Fatica termomeccanica - ASTM E2368 e ISO 12111
Per la progettazione e la costruzione di componenti termici che allo stesso tempo sono sottoposti meccanicamente a carico ciclico, ad esempio per turbine a gas o motori a combustione, devono essere disponibili valori caratteristici affidabili per la previsione della vita a fatica e del comportamento ciclico di deformazione nelle condizioni operative esistenti. Per la determinazione della fatica termomeccanica (TMF), le caratteristiche del materiale ricercate vengono determinate attraverso la combinazione in fase o fuori fase di carichi ciclici termici e meccanici.
Le prove TMF sono descritte nei seguenti standard specifici: ASTM E2368, ISO 12111 e Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
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Che cos'è la fatica termomeccanica?
Oltre all'affidabilità nel funzionamento a lungo termine, le centrali elettriche e le turbine aeronautiche devono garantire una resistenza sufficiente alle variazioni di carico a breve termine e ai processi di start-stop. La fatica termomeccanica (TMF) è la simulazione di carichi meccanici come risultato dell'espansione termica del materiale. Durante l'avvio, la temperatura di tutti componenti subisce un innalzamento fino al raggiungimento della temperatura di funzionamento, accompagnato da un'espansione del materiale. Questa espansione crea una tensione nel materiale che deve essere determinata accuratamente per prevenire il danneggiamento dei componenti. Per i componenti in composito, come le pale delle turbine con rivestimenti ceramici a barriera termica, la mancata corrispondenza termica tra i componenti metallici e quelli ceramici porta a un'altra variabile di carico che deve essere considerata durante la progettazione. Inoltre, i rivestimenti di ossido adesivo influenzano la vita a fatica durante il funzionamento.
Norme rilevanti per la determinazione della fatica termomeccanica
I requisiti delle prove TMF sono descritti in modo più dettagliato nelle norme seguenti:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Esecuzione della prova TMF secondo le norme ASTM E2368 e ISO 12111
Quando si determina la fatica termomeccanica secondo le norme ASTM E2368 e ISO 12111, un provino viene riscaldato ciclicamente mentre viene caricato simultaneamente con una deformazione meccanica in fase o fuori fase (antifase). A seconda dei meccanismi di danno da testare, si possono parametrizzare diverse sequenze di temperatura e di deformazione meccanica. Le curve sono spesso triangolari ed è possibile aggiungere periodi di attesa in corrispondenza dei picchi di temperatura. Inoltre, la temperatura e la deformazione possono essere applicate in fase e fuori fase. Questo cambiamento di fase tra carico meccanico e termico ciclico influisce in modo significativo sulla durata a fatica e sulla deformazione plastica del materiale.
I test TMF più comuni (con e senza sfasamento) sono:
- IP (in-phase): il provino subisce contemporaneamente una deformazione termica per riscaldamento e una deformazione meccanica dovuta alla forza di trazione
- OP (fuori fase): il provino subisce contemporaneamente una deformazione termica per riscaldamento e una compressione dovuta alla forza di compressione.
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond).
Le prove TMF sono principalmente controllate in deformazione, poiché il carico che agisce sul componente è causato dall'ostruzione della deformazione termica. Le prove a stress controllato sono talvolta associate a provini non uniformi, ad esempio con intagli, perché in questo caso non è possibile misurare la deformazione alla base dell'intaglio. In entrambi i casi, è possibile misurare e controllare solo la deformazione totale (εt), formata da deformazione termica (εth) e deformazione meccanica (εme): formula εt = εth + εme. Per caricare il provino con la deformazione meccanica desiderata oltre alla deformazione termica, viene misurata in anticipo in modo temporale e presa in considerazione nel controllo della deformazione totale durante la prova effettiva, la deformazione termica con la fase di temperatura definita.
Determinazione del modulo di Young prima di ogni test TMF
Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing raccomanda la determinazione del modulo di Young a temperatura ambiente, temperatura minima, temperatura massima e almeno un ulteriore valore di temperatura media prima di ogni prova TMF. Anche le norme ASTM E2368 e ISO 12111 richiedono la misurazione del modulo di Young alla temperatura minima, media e massima del ciclo termico.
Un successivo confronto del valore del modulo di Young misurato con i dati di un database di riferimento serve a verificare la correttezza dei valori di controllo e della misurazione di forza, deformazione e temperatura. Se i valori misurati rientrano nel limite di tolleranza di max. 5% dell'intervallo di stress previsto alla forza minima e massima, si può essere certi che il procedimento del test è corretto.
Misurazione della deformazione secondo ASTM E2368 e EN 12111
La norma ASTM E2368 richiede l'uso di un estensimetro che soddisfi almeno la classe di accuratezza B-2 secondo la norma ASTM E83. La norma ISO 12111 e il Validated Code-of-Practice prevedono l'uso di un estensimetro che soddisfi la classe di accuratezza 1 o superiore secondo la norma ISO 9513. Per i provini con base di misura inferiore a 15 mm, l'estensimetro deve corrispondere alla classe di accuratezza 0,5 secondo la norma ISO 9513.
Ulteriori requisiti di misurazione delle deformazioni per le prove di fatica termomeccaniche:
- L'estensimetro deve essere adatto alla misurazione dinamica delle deformazioni per un periodo di tempo prolungato, garantendo al contempo una deriva, uno scorrimento e un'isteresi minimi
- L'estensimetro deve essere protetto da oscillazioni o influenze termiche utilizzando un sistema di raffreddamento attivo, ad esempio un refrigeratore d'acqua
- La pressione di contatto dell'estensimetro sul provino deve essere mantenuta il più bassa possibile, senza danneggiare la superficie del provino
- L'estensimetro deve essere montato in modo tale che, quando il provino si riscalda e si espande, la misurazione della deformazione non venga compromessa e si eviti che i braccetti scivolino dal provino.
Sistema di prova per la determinazione della fatica termomeccanica
Per le prove di fatica termomeccanica, è stato sviluppato da ZwickRoell di Fürstenfeld in stretta collaborazione con il Karlsruhe Institute of Technology (KIT) un nuovo sistema di prova elettromeccanico. Il sistema Kappa 100 SS-CF è stato dotato di un sistema di riscaldamento a induzione per temperature da 50 °C a 1.200 °C e di un sistema di raffreddamento ad aria. Questa macchina elettromeccanica per prove di creep con azionamento a gioco zero dimostra la sua affidabilità per le prove con cicli di carico a bassa frequenza da molti anni. La serie Kappa SS-CF controlla l'assenza di gioco in presenza di carichi ciclici di trazione e compressione, come specificato nelle norme ASTM E2368 e ISO 12111.
La macchina di prova è dotata di afferraggi idraulici raffreddati ad acqua per una presa sicura del provino. Il raffreddamento ad acqua consente una rapida stabilizzazione della temperatura lungo il provino e garantisce la fuoriuscita diretta del calore dall'estremità del provino. L'affidabilità della misurazione della deformazione durante la prova TMF è garantita da un estensimetro a contatto con braccetti in ceramica e raffreddamento ad acqua.
Questo sistema di prova per la determinazione della fatica termomeccanica soddisfa tutti i requisiti delle norme generalmente utilizzate ASTM E2368 e ISO 12111, nonché il Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
I componenti utilizzati per le prove TMF possono essere installati anche in macchine di prova servoidrauliche.
Distribuzione ottimale della temperatura per le prove di TMF
Secondo il Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing, la deviazione della temperatura del valore impostato specificato nella sezione del provino misurato è < 10K o < ±2% della differenza di temperatura. A seconda della forma e del materiale del provino, è possibile utilizzare velocità di riscaldamento e raffreddamento fino a 25K. Per raggiungere le velocità massime di riscaldamento e raffreddamento specificate nelle norme, durante l'esecuzione dei test TMF ci affidiamo a un sistema di riscaldamento a induzione e a getti di raffreddamento appositamente predisposti.
Il sistema di riscaldamento a induzione, con potenza di riscaldamento regolabile individualmente, consente di testare diversi materiali con conducibilità elettrica variabile. Gli induttori legati al provino assicurano una distribuzione ottimale della temperatura sul provino. Le valvole proporzionali di controllo della pressione e i quattro ugelli piatti simmetrici garantiscono un controllo preciso del flusso d'aria. Gli ugelli di raffreddamento sono regolabili e la posizione è riproducibile per i test futuri.
Secondo le norme ASTM E2368 e ISO 12111, la temperatura è controllata tramite termocoppie a nastro direttamente sul provino. Queste sono fissate in modo semplice e affidabile al centro della sezione del provino misurato. Il pretensionamento regolabile della molla assicura una pressione di contatto affidabile.