Messi “alla prova”: il mondo dei test sui materiali per la lavorazione della lamiera

Nasce una nuova rubrica per indagare sul mondo delle prove sui materiali. Partiamo specificando cosa sono, quante ne esistono e come vengono classificate.

Quante volte le dinamiche del lavoro o le vicissitudini della vita ci conducono a una carriera spesa a “fare la marmellata senza sapere cosa sia la frutta”?

Ebbene, è una metafora costante e su tutti i livelli riscontrabile in moltissime aziende più o meno strutturate di tutto il Bel Paese, ma non solo…

Se parlo con un operaio, seppur bravo e appassionato, scoprirò quasi sempre che nel suo lavoro conosce gli effetti ma non le cause e lo sentirò argomentare di quanto una lamiera sia più o meno “acciaiosa“.

Ma talvolta anche confrontandomi con un commerciale o un disegnatore sul significato di quel codice che rappresenta il nome dell’acciaio che si apprestano ad ordinare o utilizzare (ad esempio S235) scoprirei che non ne hanno la benché minima idea!

Figuriamoci del perché di ciò che segue… JR, J0 o chissà cos’altro.

Cerchiamo di fare chiarezza: la consapevolezza ci rende padroni del processo ad ogni livello.

I materiali e le prove

Come potrebbero gli ingegneri progettare un telaio di un’auto, una biella, un ponte, ma anche una semplice scala a pioli senza sapere la resistenza del materiale che verrà da loro scelto?

È necessario prima di tutto che siano stati svolti dei test empirici sui materiali stessi per comprenderne le caratteristiche e, successivamente, decidere attraverso opportuni calcoli la forma e le dimensioni degli oggetti.

Confesso che ho sempre avuto un debole per l’empirismo e la sperimentazione.

Per certi versi è come se tornassi bambino quando schiacciavo le automobiline nella morsa di mio padre per vedere quanto resistevano.

Oppure quando compivo dei veri e propri test di durata sui motorini elettrici dei giocattoli smontati raddoppiando o quadruplicando il voltaggio fino a farli finire in fumo.

Ma anche come quando, a otto anni, per capire la resistenza del cemento sotto i colpi delle mie martellate arrivai ai ferri dell’armatura del pilastro che sorreggeva il terrazzo di cucina…

Inutile dire che non venni esattamente premiato quel giorno!

Tralascio i test sulle lucertole svolti da noi ragazzacci degli anni Ottanta perché politicamente scorretti ma, soprattutto, perché più attinenti al campo medico.

Esiste una letteratura sconfinata sulle prove tecnologiche, alcune delle quali sono così importanti che danno, in una certa misura, il nome stesso al materiale testato.

Iniziamo con il classificarle in due famiglie.

1. Prove distruttive. Sono quelle dove il campione di un determinato materiale è una vera e propria “vittima sacrificale” che viene (appunto) distrutta irrimediabilmente durante la prova.

• Prove non distruttive. Come è facile intuire, sono quelle dove il test può essere effettuato direttamente sul “pezzo buono”, quello “da vendere”.

Si pensi, ad esempio, a una prova di durezza svolta su una grande ruota dentata: comporterebbe solo una piccolissima impronta del tutto irrilevante al fine del suo utilizzo finale.

Classificazione delle prove distruttive

Le prove distruttive si dividono in tre gruppi a seconda della modalità con cui vengono svolte.

Vediamole assieme:

• convenzionali;
• simulate;
• reali.

Le prove convenzionali sono, forse banalmente, quelle prove che servono per disporre di valori (letture e relative unità di misura) utili ad un confronto.

E’ un po’ come se volessimo “leggere” in generale le proprietà di un materiale, ad esempio un acciaio, senza però ancora preoccuparci di quale sarà la sua funzione finale.

Se volessi comprendere i limiti a trazione di una lega di titanio, ad esempio, in questa prima fase mi servirà solo come punto di partenza: non avrò ancora in mente quella pensilina artistica dello stesso materiale che un architetto folle disegnerà per il nuovo lussuosissimo hotel della capitale…

Per le prove simulate invece andiamo più sullo specifico…

I valori che mi sono stati dati dalle prove convenzionali e che possono riguardare la durezza, la resistenza agli impatti, alla trazione, alla fatica o ad altro, mi serviranno come riferimento per progettare un elemento che una volta realizzato dovrà essere testato.

Citando il mio vecchio libro dell’ITIS “Produzione metalmeccanica 1” (Cappelli editore):

«… ad esempio, lo studio della resistenza all’usura della coppia piattello-camma nel comando delle valvole di un motore a scoppio, si effettua in un laboratorio con un’attrezzatura che ripete il funzionamento della coppia reale permettendo inoltre la regolazione dei parametri influenti, quali la velocità di rotazione, la pressione, la natura del lubrificante, le forme delle superfici, il valore della rugosità, la natura dei materiali, la durezza superficiale, ecc.»

Chiaro, no? (soprattutto scorrevole…)

Concludendo: le prove simulate possono essere svolte su provette, su organi reali o… su modellini riprodotti.

Le prove reali invece, molto sinteticamente, sono quelle che permettono di studiare il comportamento di un elemento nelle reali condizioni di impiego.

Un esempio calzante è la prova di durezza che potremmo effettuare sulle molle a balestra di un autocarro.

In breve, potremmo dire che le tre classificazioni sono cronologicamente consecutive una all’altra:

le prove convenzionali servono per capire i limiti fisici dei materiali e per collaudare gli eventuali trattamenti termici, con le prove simulate si studiano le leggi della resistenza per definire quali siano le migliori condizioni per il loro impiego.

Infine, con le prove reali si testano e si perfezionano i risultati definitivi.

Un’ulteriore classificazione

Svolgere una prova, in soldoni, significa applicare un carico ben definito su un campione di un determinato materiale.

Ecco, in base alla variazione del carico nel tempo abbiamo le prove:

• statiche, ossia quelle in cui il carico viene aumentato lentamente nel tempo. In questo modo la rottura si manifesterà in alcuni minuti. Un esempio classico è la prova di trazione;

• dinamiche, ossia quelle in cui il carico viene applicato nel suo massimo valore in un tempo brevissimo, così da assumere l’aspetto di un vero e proprio urto. Un esempio è la prova di resilienza;

• periodiche, ossia quando il carico applicato viene ripetuto periodicamente, a “cicli” innumerevoli. La regola che viene seguita è approssimativamente “sinusoidale” e serve per comprendere la relazione tra la sollecitazione e la durata. Un tipico esempio è la prova “a fatica”. Tale prova è estremamente affascinante (dedicherò un capitolo specifico) ed è importantissima, ad esempio, nel settore dell’automotive. Si, perché un conto è un braccio di una gru, con un carico generalmente in una direzione e piuttosto lento e concentrato, un altro l’assale di un camion sollecitato com’è da milioni di scossoni provenienti da ogni direzione. Dalle prove a fatica si nota come i materiali “invecchino”, proprio come le persone…

• di scorrimento, ossia quando il carico rimane applicato costantemente nel tempo per migliaia di ore. Tendenzialmente sono prove effettuate a temperature elevate, per comprendere come un materiale reagisce divenendo “viscoso”.

Il grafico della figura 1 le mette a confronto in maniera molto chiara.

Le sollecitazioni hanno sempre un “verso”…

Nella figura 2 si nota come ogni sollecitazione, sia essa statica, dinamica, periodica o di scorrimento, è formata da un insieme di forze le cui risultanti saranno forze opposte o una coppia opposta in senso longitudinale o perpendicolare rispetto all’asse del “corpo”, ossia l’oggetto da testare.

Avremo casi come:

• trazione;
• compressione;
• flessione;
• torsione;
• taglio.

Per questo primo capitolo è tutto!

La prossima volta ci occuperemo subito della vera e propria “prova regina”, per lo meno in tecnologia meccanica: la famosa “prova di trazione”.