Prove strutturali di successo per componenti ad alta resistenza

Da molti anni gli estensimetri (ER) hanno dimostrato la loro validità nell'analisi sperimentale delle sollecitazioni, soprattutto per analizzare la vita alla fatica dei componenti critici. Gli effetti dei carichi reali o simulati su assemblaggi o strutture possono essere valutati con eccellenti risultati utilizzando le catene di ER.

Risulta però difficile effettuare misurazioni con gli ER sui nuovi materiali ad alta resistenza, come i compositi a fibre, specialmente con componenti da classificare fino ai loro limiti prestazionali meccanici. Talvolta accade che l'ER, se sottoposto a carico alternato per lunghi periodi di tempo ad alti livelli di sollecitazione, si guasti prima del componente in esame.

Resistenza ai carichi alternati

La resistenza dei componenti meccanici alla fatica viene descritta dalla loro resistenza ai carichi alternati. Quest'ultima si può rappresentare graficamente con il diagramma carico-deformazione dello specifico materiale. Nella prova carico-deformazione, un provino del materiale viene caricato ciclicamente con una sollecitazione di ampiezza costante, solitamente di forma sinusoidale. La prova prosegue fino alla caduta del materiale (p. es. frattura). Ripetendo questa prova con diverse ampiezze ed annotando per ogni prova il numero di cicli a cui avviene la rottura, i punti nel grafico producono la curva carico-deformazione (curva S-N). Il numero di cicli pe la caduta del materiale è riportato in modo logaritmico sull'asse x, quello della corrispondente ampiezza è riportato come deformazione o sollecitazione meccanica sull'asse y.

Il seguente diagramma mostra le curve S-N per diversi materiali. Si nota chiaramente l'elevata resistenza ai carichi alternati dei compositi a fibre.

La curva S-N degli estensimetri

Anche gli estensimetri sono soggetti alla fatica e mostrano pertanto una curva S-N. Essa è influenzata dal materiale (specialmente quello della griglia), dalla forma e dalla stessa installazione. Gli ER con griglia di misura basata su una lega speciale di Nichel-Cromo mostrano una migliore resistenza ai carichi alternati rispetto a quelli tipici con griglia di misura di Costantana.

Per aumentare la resistenza ai carichi alternati, le geometrie arrotondate sono preferibili a quelle a spigoli. Le piazzole di saldatura con scarico della trazione evitano il trasferimento della sollecitazione meccanica al cavo di collegamento, possibile causa di frattura fra la piazzola e la griglia di misura. Gli sviluppatori degli estensimetri hanno fatto tesoro dell'esperienza tratta da numerose e complesse prove di durata per creare la configurazione più appropriata.

Tuttavia, l'installazione resta nelle mani dell'utente. In queste applicazioni è estremamente importante applicare strati di collante molto sottili ed usare con parsimonia il materiale di saldatura. Ciò potenzia la flessibilità delle giunzioni ed evita la necessità di predeterminare i punti di rottura. Comunque, le prove per determinare la curva S-N degli estensimetri non continuano fino alla loro completa caduta: infatti viene definito un criterio di fermata, dato solitamente dalla deriva dello zero superiore a 100 µm/m. Un valore tipico per la resistenza alla fatica di un ER standard con griglia di Costantana è di 10⁷ carichi alternati a ± 1400 µm/m. Ciò è più che sufficiente per i materiali metallici, ma non per i compositi a fibre ad alta resistenza, vedere il Grafico 1.

Incremento della resistenza ai carichi alternati degli estensimetri

Gli estensimetri a foglio della cosiddetta serie M soddisfano i criteri stabiliti. La griglia di misura degli ER della serie M è costituita da una speciale lega di Nichel-Cromo e la geometria è stata progettata per l'ottimale resistenza ai carichi alternati. Le piazzole di saldatura con scarico della trazione sono il risultato di numerose prove seguite da sistematici miglioramenti. In tal modo è ora possibile provare i materiali ad alta resistenza. Il seguente grafico mostra il confronto diretto fra la nuova serie M e gli estensimetri universali ¹ (ad esempio la serie Y della HBM).

Estrema resistenza ai carichi alternati con la tecnologia di misura ottica

Se la resistenza ai carichi alternati deve essere ulteriormente incrementata e la curva S-N si sposta verso l'alto, gli estensimetri metallici non possono più essere utilizzati. L'ovvia alternativa è la tecnologia di misura ottica basata sulle fibre a griglia di Bragg (FBG).

Questa tecnologia si fonda sulla inscrizione di un reticolo di Bragg sulle fibre ottiche. La fibra riflette una specifica lunghezza d'onda nello spettro ottico. Fra l'altro, questa lunghezza d'onda dipende dalla deformazione e ciò rende possibile la produzione di estensimetri ottici.

La fibra ottica ha proprietà meccaniche isotropiche ed essenzialmente non conosce il significato di fatica, così come è tipicamente presente nei materiali metallici. Le fibre ottiche possono essere sollecitate dinamicamente fino alla massima deformazione di circa 30.000 µm/m. Nelle prove alla fatica, con ± 5.000 µm/m si sono già raggiunti 10⁷ cicli di carico senza alcun guasto ².

Le fibre ottiche possono essere incorporate nei materiali e, oltre alle estreme deformazioni cicliche anzi descritte, si possono impiegare dove per principio non è consentito agli estensimetri elettrici. Ad esempio, in presenza di campi magnetici molto alti (trasformatori, commutatori ad alta tensione, ecc.).
Nell'analisi di vita alla fatica, i materiali moderni quali i compositi a fibre richiedono standard elevati riguardo alla resistenza ai carichi alternati. Mediante opportune azioni, la HBM è stata in grado di incrementare la resistenza ai carichi alternati degli estensimetri (ad esempio la serie M), in modo che fosse possibile il loro impiego nella maggior parte delle misurazioni.
La tecnologia di misura ottica risulta lo strumento più appropriato per i carichi alternati estremi.

¹Griglia di misura di Costantana su supporto a foglio di poliammide

² Misurazioni effettuate con gli estensimetri ottici "K-OL" della HBM

L'Autore

Jens Boersch lavora da 14 anni alla HBM come product manager. Nel mondo delle misurazioni e prove della HBM, egli si è occupato di quasi tutti i prodotti, compresi gli estensimetri, i sistemi di amplificatori ed il software per l'acquisizione dati. La sua base operativa è a Darmstadt, Germania.