provino entro margini molto ristretti:
- ±3 °C (±5 °F) per temperature fino a 980 °C (1800 °F).
- ±6 °C (±10 °F) per temperature superiori a 980 °C.
Le prove di trazione a temperatura elevata, secondo ASTM E21, sono riferite a qualsiasi prova eseguita sopra i 38 °C (100 °F), rendendole un complemento alle prove a temperatura ambiente disciplinate dalla norma ASTM E8/E8M.
Misurazione della deformazione secondo ASTM E21
La misurazione della deformazione rappresenta una fase essenziale nelle prove di trazione. Per garantire che i dati siano affidabili, la norma ASTM E21 raccomanda l’uso di un estensimetro conforme ad ASTM E83, che fornisca sensibilità e accuratezza. Per misurare l’offset del limite elastico (ad esempio Rp0,1), è necessario impiegare un estensimetro di classe B-2.
Inoltre, è importante che la curva sforzo-deformazione del materiale rimanga uniforme, senza variare oltre il 10% rispetto al modulo di elasticità nominale.
Tipi di provini secondo ASTM E21
Per le prove di trazione a caldo, ASTM E21 specifica diverse forme standardizzate di provini:
- Provini tondi con estremità filettate
- Provini tondi con estremità spallata
- Provini piatti con perni di bloccaggio
Questi campioni devono essere preparati con alta precisione per assicurare risultati affidabili e riproducibili.
Controllo della velocità di prova
Un altro aspetto tecnico fondamentale è il controllo della velocità di deformazione. Nella fase iniziale della prova, per la determinazione del punto di snervamento e dell’offset del limite elastico, ASTM E21 specifica una velocità di 0,005 ± 0,002 in./in./min o mm/min. Successivamente, la velocità può essere aumentata a 0,05 ± 0,01 in./in./min per ottenere una curva completa di sollecitazione-deformazione.
Misurazione della deformazione a rottura e riduzione della sezione
Le misurazioni della deformazione a rottura e della riduzione della sezione vengono generalmente eseguite a temperatura ambiente, anche se la prova è stata condotta a caldo. La distanza tra le marcature applicate sul provino viene misurata con precisione, solitamente di 0,01 pollici (0,3 mm). La riduzione dell’area è calcolata misurando il diametro minimo del campione fratturato.
Conclusioni e applicazioni industriali
Le prove di trazione a temperature elevate secondo ASTM E21 sono indispensabili per la progettazione di componenti metallici che devono resistere a condizioni di stress termico. I dati raccolti sono fondamentali per settori quali:
- Industria aerospaziale
- Energia
- Automotive
In questi settori, la resistenza e la durabilità dei metalli alle alte temperature sono determinanti per la sicurezza e l’efficienza operativa. I risultati delle prove possono influenzare la scelta dei materiali e delle tecnologie produttive, migliorando la qualità e la durata dei componenti metallici.
FAQ
Che cosa misura la norma ASTM E21?
ASTM E21 misura le proprietà meccaniche dei metalli sottoposti a trazione a temperature elevate, come resistenza alla trazione e punto di snervamento.
Quali temperature sono considerate elevate secondo ASTM E21?
Secondo ASTM E21, tutte le prove eseguite sopra i 38 °C (100 °F) sono considerate a temperatura elevata.
Quali provini sono usati per le prove ASTM E21?
Sono utilizzati campioni metallici tondi o piatti, preparati secondo le specifiche della norma ASTM E8/E8M.
Qual è la velocità di deformazione per le prove ASTM E21?
Durante la determinazione del punto di snervamento e dell’offset del limite elastico, la velocità è di 0,005 ± 0,002 in./in./min.
Come viene misurata la temperatura durante le prove?
La temperatura viene monitorata con termocoppie tarate, rispettando le tolleranze ASTM E220.
Perché la riduzione della sezione è importante nelle prove di trazione?
La riduzione della sezione indica la duttilità residua del materiale, un parametro fondamentale per la valutazione delle sue capacità di resistere a condizioni di stress termico.
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