SteelEquivalents.com

Esplora

MaterialiMateriali in acciaio per normaCategorieCategorie di acciaiRicercaRicerca di acciaiCalcolatoriCalcolatori per l'acciaioServiziTaglio, lavorazione e finitura su misura
Ultime notizie
Conoscenza e sicurezzaWiki dell’acciaioQualità, norme e metallurgia spiegate
Aiuto e supportoContattiMettiti in contatto con il teamFAQRisposte alle domande comuniPagina della chat di supportoFAQ, guide e chat dal vivo in un unico posto
Impostazioni

Aspetto

Accento

Lingua

Benvenuto

Accedi per salvare i preferiti e gestire il tuo account.

Resilienza all’urto dell’acciaio e prova Charpy

Leggere una scheda tecnica

Resilienza all’urto dell’acciaio e prova Charpy

Scopri come la prova Charpy misura la tenacità all’impatto e come temperatura, geometria dell’intaglio, orientamento e norme influenzano i risultati.

Che cosa significa la tenacità all’urto dell’acciaio — e che cosa non significa l’energia Charpy

Tenacità all’urto rispetto a resistenza, duttilità e tenacità alla frattura

La tenacità all’urto è la resistenza di un materiale alla frattura quando viene applicato rapidamente un carico, spesso attraverso un intaglio che concentra le tensioni. Non è la stessa proprietà della resistenza meccanica, della duttilità a trazione o della tenacità alla frattura, sebbene tutte possano influenzare il risultato.

Proprietà meccaniche correlate

Resistenza allo snervamento
La tensione alla quale inizia la deformazione plastica durante una prova di trazione.
Resistenza a trazione
La massima tensione ingegneristica raggiunta durante una prova di trazione.
Duttilità
Deformazione plastica prima della frattura, generalmente espressa attraverso l’allungamento o la riduzione di area.
Tenacità alla frattura
Resistenza di una cricca preesistente alla propagazione in condizioni definite di provino, spessore, carico e validità.

Il carico di snervamento descrive la tensione alla quale inizia la deformazione plastica durante una prova di trazione. La resistenza a trazione è la massima tensione ingegneristica raggiunta in tale prova. Nessuno dei due valori indica come si comporterà un acciaio contenente una cricca acuta durante un evento di carico rapido. Un acciaio ad alta resistenza può presentare una scarsa resistenza alla frattura per clivaggio, soprattutto a bassa temperatura, mentre un acciaio di resistenza inferiore può assorbire una notevole energia d’urto.

La duttilità descrive la deformazione plastica prima della frattura, generalmente attraverso l’allungamento o la riduzione di area in un provino di trazione. La tenacità all’urto comprende un effetto della velocità di deformazione e un effetto dell’intaglio che la normale duttilità a trazione non riproduce. Un provino Charpy intagliato ha poche possibilità di ridistribuire le tensioni attraverso una deformazione uniforme. L’intaglio rende quindi centrali, nella prova, il vincolo locale e l’innesco della cricca.

L’energia assorbita Charpy non è un valore di KIC né una misura completa della tenacità alla frattura. Strong evidence

Tenacità alla frattura Proprietà di resistenza alla propagazione di una cricca, misurata con geometria del provino, carico, spessore, cricca e condizioni di validità definiti.

La tenacità alla frattura è una proprietà di natura diversa. Valori quali KIC, JIC o lo spostamento di apertura all’apice della cricca (CTOD) descrivono la resistenza di una cricca preesistente alla propagazione, in condizioni definite di provino, spessore, carico e validità del risultato. KIC, per esempio, è un valore di tenacità alla frattura in deformazione piana ottenuto in condizioni intese a limitare gli effetti delle dimensioni del provino e della plasticità. Un intaglio a V Charpy è sufficientemente acuto da favorire l’innesco della frattura, ma non è un provino per la tenacità alla frattura con cricca preliminare ottenuta per fatica, e la sua energia assorbita non è un valore di KIC.

Anche il comportamento di arresto della cricca deve essere considerato separatamente. Un materiale può opporsi all’innesco di una cricca, ma offrire una resistenza diversa a una cricca in propagazione. Per gli acciai da tubazione, la prova di strappo a peso cadente esamina il comportamento di arresto della cricca misurando, sulle superfici di frattura, le frazioni di frattura duttile per taglio e di frattura per clivaggio in un intervallo di temperature d’impatto. Tale metodo non è intercambiabile con la prova Charpy.

Perché l’energia assorbita è un indicatore indiretto del materiale

In una prova Charpy convenzionale, un pendolo colpisce un provino intagliato semplicemente appoggiato. La differenza tra l’energia iniziale e quella finale del pendolo indica il lavoro assorbito dal provino e, in pratica, anche da alcune perdite associate, tenute in conto dalla procedura di prova. Il risultato viene espresso come energia d’urto assorbita, generalmente in joule. Nel 2024 NIST ha descritto la prova Charpy come una prova ad alta velocità di applicazione del carico che misura l’energia assorbita durante la frattura e fornisce una misura indiretta della tenacità all’urto.

[1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

“Indiretta” è la parola importante. L’energia misurata combina diversi fenomeni: la deformazione plastica vicino all’intaglio, l’innesco della cricca, la propagazione stabile o instabile della cricca, gli effetti dell’attrito e della macchina e il processo finale di frattura. Non è una singola costante del materiale trasferibile invariata a ogni geometria del componente o velocità di applicazione del carico. ASTM E23 tratta le prove d’urto Charpy su trave semplicemente appoggiata e Izod su trave a mensola, comprese le prescrizioni relative ai provini, le procedure, la verifica della macchina, la rendicontazione e la determinazione dell’aspetto della frattura per taglio. ISO 148-1:2016 specifica le prove d’urto con pendolo Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici. Il tipo di intaglio è importante; i risultati con intaglio a V e a U non devono essere considerati equivalenti senza una base specificata.

L’aspetto della frattura fornisce informazioni che il solo valore dell’energia non può offrire. La lacerazione duttile richiede generalmente una notevole deformazione plastica e assorbe più energia. La frattura dominata dal clivaggio ne assorbe solitamente meno. La percentuale di frattura per taglio, l’espansione laterale e la posizione del risultato sulla curva di transizione duttile-fragile possono quindi modificare l’interpretazione ingegneristica della stessa energia nominale.

Le prove strumentate possono aggiungere informazioni sulla risposta forza-tempo o forza-spostamento. ISO 14556:2023 specifica le prove Charpy strumentate con intaglio a V e le apparecchiature utilizzate per misurare e registrare ulteriori caratteristiche del comportamento alla frattura; ISO 148-1:2016 non comprende tale metodo strumentato. Anche lo stato della macchina è importante. ASTM E23 e ISO 148-2 forniscono requisiti di verifica, mentre il Charpy Machine Verification Program di NIST utilizza provini certificati per i controlli periodici della macchina.

Il pericolo di trattare un singolo valore Charpy come una proprietà universale

Un’affermazione come “questo acciaio ha una tenacità Charpy di 80 J” è incompleta. Potrebbe non indicare la temperatura. Potrebbero mancare anche la geometria dell’intaglio, l’orientamento del provino, lo spessore della lamiera, lo stato del trattamento termico, la posizione di campionamento, la direzione della prova, il numero di provini, la norma di riferimento e l’aspetto della frattura. Ogni omissione può modificare il significato del risultato.

Gli acciai ferritici mostrano comunemente una transizione duttile-fragile al diminuire della temperatura. Un risultato a temperatura ambiente può quindi fornire poche garanzie sul comportamento a una temperatura di esercizio più bassa. Anche all’interno della regione di transizione, piccole variazioni di temperatura possono produrre grandi cambiamenti nell’energia e nel meccanismo di frattura. L’energia del plateau superiore, l’energia nella regione di transizione e il comportamento del plateau inferiore derivano da meccanismi di frattura diversi; quando i dati Charpy vengono utilizzati per stimare un valore inferiore di tenacità alla frattura, sono quindi necessarie correlazioni separate. Tali correlazioni possono supportare lo screening ingegneristico per condizioni definite di acciai ferritici; non trasformano l’energia assorbita in tenacità alla frattura in deformazione piana.

Un risultato Charpy non può essere interpretato indipendentemente dal piano di campionamento e dall’orientamento del provino. Strong evidence

[2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

L’orientamento del provino è un’altra variabile decisiva. Un provino Charpy longitudinale campiona l’acciaio in modo diverso rispetto a un provino trasversale o in direzione dello spessore, poiché la direzione di laminazione, le inclusioni, la struttura a bande e la struttura dei grani influenzano la propagazione della cricca. ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy longitudinali con intaglio a V degli acciai strutturali e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle delle prove sul pezzo. Il campionamento è quindi parte integrante del risultato, non un dettaglio amministrativo aggiunto dopo la prova.

La valutazione di NIST del 2011 sui provini Charpy con scanalature laterali ha rilevato che tali scanalature riducono la deformazione plastica accumulata alle energie del plateau superiore e favoriscono lo splitting, la cui severità è massima in prossimità della temperatura di transizione duttile-fragile. Questo risultato illustra perché la geometria del provino possa modificare sia l’energia misurata sia la superficie di frattura.

Un risultato Charpy è utile quando viene riportato come un’osservazione di prova definita: lo stato del materiale, la norma, l’intaglio, l’orientamento, la temperatura, il piano di campionamento, l’energia e l’aspetto della frattura devono essere considerati insieme. Senza questo contesto, un singolo numero non è una proprietà universale dell’acciaio e non può, da solo, stabilire la sicurezza del componente rispetto alla frattura in esercizio.

Prova al pendolo di Charpy: provino, intaglio ed evento di frattura

Provini Charpy standard con intaglio a V e a U

La prova di Charpy utilizza una piccola barra rettangolare con un intaglio lavorato su una faccia. Il provino viene disposto orizzontalmente su due appoggi e quindi colpito da un pendolo sulla faccia opposta all’intaglio. Questa configurazione obbliga la cricca a innescarsi in una posizione controllata e a propagarsi attraverso il legamento residuo. Il risultato non è semplicemente una proprietà “dell’acciaio”, ma la risposta di uno specifico provino, con determinati intaglio, orientamento, temperatura e condizioni del materiale.

La norma ISO 148-1:2016 specifica le prove d’urto al pendolo di Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici. Le designazioni “intaglio a V” e “intaglio a U” descrivono il profilo dell’intaglio, non due risultati di prova intercambiabili. Un intaglio a V presenta lati inclinati che si incontrano in un raccordo di fondo con raggio controllato, generando una concentrazione delle tensioni relativamente acuta. Un intaglio a U ha un fondo arrotondato e quindi un campo di tensione locale differente. La profondità dell’intaglio, l’angolo incluso, il raggio di fondo, le dimensioni del provino e la finitura superficiale sono prescritti dalla norma applicabile. Piccole deviazioni possono modificare l’innesco della cricca e la deformazione plastica prima della frattura.

Dimensioni nominali comunemente associate a un provino Charpy a grandezza intera; la norma applicabile disciplina le dimensioni consentite e le alternative a dimensione ridotta.A bar chart. Series: Dimensione nominale (mm).014.929.744.659.4LarghezzaAltezzaLunghezzaDimensione del provino Charpy a grandezza interaMillimetri
Dimensione nominale (mm)
Dimensioni nominali comunemente associate a un provino Charpy a grandezza intera; la norma applicabile disciplina le dimensioni consentite e le alternative a dimensione ridotta.

Il provino Charpy di dimensioni intere comunemente utilizzato misura nominalmente 10 mm × 10 mm × 55 mm, sebbene la norma applicabile e la specifica del prodotto stabiliscano le dimensioni ammesse e le alternative a dimensioni ridotte. Per un provino con intaglio a V, l’intaglio ha normalmente una profondità di 2 mm, un angolo incluso di 45 gradi e un raggio di fondo specificato. Questi valori descrivono una geometria standardizzata, non una ricetta generale per qualsiasi provino da urto. Anche le dimensioni dell’intaglio a U devono conformarsi alla norma selezionata e non devono essere dedotte dalla pratica relativa all’intaglio a V.

Charpy e Izod sono configurazioni distinte di prova d’impatto disciplinate dalla norma ASTM E23.
MetodoSupporto del provinoRisultato principale o campo di applicazione
CharpyTrave semplicemente appoggiataEnergia d’impatto del pendolo e, ove richiesto, aspetto della frattura a taglio
IzodTrave a mensolaProva d’impatto con pendolo secondo i requisiti ASTM E23 applicabili

La norma ASTM E23 riguarda sia le prove d’urto Charpy su trave semplicemente appoggiata sia le prove d’urto Izod su trave a mensola. Questa distinzione è importante. Un provino Izod è fissato come una mensola e colpito al di sopra dell’appoggio, mentre un provino Charpy è sostenuto a entrambe le estremità. Un valore ottenuto con un metodo non può essere presentato come risultato dell’altro. La norma ASTM E23 tratta inoltre i requisiti dei provini, le procedure, la verifica della macchina, la reportistica e la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio.

L’intaglio è generalmente orientato in modo tale che il battente carichi la faccia non intagliata e che l’intaglio si trovi sul lato teso della sezione sottoposta a flessione. L’innesco della cricca avviene quindi alla radice dell’intaglio mentre il legamento si flette. Deve essere riportato anche l’orientamento del provino. In una lamiera laminata, per esempio, un provino Charpy con intaglio a V longitudinale campiona una combinazione diversa di direzione di laminazione, inclusioni, bandeggio e struttura dei grani rispetto a un provino trasversale o orientato attraverso lo spessore. La norma ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy con intaglio a V longitudinale sull’acciaio strutturale e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle delle prove sui singoli pezzi. Il campionamento è quindi parte integrante del significato del risultato riportato.

Resilienza all’urto dell’acciaio e prova Charpy
The pendulum’s energy loss is related to the work absorbed during fracture, with machine losses accounted for by the test procedure.

Urto al pendolo e calcolo dell’energia assorbita

Sequenza dell’impatto con pendolo

  1. Sollevamento Il pendolo viene sollevato a un’altezza definita e gli viene conferita un’energia potenziale nota.
  2. Rilascio Il pendolo oscilla verso il basso a una velocità controllata.
  3. Impatto Il percussore colpisce il provino sulla faccia opposta all’intaglio.
  4. Frattura Il provino si rompe o si piega attraverso il legamento residuo.
  5. Misurazione La differenza tra l’energia iniziale e quella finale del pendolo viene utilizzata per riportare l’energia assorbita.

Prima del rilascio, il pendolo viene sollevato a un’altezza definita e gli viene conferita una determinata energia potenziale. Esso oscilla verso il basso, colpisce il provino a una velocità controllata, frattura o piega la barra e risale sul lato opposto fino a un’altezza inferiore. In forma semplificata, l’energia assorbita è

E=mg⁢(h1−h2),

dove m è la massa efficace del pendolo, g è l’accelerazione di gravità e h1 e h2 sono rispettivamente l’altezza iniziale e quella finale del pendolo. Le macchine reali tengono conto delle perdite meccaniche, dell’attrito, della resistenza aerodinamica, della geometria del battente e della taratura della macchina. Il valore visualizzato viene convenzionalmente riportato in joule.[3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

NIST descrive la prova di Charpy come una prova ad alta velocità di applicazione del carico, che misura l’energia assorbita durante la frattura e fornisce una misura indiretta della tenacità all’urto. Le macchine vengono controllate periodicamente mediante procedure quali il NIST Charpy Machine Verification Program, utilizzando provini certificati conformi alle norme ASTM E23 e ISO 148-2. La verifica stabilisce che la macchina produca risultati accettabili; non elimina la variabilità dovuta alla composizione chimica dell’acciaio, al trattamento termico, alla preparazione del provino o al campionamento.

L’energia comprende più della sola energia necessaria a creare una nuova superficie di frattura. Include anche la flessione elastica e plastica, l’innesco della cricca, la lacerazione stabile, gli effetti dell’attrito e altre deformazioni che si verificano durante l’evento. Un valore elevato è spesso associato a una lacerazione duttile, mentre un valore basso è comunemente associato a una frattura dominata dalla clivatura; tuttavia, la sola energia non identifica l’intero processo di frattura. La superficie fratturata deve essere esaminata e, ove richiesto, deve essere registrato l’aspetto della frattura a taglio.

La temperatura può modificare drasticamente il risultato. Gli acciai ferritici, come molte qualità di acciaio al carbonio e di acciaio strutturale basso-legato, possono mostrare una transizione duttile-fragile con la diminuzione della temperatura. Un singolo valore a temperatura ambiente non può rappresentare il comportamento alla temperatura di progetto invernale, in una zona termicamente alterata dalla saldatura o durante un rapido evento di propagazione della cricca in esercizio. L’energia Charpy può supportare correlazioni specificate per la stima della tenacità a frattura al limite inferiore negli acciai ferritici, ma si applicano relazioni distinte al comportamento del plateau inferiore, della regione di transizione e del plateau superiore. Essa non è un valore di tenacità a frattura in deformazione piana e non stabilisce direttamente la capacità di arresto della cricca. La prova di lacerazione a caduta di peso è un metodo distinto per valutare il comportamento di arresto delle cricche negli acciai per tubazioni; essa misura le frazioni di frattura per taglio duttile e di clivatura alle diverse temperature d’urto.

Geometria della trave semplicemente appoggiata, condizioni degli appoggi e orientamento dell’intaglio

Durante l’urto, il provino Charpy si comporta approssimativamente come una trave semplicemente appoggiata. Le sue estremità poggiano su incudini a una luce prescritta, mentre il battente applica un carico concentrato vicino al punto medio. Gli appoggi, la luce, il raggio del battente, il gioco, l’allineamento e la velocità d’urto influenzano la tensione di flessione e il grado di vincolo intorno all’intaglio. Un provino posizionato in modo non corretto, disallineato, danneggiato o colpito in una posizione diversa da quella prescritta può produrre un valore fuorviante anche quando le sue dimensioni sembrano corrette.

L’orientamento dell’intaglio determina quale direzione del materiale viene disposta trasversalmente rispetto al percorso della cricca. La tessitura di laminazione, le inclusioni allungate, la struttura di solidificazione della saldatura, la segregazione e la deformazione pregressa possono far variare sostanzialmente i risultati longitudinali, trasversali e attraverso lo spessore. Anche i segni di lavorazione, un raggio di fondo eccessivo, le bave, la corrosione e il calore generato durante la preparazione possono modificare l’innesco della cricca. La comparabilità richiede la stessa norma, lo stesso tipo di intaglio, le stesse dimensioni, lo stesso orientamento, la stessa temperatura, la stessa configurazione degli appoggi e la stessa storia di preparazione.

Le gole laterali mostrano come la geometria possa modificare ulteriormente il comportamento a frattura. Nel 2011 NIST ha riferito che le gole laterali riducono l’accumulo di deformazione plastica alle energie del plateau superiore e favoriscono lo splitting; la gravità dello splitting è massima in prossimità della temperatura di transizione duttile-fragile. Tali provini possono essere utili per un’indagine definita, ma i loro risultati non devono essere combinati con i normali valori Charpy senza indicare il metodo utilizzato.[4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

La norma ISO 14556:2023 specifica le prove d’urto al pendolo di Charpy strumentate con intaglio a V, che registrano la forza e lo spostamento, o segnali correlati, per fornire informazioni aggiuntive sul comportamento a frattura. La norma ISO 148-1:2016 non sostituisce tale metodo strumentato alla prova convenzionale dell’energia. Il risultato convenzionale della prova Charpy è la risposta standardizzata a un singolo evento d’urto controllato, non una simulazione diretta di ogni cricca in esercizio, storia di carico, condizione di vincolo o problema di arresto della cricca.

ASTM E23, ISO 148-1:2016 e ISO 14556:2023

I risultati Charpy sono misurazioni standardizzate, ma non sono automaticamente intercambiabili tra norme diverse. Un valore riportato dipende dal provino, dall’intaglio, dall’orientamento, dalla temperatura di prova, dalla macchina a pendolo, dallo stato di verifica, dalle condizioni del materiale e dalle regole di rendicontazione. Esso descrive inoltre l’energia d’urto assorbita, non la tenacità alla frattura in deformazione piana, la resistenza all’arresto della cricca o ogni altro aspetto del comportamento a frattura.

NIST descrive la prova Charpy come una prova ad alta velocità di applicazione del carico che misura l’energia assorbita durante la frattura e fornisce una misura indiretta della tenacità all’urto (NIST, 2024). Questa distinzione è importante per gli acciai ferritici, che comunemente subiscono una transizione da comportamento duttile a fragile con la diminuzione della temperatura. Un risultato a temperatura ambiente può quindi celare una forte riduzione dell’energia a una temperatura di esercizio inferiore.

Cosa disciplina e cosa riporta ASTM E23[5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E23 comprende sia le prove d’urto Charpy su trave semplicemente appoggiata sia le prove d’urto Izod su trave a mensola (ASTM International, 2025). Per le prove Charpy, i suoi requisiti riguardano le dimensioni del provino e i dettagli dell’intaglio, il supporto e l’orientamento del provino, la procedura di prova, il funzionamento della macchina, la verifica e la rendicontazione. La norma include inoltre la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio, consentendo di utilizzare la superficie di frattura come integrazione del risultato relativo all’energia assorbita.

Questo ambito rende il valore riportato qualcosa di più di una semplice lettura del pendolo, ma non trasforma la prova in una misurazione diretta della tenacità alla frattura. La macchina registra la differenza di energia associata alla rottura del provino, comunemente riportata in joule o piedi-libbra. Il valore è significativo solo se accompagnato dal tipo di intaglio, dall’orientamento del provino, dalla temperatura di prova, dall’identificazione del materiale e dal requisito di accettazione applicabile.

Lo stato della macchina fa parte della catena di misurazione. Le macchine Charpy vengono verificate periodicamente con provini di riferimento certificati secondo ASTM E23 e ISO 148-2, attraverso programmi come il Charpy Machine Verification Program di NIST. Una macchina che non abbia superato i requisiti di verifica applicabili può produrre un risultato numericamente preciso, ma comunque inadatto al confronto.

ASTM E23 non definisce inoltre l’intero significato del campionamento per ogni prodotto di acciaio. ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy con intaglio a V in direzione longitudinale sull’acciaio strutturale e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle delle prove per pezzo. Due risultati ottenuti con la stessa procedura d’urto possono quindi rappresentare livelli diversi di sorveglianza della produzione se i relativi piani di campionamento differiscono.

L’aspetto della frattura fornisce evidenze che la sola energia non può fornire. La frattura duttile per taglio assorbe generalmente più energia, mentre la frattura fragile generalmente dominata dalla clivatura ne assorbe meno. La percentuale di frattura a taglio può indicare la posizione del provino sulla curva di transizione, sebbene le misurazioni dell’aspetto debbano seguire la procedura di rendicontazione applicabile. Un risultato ad alta energia sul plateau superiore non stabilisce uno specifico valore di KIC, JIC o della tenacità all’arresto della cricca.

Campo di applicazione della ISO 148-1:2016 per le prove Charpy convenzionali

La ISO 148-1:2016 specifica le prove d’urto con pendolo Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici (ISO, 2016). Essa definisce la configurazione convenzionale della prova: un provino intagliato è appoggiato come una trave semplicemente appoggiata e viene rotto da un battente a pendolo in condizioni specificate. L’energia assorbita risultante è un valore d’urto definito dal metodo, non una costante universale del materiale.

Le configurazioni con intaglio a V e a U non sono intercambiabili. La loro geometria dell’intaglio modifica la concentrazione delle tensioni, la deformazione plastica, l’innesco della cricca e l’energia necessaria per fratturare il provino. Le dimensioni del provino, la forma dell’intaglio, l’orientamento, la temperatura, i dettagli del battente e la verifica della macchina devono pertanto accompagnare qualsiasi confronto tra i risultati della ISO 148-1:2016 e quelli ottenuti con un altro metodo.

La ISO 148-1:2016 esclude le prove Charpy strumentate. Essa riguarda la prova convenzionale con pendolo e la determinazione dell’energia assorbita; le misurazioni che richiedono la registrazione della forza e dello spostamento rientrano nella ISO 14556. La ISO 148-2 tratta la verifica delle macchine a pendolo per prove d’urto Charpy; pertanto, la conformità alla ISO 148-1:2016 non deve essere considerata una dimostrazione del fatto che una macchina non verificata produca dati comparabili.[6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Il campo di applicazione della norma non elimina inoltre gli effetti specifici del materiale. Un acciaio ferritico può presentare un plateau inferiore, una regione di transizione e un plateau superiore al variare della temperatura. Quando l’energia Charpy viene utilizzata per stimare un valore di tenacità alla frattura al limite inferiore in queste regioni, sono necessarie relazioni distinte; le relazioni relative al comportamento sul plateau inferiore, nella regione di transizione e sul plateau superiore non sono uguali (TWI, 2024). Tali correlazioni si applicano solo entro i limiti dichiarati per materiale, geometria e temperatura.[7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

Una ricerca di NIST pubblicata nel 2011 su provini Charpy con scanalature laterali ha rilevato che le scanalature laterali riducono la deformazione plastica accumulata alle energie del plateau superiore e favoriscono lo splitting. La gravità dello splitting era massima in prossimità della temperatura di transizione da comportamento duttile a fragile. Questo risultato illustra perché la preparazione del provino possa modificare il comportamento a frattura senza cambiare la denominazione Charpy nominale.

Prove Charpy strumentate secondo la ISO 14556:2023

La ISO 14556:2023 specifica le prove d’urto strumentate con pendolo Charpy e intaglio a V, nonché le apparecchiature di misurazione e registrazione utilizzate (ISO, 2023). Oltre all’energia assorbita complessiva dal pendolo, il sistema strumentato registra dati correlati alla forza durante l’urto, consentendo l’analisi di fasi quali l’innesco della cricca, la propagazione instabile e la frattura successiva, nel rispetto dei requisiti di misurazione e interpretazione dei dati stabiliti dalla norma.

Ciò può fornire informazioni sul comportamento a frattura, anziché soltanto un unico valore integrato di energia. Le registrazioni forza-spostamento o forza-tempo possono contribuire a distinguere l’energia di innesco dall’energia di propagazione e possono evidenziare differenze tra lacerazione duttile, clivatura e frattura mista. I segnali aggiuntivi non producono automaticamente un valore di tenacità alla frattura in deformazione piana; le dimensioni del provino, il vincolo, l’affilatura dell’intaglio, la calibrazione e le ipotesi di analisi restano elementi importanti.

La ISO 14556:2023 è specificamente un metodo strumentato Charpy con intaglio a V. I suoi risultati non devono essere uniti disinvoltamente ai valori convenzionali con intaglio a V della ISO 148-1:2016 o ai valori della ASTM E23, anche quando i provini sembrano simili. Differenze nelle apparecchiature, nella calibrazione, nelle definizioni, nei filtri, nelle convenzioni di rendicontazione e nei criteri di accettazione possono modificare le grandezze riportate.

Le prove Charpy non devono inoltre essere confuse con la prova di frattura a strappo con caduta di peso. Quest’ultimo è un metodo distinto che esamina il comportamento all’arresto della cricca negli acciai per tubazioni, misurando le frazioni di taglio duttile e di clivatura a diverse temperature d’urto. Esso risponde a una domanda ingegneristica diversa. L’energia Charpy, i dati d’urto strumentati, l’aspetto della frattura e le misurazioni dell’arresto della cricca costituiscono evidenze correlate, non denominazioni intercambiabili.

Verifica della macchina, taratura e credibilità di un risultato

Verifica diretta e provini di riferimento certificati

Un risultato Charpy è credibile solo quando l’intero sistema di prova ha dimostrato di essere in grado di produrre una risposta nota. La verifica della macchina fornisce tale dimostrazione. Non equivale a controllare se il pendolo oscilla, se il provino entra tra gli incudini o se la scala visualizza un valore plausibile.

Secondo ASTM E23 e ISO 148-2, la verifica diretta utilizza provini di riferimento certificati con valori stabiliti dell’energia d’impatto. Il laboratorio rompe questi provini sulla macchina e confronta i risultati misurati con l’intervallo certificato. Poiché i provini di riferimento presentano un comportamento noto, essi verificano la macchina e la relativa catena di misura in condizioni d’impatto effettive, anziché limitarsi a controllare singole dimensioni.

Questa distinzione è importante perché la prova Charpy è una misurazione a elevata velocità di applicazione del carico. NIST descrive la prova come una misurazione dell’energia assorbita durante la frattura e come una misura indiretta della tenacità all’impatto. Il pendolo deve trasferire energia durante un evento di frattura di breve durata, mentre la macchina registra la differenza tra l’energia iniziale e quella finale. Piccole perdite meccaniche o errori geometrici possono quindi influire sul valore riportato.

Una verifica diretta può evidenziare contemporaneamente diverse modalità di guasto. Un attrito eccessivo del pendolo riduce l’energia disponibile prima dell’impatto. Un battente danneggiato, arrotondato, orientato in modo errato o con dimensioni non corrette modifica il modo in cui viene sollecitato l’intaglio. Incudini usurati o una distanza errata tra gli appoggi alterano le condizioni di flessione e di contatto. Un disallineamento degli appoggi può introdurre torsione o un vincolo non uniforme. La macchina può comunque produrre una frattura netta e una lettura plausibile del quadrante, pur non soddisfacendo il requisito relativo ai provini di riferimento.

Anche la capacità della macchina svolge un ruolo definito. Un pendolo troppo grande per l’intervallo di energia previsto può fornire una risoluzione insufficiente, mentre una macchina con capacità inadeguata non può rompere correttamente il provino o può perdere accuratezza di misura in prossimità del proprio limite. La norma applicabile e la progettazione della macchina determinano la capacità consentita, l’intervallo di energia, la geometria del battente, gli appoggi del provino e il sistema di indicazione.

La verifica non è semplicemente un sinonimo di taratura. La taratura riguarda generalmente l’accuratezza di un elemento di misura rispetto a un riferimento riferibile. La verifica accerta se la macchina Charpy assemblata, compresi i suoi componenti meccanici e il sistema di indicazione dell’energia, produce risultati accettabili nella prova prescritta. Un laboratorio può tarare un encoder o ispezionare una scala e avere comunque una macchina che non supera la verifica diretta perché il battente, i cuscinetti, l’attrito o gli appoggi sono difettosi.

Il programma NIST di verifica delle macchine Charpy

Il programma NIST di verifica delle macchine Charpy supporta la verifica periodica delle macchine Charpy mediante provini certificati, in conformità con ASTM E23 e ISO 148-2. Il programma esiste perché le differenze tra macchine possono essere abbastanza ampie da occultare le differenze tra materiali, in particolare quando le energie misurate sono prossime a un limite di specifica o quando i risultati vengono confrontati tra laboratori.

I provini certificati non sostituiscono i provini di produzione. Sono materiali di controllo utilizzati per stabilire se la risposta misurata dalla macchina rientra in un intervallo accettato. Un risultato conforme sostiene la fiducia nel sistema di prova al momento della verifica; non certifica ogni prova futura né dimostra che ogni provino sia stato preparato, orientato, condizionato e sottoposto a prova correttamente.

Tra le verifiche formali rimangono necessari i controlli di routine. Il personale dovrebbe verificare le dimensioni del battente e degli incudini, l’allineamento degli appoggi, la posizione del pendolo, il livello della macchina, le perdite per attrito, il funzionamento del sistema di indicazione o della strumentazione e lo stato delle protezioni e delle apparecchiature di contenimento. Il provino deve soddisfare i requisiti relativi a dimensioni, raggio dell’intaglio, profondità dell’intaglio, orientamento dell’intaglio e condizioni superficiali. Un’ispezione dell’intaglio può individuare bave, rugosità eccessiva, segni di lavorazione o un raggio fuori tolleranza. Tali controlli riguardano la geometria del provino e della macchina; la verifica diretta riguarda la risposta alla frattura misurata dall’intero sistema assemblato.

Il controllo della temperatura costituisce una fonte distinta di incertezza. Gli acciai ferritici possono passare da una frattura duttile ad alta energia verso una frattura a predominanza di clivaggio e bassa energia con la diminuzione della temperatura. Un provino sottoposto a prova alla temperatura errata può produrre un valore perfettamente ripetibile che, tuttavia, risponde alla domanda sbagliata. Il laboratorio deve controllare il tempo di condizionamento, il tempo di trasferimento, la temperatura del bagno o della camera e la temperatura effettivamente raggiunta dal provino. Anche la procedura dell’operatore è altrettanto importante: un centraggio errato, un provino capovolto, un rilascio ritardato o un orientamento errato dell’intaglio possono invalidare una macchina che, per il resto, ha superato la verifica.

ASTM E23 tratta le prove d’impatto Charpy su trave semplicemente appoggiata e Izod su mensola, compresi la verifica della macchina, la rendicontazione e la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio. ISO 148-1:2016 specifica le prove al pendolo Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici. Le prove strumentate costituiscono un ambito distinto: ISO 14556:2023 tratta le prove Charpy strumentate con intaglio a V e le apparecchiature utilizzate per registrare ulteriori informazioni sulla frattura.

Perché un valore d’impatto dall’aspetto corretto può essere comunque inaffidabile

Un risultato numerico può apparire ragionevole e tuttavia non avere un significato per il materiale. La verifica non può eliminare la dispersione tra provini, la variabilità tra colate, gli effetti dell’orientamento o gli errori di campionamento. ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy con intaglio a V in direzione longitudinale sull’acciaio strutturale e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle delle prove per pezzo. Il piano di campionamento è quindi parte integrante di ciò che il risultato rappresenta. Tre provini sottoposti correttamente a prova, ma prelevati da una posizione non rappresentativa, non caratterizzano un’intera struttura.

L’aspetto della frattura fornisce informazioni che il solo valore dell’energia non può fornire. In generale, la frattura duttile a taglio consuma più energia del clivaggio, ma la stessa energia assorbita può derivare da diverse combinazioni di taglio, clivaggio, splitting e deformazione plastica. Nel 2011 NIST ha riferito che le scanalature laterali riducono l’accumulo di deformazione plastica alle energie del plateau superiore e favoriscono lo splitting, la cui intensità è massima in prossimità della temperatura di transizione duttile-fragile. La geometria del provino può modificare il processo di frattura.

L’energia Charpy non è neppure un valore di tenacità alla frattura in deformazione piana. Le correlazioni possono stimare un valore inferiore della tenacità alla frattura per determinati acciai ferritici e specifici intervalli di temperatura, ma per il comportamento del plateau inferiore, della regione di transizione e del plateau superiore si applicano relazioni distinte. Un valore a temperatura ambiente non può descrivere il comportamento in servizio a bassa temperatura quando l’acciaio subisce una transizione duttile-fragile.[8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Infine, la prova Charpy non sostituisce le prove di arresto della propagazione delle cricche. La prova di trazione a strappo con caduta di peso valuta il comportamento all’arresto delle cricche negli acciai per tubazioni attraverso le frazioni di frattura duttile a taglio e di clivaggio alle temperature d’impatto. Risponde a una domanda diversa. Una macchina verificata rende più affidabile un valore Charpy come misurazione; non fa di quel valore una descrizione completa della resistenza alla frattura.

Temperatura, Acciai Ferritici e Transizione da Duttile a Fragile

Gli acciai ferritici mostrano spesso una transizione da duttile a fragile al diminuire della temperatura. A temperature più elevate, attorno all’intaglio può svilupparsi una deformazione plastica in grado di assorbire una notevole quantità di energia d’impatto prima che il provino si separi. A temperature più basse, il movimento delle dislocazioni è maggiormente limitato, la tensione locale aumenta rapidamente alla radice dell’intaglio e la frattura per clivaggio può propagarsi con una deformazione plastica limitata. Questo cambiamento non è rappresentato da una singola temperatura universale né da un unico valore Charpy.

Una prova Charpy registra l’energia assorbita da un provino intagliato durante la frattura a una temperatura e a una velocità di carico specificate. NIST la descrive come una prova ad alta velocità di carico e come una misura indiretta della tenacità all’impatto, non come una prova diretta di tenacità alla frattura in condizioni di deformazione piana. Il risultato dipende inoltre dalla forma dell’intaglio, dall’orientamento del provino, dalle condizioni della lamiera o del prodotto, dalla procedura di prova e dal campionamento. ASTM E23 riguarda le prove d’impatto Charpy su trave semplicemente appoggiata e Izod su mensola, mentre ISO 148-1:2016 specifica le prove pendolari Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici. Tali designazioni e procedure sono importanti quando si confrontano i risultati.

Piattaforma inferiore, regione di transizione e piattaforma superiore

Le tre regioni comunemente discusse del comportamento Charpy degli acciai ferritici.
RegimeComportamento tipico della fratturaCautela interpretativa
Ripiano inferioreFrattura prevalentemente simile alla clivatura, con energia assorbita relativamente bassaUna bassa energia, da sola, non descrive la propagazione della cricca in una struttura
Regione di transizioneFrattura mista per clivatura e taglio duttile, con una dispersione dell’energia potenzialmente elevataPiccole variazioni di temperatura possono produrre grandi variazioni dell’energia e dell’aspetto della frattura
Ripiano superioreDeformazione plastica estesa e, generalmente, energia assorbita più elevataL’energia del ripiano superiore non è un valore diretto della tenacità alla frattura

Ripiano inferiore La regione a bassa temperatura della curva Charpy di un acciaio ferritico, nella quale le energie assorbite sono relativamente basse e la frattura è comunemente dominata dalla clivatura.

La familiare curva temperatura-Charpy viene generalmente suddivisa in tre regimi interpretativi. La piattaforma inferiore è la regione delle basse temperature, nella quale le energie assorbite rimangono relativamente basse e le variazioni con la temperatura possono essere modeste. La frattura è prevalentemente simile al clivaggio, sebbene possano comparire piccole aree duttili o labbri di taglio. Un basso valore della piattaforma inferiore segnala un assorbimento limitato di energia plastica; da solo, non fornisce una descrizione completa della propagazione di una cricca in una struttura.

La regione di transizione si trova tra la piattaforma inferiore e quella superiore. In questo intervallo, una variazione modesta della temperatura può produrre una grande variazione dell’energia assorbita e dell’aspetto della frattura. Alcuni provini possono mostrare una combinazione di clivaggio e taglio duttile, e la dispersione dei risultati può essere considerevole. La temperatura associata a una determinata energia, ad esempio quella richiesta da un contratto, non corrisponde quindi automaticamente alla temperatura fisica di transizione del materiale. Un’altra definizione può basarsi su un’energia intermedia, su un criterio relativo all’aspetto della frattura o su una percentuale specificata di frattura a taglio.

Sulla piattaforma superiore, il provino assorbe una quantità di energia molto maggiore attraverso un’estesa deformazione plastica prima della separazione finale. Il valore misurato non è comunque un valore diretto di tenacità alla frattura. L’energia Charpy sulla piattaforma superiore è influenzata dalle dimensioni del provino, dall’affilatura dell’intaglio, dalla velocità di deformazione, dall’orientamento e dal vincolo. Nel 2011, NIST ha riferito che gli intagli laterali nei provini Charpy riducono l’accumulo di deformazione plastica alle energie della piattaforma superiore e favoriscono la scissione, la cui gravità è massima in prossimità della temperatura di transizione da duttile a fragile. Un risultato ottenuto con intagli laterali non deve essere considerato intercambiabile con quello di un provino standard non modificato.

Questi regimi non sono punti disposti su una scala lineare da “negativo” a “positivo”. Come osservato da TWI nel 2024, per correlare l’energia Charpy con la tenacità alla frattura al limite inferiore vengono utilizzate relazioni distinte per il comportamento sulla piattaforma inferiore, nella regione di transizione e sulla piattaforma superiore. Tali correlazioni richiedono una classe di acciaio, un intervallo di temperatura, una configurazione del provino e ipotesi sul vincolo applicabili. L’energia Charpy rimane un’energia d’impatto, misurata in joule; la tenacità alla frattura è comunemente espressa mediante parametri quali KIC, JIC o una misura correlata della punta della cricca.

Frattura per clivaggio e taglio duttile

Il clivaggio è un processo di frattura rapido e fragile, nel quale una cricca avanza lungo piani cristallografici preferenziali con una deformazione plastica precedente minima. La superficie di frattura appare spesso relativamente brillante e granulare. Poiché il lavoro plastico svolto è limitato, i provini nei quali prevale il clivaggio assorbono generalmente una quantità inferiore di energia Charpy. La piattaforma inferiore è pertanto associata a una bassa energia e a un’elevata proporzione di frattura fragile, sebbene l’aspetto preciso dipenda dall’acciaio, dall’orientamento, dall’intaglio e dalla temperatura di prova.

La frattura duttile si sviluppa attraverso il flusso plastico e la nucleazione, crescita e coalescenza di cavità microscopiche. Di norma consuma una quantità maggiore di energia e produce una superficie dall’aspetto fibroso o opaco, spesso con labbri di taglio in prossimità delle facce esterne. La regione di transizione può contenere entrambi i meccanismi sulla stessa superficie di frattura. Riportare l’energia assorbita senza l’aspetto della frattura può nascondere tale cambiamento.

Per questo motivo, norme e specifiche possono richiedere la percentuale di frattura a taglio oltre all’energia. Un provino con energia moderata e una frattura mista racconta una storia diversa rispetto a un provino con la stessa energia ma caratterizzato prevalentemente da taglio duttile. ASTM E23 comprende la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio e i requisiti di rendicontazione. Le prove strumentate possono aggiungere informazioni su forza, spostamento ed energia assorbita durante l’evento: ISO 14556:2023 tratta le prove Charpy V-notch strumentate, mentre ISO 148-1:2016 non contempla tale metodo strumentato.

La prova di lacerazione a caduta di peso fornisce un’ulteriore distinzione utile. È un metodo separato, applicato agli acciai per tubazioni, per valutare il comportamento di arresto delle cricche, determinando le frazioni di taglio duttile e di clivaggio alle diverse temperature d’impatto. I suoi risultati non devono essere sostituiti all’energia Charpy né presentati come se fossero la stessa misurazione.

Perché la temperatura di esercizio deve determinare la temperatura di prova

La temperatura di prova di riferimento dovrebbe rappresentare la condizione di esercizio pertinente più bassa, tenendo conto dei margini richiesti dal codice di progettazione e dalla specifica applicabili. Un risultato Charpy a temperatura ambiente stabilisce le prestazioni solo a quella condizione di prova o in prossimità di essa. Non può stabilire la posizione della piattaforma inferiore, il comportamento nella transizione o l’aspetto della frattura a una temperatura di progetto più bassa.

Questa limitazione è particolarmente importante per gli acciai strutturali ferritici. ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy V-notch in direzione longitudinale degli acciai strutturali e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle per pezzo. Il campionamento fa parte del significato del risultato: un singolo insieme di provini conforme non descrive necessariamente ogni posizione, orientamento, colata, spessore o condizione del prodotto.

La temperatura di prova dovrebbe pertanto essere indicata insieme all’energia assorbita, all’orientamento del provino, alla designazione dell’intaglio, alla norma e a ogni requisito relativo alla frattura a taglio. Anche le condizioni della macchina sono importanti; ASTM E23 e ISO 148-2 forniscono quadri di verifica, mentre il Charpy Machine Verification Program di NIST utilizza provini certificati per la verifica periodica delle macchine. In assenza di questi dettagli, un valore riportato di “tenacità Charpy” è incompleto. La temperatura non è una nota a margine del risultato; per l’acciaio ferritico può determinare se la frattura osservata sia prevalentemente duttile o dominata dal clivaggio.

Campionamento, orientamento e storia della lavorazione dell’acciaio

ASTM A673/A673M e campionamento dell’acciaio strutturale

Un risultato Charpy descrive un provino definito, prelevato da una porzione definita di acciaio. Per le lamiere strutturali, ASTM A673/A673M è importante perché specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy con intaglio a V in direzione longitudinale, invece di trattare il campionamento come un dettaglio amministrativo aggiunto dopo la prova. La norma stabilisce da dove devono essere prelevati i provini e con quale frequenza sono richiesti i campioni per le prove d’impatto nell’ambito delle disposizioni relative alle prove per colata o per pezzo. Tali scelte fanno parte del significato del risultato.

La posizione di campionamento può essere importante perché una lamiera non è perfettamente uniforme lungo la lunghezza, la larghezza o lo spessore. La segregazione chimica può essere più marcata in prossimità di determinate regioni di un lingotto o di un prodotto colato in continuo, mentre la riduzione dovuta alla laminazione, la velocità di raffreddamento e le differenze di temperatura tra superficie e centro possono produrre microstrutture diverse attraverso lo spessore. Un provino tagliato in una delle posizioni consentite dimostra quindi il comportamento del materiale campionato nell’ambito del piano specificato. Non stabilisce automaticamente il comportamento di ogni posizione della lamiera, di ogni lamiera appartenente a una campagna di produzione o di ogni componente fabbricato con essa.

ASTM A673/A673M deve essere inoltre letta insieme alla specifica applicabile del materiale e ai requisiti di acquisto o di fabbricazione. L’edizione della norma e le disposizioni relative al prodotto determinano le specifiche procedure di campionamento. Un rapporto che dichiari soltanto “sottoposto a prova Charpy” omette informazioni essenziali: la norma di riferimento, l’orientamento del provino, la temperatura di prova, la posizione del campione, la frequenza richiesta, il risultato dell’energia assorbita e qualsiasi requisito relativo all’aspetto della frattura. ASTM E23 fornisce il quadro generale per le prove Charpy su trave semplicemente appoggiata, inclusi i requisiti dei provini, le procedure, la verifica della macchina, la redazione dei rapporti e la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio. Il NIST Charpy Machine Verification Program descrive la prova come una misurazione, a elevata velocità di applicazione del carico, dell’energia assorbita durante la frattura; tale energia non viene trasformata in un valore diretto di tenacità a frattura in deformazione piana.

Prove in direzione longitudinale e trasversale

“Charpy longitudinale” identifica l’orientamento del provino rispetto alla principale direzione di laminazione del prodotto. In un provino longitudinale, la lunghezza del provino è generalmente allineata con la direzione di laminazione, mentre l’orientamento dell’intaglio determina la direzione in cui la cricca avanza attraverso il materiale. Un provino trasversale viene tagliato con la lunghezza disposta trasversalmente rispetto alla direzione di laminazione. Si tratta di direzioni diverse del materiale, non di denominazioni intercambiabili.

La laminazione allunga i grani e le inclusioni e può produrre una microstruttura bandeggiata. Di conseguenza, una cricca che avanza attraverso caratteristiche allungate può incontrare una successione diversa di ferrite, perlite, bande di segregazione o inclusioni rispetto a una cricca che avanza lungo di esse. L’energia misurata può variare con l’orientamento, soprattutto negli acciai per lamiere con forte tessitura, bandeggiatura pronunciata o debolezza attraverso lo spessore. L’effetto non è determinato dal solo nome del grado. Lo spessore della lamiera, il rapporto di riduzione, la pratica di riscaldo, la laminazione controllata, la normalizzazione, la tempra e il rinvenimento e la storia di raffreddamento contribuiscono tutti al risultato.

L’intaglio e la direzione di propagazione della cricca richiedono la stessa attenzione. Una designazione longitudinale in ASTM A673/A673M non costituisce un sostituto universale di un requisito di tenacità trasversale, attraverso lo spessore o relativo a una saldatura. Se una struttura sottopone una lamiera a carico in una direzione non rappresentata dal provino di prova, il valore riportato può costituire una base incompleta per la valutazione. L’Ingegnere deve associare l’orientamento del provino al percorso previsto della cricca e al requisito previsto dalla norma di progettazione o del materiale applicabile.

La temperatura introduce un’ulteriore limitazione. Gli acciai ferritici subiscono comunemente una transizione duttile-fragile al diminuire della temperatura. Un valore longitudinale misurato a temperatura ambiente può quindi nascondere un risultato molto più basso alla temperatura di esercizio, oppure una risposta diversa da quella di un provino trasversale alla stessa temperatura. L’energia assorbita e l’aspetto della frattura devono essere interpretati insieme: la frattura duttile a taglio assorbe generalmente più energia, mentre la frattura dominata dalla clivatura ne assorbe di norma meno. ASTM E23 include la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio, mentre ISO 148-1:2016 specifica le prove pendolari Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici. Le misurazioni strumentate sono separate; ISO 14556:2023 riguarda le prove Charpy strumentate con intaglio a V e le apparecchiature utilizzate per registrare informazioni aggiuntive su forza e spostamento.

Prove per colata, prove per pezzo e variabilità del materiale

Le prove per colata e le prove per pezzo sono strategie di campionamento, non due denominazioni della stessa prova. Le prove per colata collegano la frequenza di campionamento alla colata di acciaio, cioè al materiale prodotto a partire da una singola fusione chimica controllata. Le prove per pezzo assegnano il campionamento ai singoli pezzi o alle singole unità di prodotto secondo quanto previsto dal requisito applicabile. ASTM A673/A673M distingue questi approcci e le relative frequenze; pertanto, una specifica che richiami un approccio non può essere interpretata come se richiedesse l’altro. La frequenza esatta deve essere ricavata dall’edizione applicabile e dalla disposizione relativa al prodotto; non deve essere dedotta da una pratica Charpy generica.

Questa distinzione è importante quando una colata viene trasformata in molte lamiere, quando le lamiere differiscono sostanzialmente per spessore o quando le condizioni di lavorazione cambiano durante la produzione. Un campione a livello di colata può fornire evidenza per il materiale rappresentato dal piano di campionamento specificato, ma non può rivelare ogni filamento locale di inclusioni, banda di segregazione, sfogliatura o variazione di processo. Le prove per pezzo aumentano il collegamento diretto tra un risultato e uno specifico pezzo di prodotto, ma esaminano comunque la regione campionata e non l’intera struttura finita.

La lavorazione successiva alla produzione della lamiera può creare un’ulteriore separazione tra il risultato relativo al metallo base e il comportamento in esercizio. La saldatura introduce cicli termici che modificano la dimensione dei grani, i prodotti di trasformazione, la durezza, le tensioni residue e la tenacità locale nella zona termicamente alterata. Il trattamento termico post-saldatura può modificare nuovamente tali caratteristiche. Un provino del metallo base prelevato secondo ASTM A673/A673M non qualifica il metallo di saldatura o la zona termicamente alterata, a meno che tali regioni non vengano campionate e sottoposte separatamente a prova secondo la procedura applicabile.

Nel 2011 il NIST ha riferito che i solchi laterali nei provini Charpy riducono l’accumulo di deformazione plastica alle energie del plateau superiore e favoriscono lo splitting, la cui gravità è massima in prossimità della temperatura di transizione duttile-fragile. Ciò illustra perché la geometria del provino e l’aspetto della frattura possano modificare l’interpretazione di un valore di energia. L’energia Charpy può contribuire a stime specificate di tenacità a frattura al limite inferiore per gli acciai ferritici, ma per il comportamento al plateau inferiore, nella regione di transizione e al plateau superiore si applicano relazioni distinte. Essa rimane un risultato di energia d’impatto relativo all’orientamento e alla condizione del materiale campionato, non una descrizione completa di ogni percorso di criccatura, regione saldata o componente.

Aspetto della frattura, area di taglio, splitting e scanalature laterali

Il provino Charpy fratturato contiene informazioni che il solo valore dell’energia assorbita non può mostrare. L’energia è il lavoro compiuto dal pendolo per fratturare il provino; l’aspetto della frattura registra come tale lavoro è stato speso. Un valore elevato può riflettere un’estesa deformazione plastica, mentre un valore più basso può indicare un clivaggio rapido, ma la stessa energia nominale può risultare da diverse combinazioni di plasticità, propagazione della cricca e vincolo.

Questa distinzione è particolarmente importante per gli acciai ferritici, che comunemente passano da un comportamento duttile a temperature più elevate a un comportamento dominato dal clivaggio quando la temperatura diminuisce. Un risultato a temperatura ambiente può quindi celare una transizione nella quale il modo di frattura cambia bruscamente in un intervallo di temperatura relativamente ristretto. La norma ASTM E23 include la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio nelle prove Charpy e Izod, mentre la norma ISO 148-1:2016 specifica le prove d’impatto con pendolo Charpy su intaglio a V e a U per i materiali metallici. Nessuna delle due norme considera l’aspetto della frattura un sostituto dell’energia, della tenacità o della qualificazione per il servizio.

Resilienza all’urto dell’acciaio e prova Charpy
Fracture appearance adds evidence about how the absorbed impact energy was spent.

Interpretazione delle caratteristiche duttili e di clivaggio

Una regione di frattura duttile a taglio presenta generalmente un aspetto fibroso, opaco o lacerato. La cricca avanza attraverso una deformazione plastica sostanziale, spesso mediante nucleazione, crescita e coalescenza di microvuoti. Su una superficie di frattura, questo meccanismo può produrre una tessitura più rugosa e labbri di taglio inclinati vicino alle superfici libere. La prova corrispondente registra spesso una maggiore energia assorbita, poiché il provino si deforma in misura significativa prima della separazione completa.

La frattura per clivaggio è tipicamente più brillante e dall’aspetto più cristallino, con faccette relativamente piane e configurazioni a fiume che indicano una rapida propagazione della cricca lungo piani cristallografici preferenziali. Essa comporta una deformazione plastica macroscopica molto inferiore rispetto alla lacerazione duttile. Una superficie dominata dal clivaggio è comunemente associata a un basso risultato di energia d’impatto, ma l’aspetto visivo deve essere interpretato tenendo conto dell’orientamento del provino, del tipo di acciaio, della temperatura, delle condizioni dell’intaglio e del metodo di esame. Una superficie fratturata non costituisce una diagnosi metallografica completa.

La transizione è spesso mista anziché brusca. Un provino può contenere lacerazione duttile sulle superfici esterne e una regione di clivaggio più vicina all’intaglio, oppure aree separate duttili e di clivaggio divise da un confine visibile. La percentuale di frattura a taglio, spesso espressa come percentuale della superficie di frattura, può mostrare che un materiale sta attraversando la transizione duttile-fragile anche quando i valori di energia si sovrappongono. Per esempio, due provini possono assorbire un’energia simile mentre uno presenta una frattura prevalentemente fibrosa e l’altro contiene un’area di clivaggio sostanziale; tali risultati non comportano lo stesso livello di allerta riguardo alla propagazione delle cricche a bassa temperatura.

L’aspetto della frattura contribuisce inoltre a evidenziare la dispersione dei risultati. L’energia Charpy è influenzata dall’affilatura dell’intaglio, dalle inclusioni locali, dalla struttura dei grani, dall’orientamento del provino e dalla temperatura di prova. Una singola media può nascondere un provino con una regione di clivaggio insolitamente estesa. L’esame delle superfici fratturate aggiunge una verifica fisica dell’eventuale accordo tra l’energia misurata e il modo di cedimento previsto.

Queste evidenze non devono essere erroneamente definite tenacità alla frattura in deformazione piana. Il NIST descrive la prova Charpy come una prova a elevata velocità di applicazione del carico, che misura l’energia assorbita durante la frattura e fornisce una misura indiretta della tenacità all’impatto. Le correlazioni possono stimare un valore inferiore della tenacità alla frattura per gli acciai ferritici, ma si applicano relazioni distinte al comportamento nel plateau inferiore, nella regione di transizione e nel plateau superiore. Un valore Charpy non è una misura diretta di KIC, JIC o dell’arresto della cricca.

Aspetto della frattura a taglio come risultato riportato

L’aspetto della frattura a taglio è un risultato riportato insieme all’energia assorbita, alla temperatura di prova, all’orientamento del provino e ai dati identificativi. Nelle attività basate sulle norme, il metodo utilizzato per determinare la percentuale di taglio è importante; le stime visive, le procedure di confronto e le convenzioni di misurazione non devono essere mescolate senza indicarne la base. Il rapporto deve specificare se il provino aveva una configurazione standard con intaglio a V o a U e se era presente una modifica, come le scanalature laterali.

Un aumento della percentuale di taglio con l’aumentare della temperatura indica generalmente una transizione dal clivaggio verso la frattura duttile. Da solo, tuttavia, non stabilisce una temperatura di transizione universale. Gli ingegneri possono definire una temperatura di transizione sulla base di un criterio energetico, di un criterio basato sull’area di taglio o di una combinazione specificata; tali temperature non devono necessariamente coincidere. Il criterio scelto deve pertanto essere dichiarato.

Le prove strumentate possono fornire informazioni aggiuntive sui fenomeni di carico e di frattura. La norma ISO 14556:2023 tratta le prove Charpy V strumentate e le apparecchiature utilizzate per misurare e registrare il comportamento all’impatto; le prove strumentate non rientrano nella norma ISO 148-1:2016. Questi metodi possono contribuire a distinguere le caratteristiche di innesco da quelle di propagazione, ma richiedono comunque il controllo della geometria, delle condizioni del materiale, della temperatura e dell’orientamento.

Anche il campionamento influisce sull’interpretazione. La norma ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy V longitudinali sull’acciaio strutturale e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle per pezzo. Pertanto, una fotografia della frattura e un valore di energia descrivono uno specifico provino sottoposto a prova; non rappresentano automaticamente ogni lamiera, pezzo o colata.

Risultati del NIST sui provini Charpy con scanalature laterali

La valutazione del NIST del 2011 sulle prove d’impatto Charpy con scanalature laterali ha rilevato che tali scanalature modificano più del semplice profilo del provino. Nel campo delle energie del plateau superiore, riducono l’accumulo di deformazione plastica e favoriscono lo splitting. La gravità dello splitting riportata era massima in prossimità della temperatura di transizione duttile-fragile.

Lo splitting è una caratteristica di separazione o lacerazione longitudinale che può svilupparsi davanti al percorso principale della frattura o parallelamente ad esso. Le scanalature laterali guidano la deformazione e modificano il vincolo lungo la larghezza del provino, cambiando la crescita della cricca e la morfologia della frattura risultante. Possono far apparire la superficie di frattura più segmentata e possono influire sia sull’energia misurata sia sulla suddivisione tra regioni duttili e regioni di clivaggio.

Per questo motivo, i provini Charpy con scanalature laterali e quelli convenzionali non devono essere confrontati in modo superficiale. La geometria modificata cambia il vincolo, la plasticità, la propagazione della cricca e la possibilità che si verifichi lo splitting. Un risultato ottenuto con scanalature laterali può essere utile per uno specifico scopo di ricerca o di qualificazione, ma non è semplicemente una versione più severa di un risultato standard. La geometria, la forma dell’intaglio, le dimensioni delle scanalature, l’orientamento, la temperatura e il metodo di reporting devono essere coerenti con il confronto previsto.

I risultati del NIST ribadiscono inoltre il limite fondamentale dell’energia d’impatto: il solo valore numerico non identifica il meccanismo di frattura. Energia, area di taglio, caratteristiche di clivaggio e splitting devono essere interpretati congiuntamente, mantenendo evidenti la norma applicabile e il progetto del provino.

Prova Charpy strumentata e informazioni aggiuntive rilevabili

La prova Charpy strumentata aggiunge canali di misura alla normale prova d’impatto con pendolo. Invece di registrare soltanto l’energia iniziale e finale del martello, la macchina registra la forza applicata al provino e la sua variazione durante l’evento. Questa registrazione aggiuntiva può mostrare quando il provino inizia a perdere la capacità di sostenere il carico, quanto lavoro viene compiuto prima della propagazione della cricca e come si sviluppa la frattura dopo l’innesco. Essa non trasforma un provino Charpy in un provino convenzionale per la tenacità alla frattura.

La norma ISO 148-1:2016 specifica le prove d’impatto con pendolo Charpy a intaglio a V e a U per i materiali metallici, ma esclude le prove strumentate da tale metodo. La norma distinta ISO 14556:2023 specifica la prova d’impatto con pendolo Charpy strumentata a intaglio a V e le apparecchiature di misura e registrazione utilizzate per ottenere informazioni aggiuntive sul comportamento alla frattura in condizioni d’impatto. ASTM E23 tratta le prove d’impatto Charpy su trave semplicemente appoggiata e Izod su trave a mensola, compresi i requisiti dei provini, le procedure, la verifica della macchina, la rendicontazione e la determinazione dell’aspetto della frattura a taglio; un risultato strumentato dipende comunque dalla norma di prova applicabile e dai requisiti di rendicontazione.

Resilienza all’urto dell’acciaio e prova Charpy
Instrumented Charpy testing records how force and absorbed work change throughout the impact event.

Informazioni forza-tempo ed energia-tempo

Un risultato convenzionale della prova Charpy viene generalmente riportato come energia d’impatto assorbita, comunemente in joule. NIST descrive la prova Charpy come una prova a elevata velocità di applicazione del carico, che misura l’energia assorbita durante la frattura e fornisce una misura indiretta della tenacità all’impatto. La strumentazione aggiunge una registrazione forza-tempo e spesso anche una registrazione forza-spostamento o forza-energia, dalla quale è possibile calcolare il lavoro totale. In termini semplificati, l’area sottesa da una curva forza-spostamento rappresenta il lavoro meccanico trasferito al provino, mentre una curva energia-tempo mostra la rapidità con cui tale lavoro si accumula.

La forma della curva è importante. Un aumento iniziale ripido può riflettere il caricamento elastico e plastico del ligamento intagliato. Una forza massima può indicare il punto in cui il provino raggiunge il carico più elevato, sebbene la forza massima non coincida automaticamente con l’innesco fisico della cricca. Un tratto discendente può indicare la propagazione della cricca, il collasso plastico, variazioni del contatto con il percussore oppure una combinazione di tali effetti. Il segnale deve quindi essere interpretato tenendo conto della geometria del provino, della configurazione del percussore, della distanza tra gli appoggi, della velocità d’impatto e della temperatura di prova.

Una registrazione significativa deve partire da una qualità di misura adeguata. I trasduttori di forza, la misura dello spostamento o della velocità, la temporizzazione, la larghezza di banda dell’amplificatore, la frequenza di acquisizione dei dati e la calibrazione influiscono tutti sulla curva registrata. Le vibrazioni meccaniche possono produrre oscillazioni che imitano eventi di frattura. Il filtraggio può eliminare il rumore, ma un filtraggio eccessivo può anche spostare un picco o nascondere un breve evento d’innesco. La cedevolezza della macchina e la massa del percussore influenzano il rapporto tra il segnale registrato e la forza effettivamente sostenuta dal provino.

L’energia strumentata integrata dovrebbe inoltre essere confrontata con il risultato convenzionale dell’energia assorbita della macchina. La concordanza non è garantita: l’attrito, le perdite del pendolo, gli effetti degli elementi di fissaggio, gli errori di calibrazione e il metodo scelto per ricostruire la relazione forza-spostamento possono produrre differenze. La verifica periodica della macchina rimane pertanto rilevante. ISO 148-2 e ASTM E23 forniscono procedure di verifica, compreso l’impiego di provini certificati nell’ambito del Charpy Machine Verification Program descritto da NIST.

Comportamento d’innesco e di propagazione durante l’impatto

Un impiego importante della registrazione della forza consiste nel suddividere l’evento in fasi. Prima che una cricca avanzi, il ligamento intagliato può subire una deformazione elastica e plastica. Se successivamente si innesca una cricca, la curva forza-tempo può mostrare una variazione di pendenza, un massimo locale, un calo improvviso o un’altra caratteristica selezionata dalla procedura analitica. Il lavoro fino al punto d’innesco selezionato può essere definito energia d’innesco, mentre il lavoro rimanente è associato alla successiva propagazione della cricca e alla deformazione del provino.

Tali termini descrivono un’analisi, non una verità fisica automatica. L’innesco della cricca può verificarsi prima di un evidente calo della forza, in particolare quando si sviluppa gradualmente una lacerazione duttile stabile. Al contrario, una variazione netta del segnale può derivare da un effetto della macchina o del contatto, anziché da una cricca di nuova formazione. Per confermare il significato di una caratteristica del segnale possono essere necessarie immagini ad alta velocità, l’esame della frattura dopo la prova, un’analisi della cedevolezza o sensori supplementari.

La distinzione può essere particolarmente informativa nella transizione duttile-fragile degli acciai ferritici. A temperature più basse, la frattura per clivaggio può produrre una rapida perdita di carico e una deformazione relativamente modesta. A temperature più elevate, la lacerazione duttile e la deformazione plastica possono consumare più energia lungo una porzione più estesa della registrazione. L’aspetto della frattura fornisce un controllo essenziale: le regioni a taglio e fibrose generalmente supportano un’interpretazione diversa rispetto alle regioni dominate dal clivaggio, anche quando due provini presentano energie totali simili.

L’orientamento del provino e lo stato del materiale rimangono parte integrante del risultato. ASTM A673/A673M specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy longitudinali a intaglio a V degli acciai strutturali e distingue le frequenze di prova per colata da quelle per pezzo. Una curva dettagliata della forza ottenuta in un’unica posizione di campionamento non può stabilire il comportamento in ogni orientamento, spessore della lamiera, zona saldata o condizione di trattamento termico.

La valutazione di NIST del 2011 sui provini Charpy con scanalature laterali ha rilevato che le scanalature laterali riducono l’accumulo di deformazione plastica alle energie del plateau superiore e favoriscono lo splitting, con una severità dello splitting massima vicino alla temperatura di transizione duttile-fragile. Tali modifiche geometriche possono alterare la storia della forza e l’aspetto della frattura. Non dovrebbero essere trattate come modifiche di scarsa importanza nel confronto tra serie di dati.

Limiti della conversione dei dati strumentati in tenacità alla frattura

I dati Charpy strumentati possono supportare calcoli di meccanica della frattura, ma la conversione richiede una procedura analitica specificata, una calibrazione convalidata e ipotesi relative alla geometria della cricca, alla deformazione, alla velocità di applicazione del carico e al comportamento del materiale. Una registrazione forza-tempo, da sola, non fornisce un fattore critico valido d’intensificazione delle tensioni, KIc, né un valore valido di JIc in condizioni di deformazione piana.

Una prova standard di tenacità alla frattura utilizza un provino precriccato a fatica, dimensioni controllate, la misura della dimensione della cricca, requisiti di validità e criteri per la deformazione piana o per la tenacità elastoplastica. Un intaglio Charpy a V lavorato meccanicamente presenta un raggio d’intaglio, una geometria del ligamento, una configurazione di carico e spesso un livello di vincolo differenti. Il carico dinamico modifica ulteriormente la risposta del materiale. Anche se una curva strumentata consente di stimare l’energia d’innesco o una forza associata alla propagazione della cricca, tale stima non è automaticamente intercambiabile con la tenacità alla frattura.

L’energia Charpy può essere correlata alla tenacità alla frattura al limite inferiore per gli acciai ferritici attraverso correlazioni specificate, ma si applicano relazioni distinte al comportamento nel plateau inferiore, nella regione di transizione e nel plateau superiore. Il numero deve essere accompagnato da temperatura, geometria dell’intaglio, orientamento del provino, aspetto della frattura e stato del materiale. Il comportamento di arresto della cricca è un’ulteriore questione distinta: la prova di lacerazione a caduta di peso caratterizza l’arresto della cricca negli acciai per tubazioni attraverso le frazioni di frattura duttile a taglio e per clivaggio alle diverse temperature d’impatto, anziché sostituire con il proprio risultato i dati Charpy o di tenacità alla frattura.

La prova strumentata aggiunge quindi elementi di valutazione, non un fattore di conversione universale. La sua interpretazione è più solida quando l’apparecchiatura è verificata, i segnali sono puliti e calibrati, il provino e la temperatura sono documentati e il criterio di innesco o di propagazione è dichiarato esplicitamente.

Dall’energia Charpy alla tenacità alla frattura e all’arresto della cricca

L’energia Charpy non è un valore di tenacità alla frattura. È l’energia assorbita quando un provino intagliato standardizzato si rompe sotto l’impatto di un pendolo ad alta velocità di applicazione del carico. NIST descrive il risultato come una misura indiretta della tenacità all’impatto, non come una misurazione diretta di un parametro all’apice della cricca quale KIC, JIC o l’apertura dell’apice della cricca. La distinzione è importante perché una piccola barretta Charpy e un grande componente strutturale criccato sono soggetti a condizioni di vincolo, dimensioni delle cricche, stati tensionali e dimensioni delle zone plastiche differenti.

ASTM E23 riguarda sia le prove d’impatto Charpy su trave semplicemente appoggiata sia le prove d’impatto Izod su trave a mensola, mentre la norma ISO 148-1:2016 specifica le prove al pendolo Charpy con intaglio a V e a U per i materiali metallici. Le prove d’impatto strumentate costituiscono una categoria distinta: la norma ISO 14556:2023 tratta le prove Charpy strumentate con intaglio a V e registra forza, spostamento ed energia durante la frattura. Anche la verifica della macchina influisce sull’affidabilità del risultato. ASTM E23 e ISO 148-2 richiedono verifiche periodiche, comprese prove con provini di riferimento certificati, e NIST gestisce un Charpy Machine Verification Program.

Il valore riportato in joule descrive quindi uno specifico provino, intaglio, orientamento, temperatura, velocità di prova e stato del materiale. ASTM A673/A673M aggiunge un’ulteriore precisazione per gli acciai strutturali: specifica le procedure di campionamento per le prove Charpy con intaglio a V in direzione longitudinale e distingue le frequenze delle prove per colata da quelle delle prove sul pezzo. Il campionamento fa parte del significato del risultato. Il valore ottenuto da un singolo provino selezionato non può rappresentare automaticamente ogni lamiera, regione adiacente a una saldatura, direzione di laminazione o temperatura di esercizio.

Correlazioni condizionate per gli acciai ferritici

Per gli acciai ferritici, l’energia Charpy può supportare una stima della tenacità alla frattura al limite inferiore quando la correlazione è stata stabilita per la classe di acciaio e il regime di frattura pertinenti. Ciò è utile perché gli acciai ferritici mostrano comunemente una transizione duttile-fragile al diminuire della temperatura. La loro curva dell’energia d’impatto può comprendere un plateau inferiore, una regione di transizione e un plateau superiore, e la relazione tra energia assorbita e resistenza alla frattura cambia passando da una regione all’altra.

Si applicano relazioni diverse al comportamento nel plateau inferiore, nella regione di transizione e nel plateau superiore. Una correlazione selezionata per il plateau superiore non dovrebbe essere applicata a un risultato del plateau inferiore semplicemente perché entrambi i valori sono riportati in joule. Nella regione di transizione, piccole variazioni di temperatura possono produrre grandi cambiamenti nel modo di frattura e nell’energia misurata; pertanto, la temperatura alla quale è stato ottenuto il valore Charpy è essenziale. L’aspetto della frattura fornisce un’ulteriore indicazione: una frattura generalmente dominata dalla clivatura assorbe meno energia, mentre lo strappo duttile produce di norma una maggiore deformazione plastica e una maggiore energia assorbita.

Anche all’interno degli acciai ferritici, la composizione chimica, la dimensione dei grani, il livello di resistenza, il trattamento termico, lo spessore della lamiera, la direzione di laminazione, l’affilatura dell’intaglio e l’irraggiamento o l’invecchiamento termico possono modificare la relazione. Una correlazione è quindi un modello condizionato, non una conversione universale da joule a tenacità alla frattura. Può fornire una stima conservativa di screening per una popolazione di materiali definita, un intervallo di temperatura, un orientamento del provino e una condizione di validità specifici. Non trasforma un risultato Charpy di routine in una misurazione della tenacità alla frattura in deformazione piana.

Anche il provino stesso può influire sull’interpretazione. In uno studio NIST pubblicato nel 2011, i provini Charpy con scanalature laterali hanno mostrato una minore accumulazione di deformazione plastica alle energie del plateau superiore e un aumento dello splitting; la gravità dello splitting era massima in prossimità della temperatura di transizione duttile-fragile. Questo risultato rafforza il punto essenziale: anche una geometria Charpy modificata può cambiare il processo di frattura e non può essere considerata intercambiabile con un normale provino con intaglio a V.

Stime al limite inferiore e loro limiti

Una stima al limite inferiore è concepita per evitare di attribuire al materiale una resistenza alla frattura superiore a quella supportata dalle evidenze. Può essere appropriata per uno screening preliminare, per valutazioni dell’integrità condotte secondo procedure definite o in situazioni in cui una norma tecnica o una prassi regolamentare consenta specificamente una relazione basata su Charpy. La stima deve mantenere le proprie condizioni di applicabilità: famiglia del materiale, intervallo della tensione di snervamento, orientamento, temperatura, configurazione dell’intaglio, intervallo di energia e parametro di tenacità alla frattura stimato.

Il limite inferiore non garantisce che un componente resista a ogni cricca. I provini Charpy sono piccoli e la loro frattura può avvenire con un vincolo minore rispetto a quello di un componente spesso contenente una cricca di fatica acuta. Una cricca strutturale può quindi essere soggetta a un campo di tensione diverso da quello prodotto dall’intaglio Charpy lavorato meccanicamente. Lo spessore, le tensioni residue, i difetti di saldatura, la velocità di applicazione del carico, la dimensione della cricca e la biassialità possono ridurre la rilevanza di una semplice correlazione energetica. Un valore misurato a temperatura ambiente dice inoltre poco sul comportamento a una temperatura di esercizio inferiore, a meno che non sia stata determinata la curva di transizione.

Quando il rischio di frattura fragile è rilevante, l’aspetto della frattura e i dati sulla temperatura di transizione dovrebbero accompagnare il valore energetico. Un singolo risultato del plateau superiore può nascondere una transizione ripida a temperature più basse; un risultato del plateau inferiore può indicare una condizione in cui la clivatura è già il meccanismo dominante. Le prove dirette di tenacità alla frattura restano necessarie quando la valutazione dipende da un valore qualificato di K, J o dell’apertura dell’apice della cricca, ottenuto in condizioni specificate di vincolo e di validità.

In che modo la prova di lacerazione a peso cadente è diversa

La prova di lacerazione a peso cadente risponde a una domanda diversa rispetto alla prova Charpy. È stata sviluppata per valutare il comportamento di arresto della cricca negli acciai per tubazioni, non semplicemente per classificare piccoli provini in base all’energia d’impatto assorbita. Una striscia relativamente lunga e intagliata viene colpita in condizioni d’impatto controllate, quindi la superficie di frattura risultante viene esaminata in un intervallo di temperature. La valutazione si concentra sulle proporzioni di frattura a taglio duttile e di frattura per clivatura, compresa la verifica dell’eventuale arresto di una frattura propagante quando cambia il modo di frattura.

La prova Charpy determina quanta energia assorbe una barretta intagliata standardizzata prima della frattura e può riportare l’energia assorbita, l’espansione laterale e l’aspetto della frattura a taglio. La prova di lacerazione a peso cadente determina invece come si comporta una frattura propagante nell’acciaio per tubazioni e come cambia la superficie di frattura passando dallo strappo duttile alla clivatura. Entrambe le prove possono evidenziare una transizione duttile-fragile, ma differiscono per geometria, dimensioni dei provini, risposta al carico e risultati ingegneristici.

Utilizzare la prova Charpy per determinare il comportamento dell’energia d’impatto e della transizione per il materiale e l’orientamento specificati. Utilizzare una correlazione Charpy ammessa soltanto per una stima dichiarata della tenacità alla frattura al limite inferiore. Utilizzare la prova di lacerazione a peso cadente quando la questione ingegneristica riguarda la frattura propagante su lunga distanza e l’arresto della cricca negli acciai per tubazioni. Nessuno dei due risultati può, da solo, rispondere all’altra domanda.

Riferimenti

  1. [1]International Organization for Standardization. ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. ISO standard, 2016. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/06/38/63802.html
  2. [2]ASTM International. ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html
  3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
  4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
  5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
  6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
  7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
  8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test