La prova di trazione ad alta temperatura

Gli organi filettati sono utilizzati in moltissimi ambienti che si trovano a temperature più elevate di quella ambiente. Lavorare ad alte temperature comporta una variazione delle caratteristiche meccaniche, perché all’aumentare della temperatura si ha una riduzione del carico di rottura e del carico di snervamento, oltre che fenomeni di rilassamento sotto carico che conducono ad una perdita della forza di serraggio.
Questo succede perché all’aumentare della temperatura le viti si espandono esercitando pressione sul foro e poi al diminuire della temperatura si contraggono, facendoli allentare all’interno del foro.
Le viti in classe 4.8, 5.8 e 6.8 sono ancora più sensibili all’innalzarsi della temperatura perché in genere sono ricavate da barre trafilate, quindi con caratteristiche meccaniche indotte dall’incrudimento che però svanisce con l’innalzarsi della temperatura.
Il progettista deve necessariamente tenere conto di tutti questi fattori e per fare questo ha bisogno di avere dati. Tre sono i modi per reperirli.
Il primo è quello di consultare i dati presenti in letteratura, ma questa operazione non è così semplice perché difficilmente si trovano dati che coincidono perfettamente con le domande che il progettista si pone.
La seconda via è quella di rivolgersi alle normative internazionali, che spesso danno indicazioni interessanti.
Prendiamo ad esempio la EN ISO 898-1.
Già nello scopo scopriamo che gli organi filettati conformi a questa norma “sono utilizzati in applicazioni da -50°C a +150°C” e che si “consiglia agli utilizzatori di consultare un metallurgista esperto in elementi di collegamento per temperature non rientranti nella gamma -50°C ÷ +150°C e fino ad una temperatura massima di +300°C”.
Quindi la norma ci dice chiaramente che gli organi filettati conformi alla EN ISO 898-1 possono essere impiegati fino a +150°C e, previo consulto con metallurgista esperto, anche fino a +300°C.
E per temperature più elevate?
Anche in questo caso ci viene in soccorso la norma, che ci dice: “le informazioni per la selezione e l’applicazione di acciai per utilizzo a temperature inferiori ed elevate sono fornite ad esempio nella EN 10269, nell’ASTM F2281 e nell’ASTM A320/320M”.
Consultando la EN 10269, che ricordiamo è la norma destinata agli organi filettati destinati ad essere impiegati ad alta temperatura, si scopre innanzitutto che tra gli acciai presenti non ci sono solo acciai al carbonio o basso legati ma anche gli acciai inossidabili. Questo perché gli acciai inossidabili hanno un ottimo comportamento a caldo in particolare all’ossidazione a caldo.
Inoltre nella EN 10269 sono presenti delle tabelle che danno delle importanti indicazioni riguardo ai valori minimi di snervamento fino a 650°C e della variazione delle proprietà fisiche, ovvero peso specifico, modulo elastico, coefficiente di espansione termica, conduttività termica, capacità termica e resistività elettrica.
E per temperature ancora più elevate?
In questo caso si può far riferimento all’ASTM F2281 che riporta valori minimi ottenibili fino a 1800°F (982°C).
La norma prevede l’utilizzo di acciai inossidabili refrattari come il 309 o il 310, oppure acciai inossidabili indurenti per precipitazione come il 17-4 PH, oppure di leghe di nichel come il 660 e il 718.
Infine c’è la terza possibilità: eseguire una prova di trazione alla temperatura di esercizio.
Per poter fare questo è necessario avere macchine adeguatamente attrezzate come quelle prodotte da Cermac, equipaggiate con speciali fornetti o camere climatiche a controllo digitale con cui si possono eseguire prove di trazione fino a 1200°C utilizzando sofisticati estensimetri dotati di bracci ceramici che sopportano tali temperature.