Esistono due tipi di coefficienti dei materiali legati alla temperatura: uno è legato alle proprietà meccaniche del materiale, l'altro è associato alla conduzione del calore. Il primo comprende fattori come E, G, v, a, mentre il secondo consiste in C (capacità termica specifica), ρ (densità) e k (conduttività termica). Questi coefficienti [...]
Esistono due tipi di coefficienti dei materiali legati alla temperatura: uno è legato alle proprietà meccaniche del materiale, l'altro è associato alla conduzione del calore. Il primo comprende fattori come E, G, v, a, mentre il secondo consiste in C (capacità termica specifica), ρ (densità) e k (conduttività termica).
Questi coefficienti non sono costanti, ma variano con la temperatura. Tuttavia, quando la temperatura non è elevata, i loro valori medi sono spesso trattati come costanti. In situazioni di temperatura elevata o di variazione significativa, è essenziale considerare le loro variazioni con la temperatura.
Il modulo elastico E e il modulo di taglio G dei metalli diminuiscono con l'aumentare della temperatura, mentre il rapporto di Poisson v varia poco con la temperatura. Le misure di E e G con la temperatura possono essere effettuate staticamente o dinamicamente.
Il metodo statico prevede l'esecuzione di prove in un forno ad alta temperatura utilizzando un carico, mentre il metodo dinamico utilizza tecniche di vibrazione o impulsi ultrasonici.
Il metodo vibrazionale consente di sottoporre il campione di prova a vibrazioni elastiche nel forno ad alta temperatura, con le costanti elastiche determinate misurando la frequenza.
Il metodo a ultrasuoni prevede l'applicazione di onde ultrasoniche al campione in esame; E, G e v vengono determinati misurando la velocità di propagazione delle onde.
Il coefficiente termico di materiali metallici in genere presenta una relazione lineare con la temperatura. Il coefficiente di espansione lineare α tende ad aumentare linearmente all'aumentare della temperatura, mentre la conduttività termica k diminuisce all'aumentare della temperatura e la capacità termica specifica aumenta con la temperatura.
La pendenza della linea o la curvatura della curva che rappresenta la relazione tra il coefficiente termico e la temperatura, misurata mediante prove sperimentali, rivela come il coefficiente termico del materiale specifico cambi con la temperatura.
Ad esempio, la variazione del coefficiente termico dell'acciaio al carbonio in funzione della temperatura è rappresentata nel seguente grafico, ricavato da varie fonti di dati.
Quando la temperatura dei materiali duttili aumenta, essi non cedono immediatamente anche se la sollecitazione a cui sono sottoposti supera il punto di snervamento. Tuttavia, anche se il livello di sollecitazione è basso, se si ripetono notevoli sbalzi di temperatura, i materiali finiscono per cedere per fatica, provocando cricche. Questo fenomeno è noto come fatica termica.
Si consideri un'asta di prova fissata a entrambe le estremità, sottoposta a ripetuti cicli di calore tra la temperatura più alta e quella più bassa, come illustrato nella figura seguente.
Supponiamo che all'inizio dell'esperimento la barra sia fissata alla temperatura più alta, poi raffreddata per generare una tensione di trazione, OAF rappresenta una linea di variazione della tensione. Se riscaldata, la curva sforzo-deformazione si sposta inizialmente parallelamente a OA verso il basso, cedendo a una sollecitazione inferiore alla forza di trazione del ciclo di raffreddamento e raggiungendo infine il punto E.
Se si mantiene la temperatura più alta per un po' di tempo, si verifica un rilassamento delle tensioni con conseguente diminuzione della tensione di compressione, che raggiunge il punto E'. Se il raffreddamento riprende, aumenta lungo E'F', raggiungendo il punto F' alla temperatura più bassa.
Poiché alla temperatura più bassa non si verifica alcun rilassamento della pressione, se inizia il riscaldamento, la curva scende lungo F'E", raggiungendo il punto E" alla temperatura più alta. A causa del rilassamento delle tensioni, la sollecitazione si riduce e si sposta nel punto E"', mentre se riprende il raffreddamento, segue la curva E"'F", raggiungendo il punto F" alla temperatura più bassa.
Se questo ciclo di raffreddamento e riscaldamento viene ripetuto, la curva sforzo-deformazione traccia ogni volta un ciclo di isteresi; la deformazione plastica di recupero associata è la causa della fatica termica. La temperatura massima e minima del ciclo termico, la temperatura media, il tempo di permanenza alla temperatura massima, la velocità di ripetizione e le proprietà elastoplastiche del materiale sono tutti fattori che influenzano la fatica termica.
L'intensità della fatica termica si riferisce alla relazione tra la deformazione plastica di un ciclo εP e il numero di ripetizioni N per raggiungere il fallimento. Secondo la formula empirica di Manson-Coffin:
Qui, εf indica l'allungamento nel punto di rottura del materiale durante una prova di trazione statica alla temperatura media di un ciclo termico.
La descrizione precedente si riferisce solo alla fatica termica unidirezionale di un materiale. Tuttavia, la fatica termica nelle strutture reali è multidirezionale e costituisce un campo di studio specializzato.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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