Tenacità alla frattura dell’acciaio e prestazioni all’apice della cricca

Cosa misura la tenacità alla frattura dell’acciaio

La tenacità alla frattura è la resistenza all’estensione di una cricca in uno specifico stato di carico e di vincolo. Questa definizione è deliberatamente più circoscritta rispetto a “resistenza”. Un valore di tenacità descrive come un corpo criccato risponde quando la forza motrice sulla punta della cricca raggiunge un livello critico o quando la cricca inizia a propagarsi. Non descrive ogni possibile modalità di cedimento di un prodotto in acciaio.

Un valore riportato è quindi associato a un metodo di prova, alla geometria del provino, all’orientamento della cricca, alla temperatura, alla velocità di applicazione del carico e all’intervallo di validità. K_IC, J_IC, CTOD critico δ e una curva R sono parametri di frattura correlati, ma non sono valori intercambiabili. La conversione dall’uno all’altro richiede un comportamento del materiale, una geometria e ipotesi elasticoplastiche adeguati.

La resistenza alla propagazione delle cricche non è la resistenza a trazione

Un provino a trazione non criccato misura la resistenza alla deformazione e alla rottura attraverso una sezione relativamente uniforme. Il carico di snervamento indica la tensione alla quale inizia una deformazione plastica significativa; la resistenza ultima a trazione registra la massima tensione nominale di trazione; l’allungamento indica la capacità di deformazione dopo lo snervamento; e la durezza fornisce una misura indiretta della resistenza all’indentazione e, in alcuni casi, una stima approssimativa della resistenza. Nessuna di queste misure risponde direttamente alla domanda se una cricca esistente si propagherà.

Una maggiore resistenza allo snervamento non indica automaticamente una maggiore tenacità alla frattura. Strong evidence

Questa distinzione è importante anche nel confronto tra acciai con designazioni note, come ASTM A36 e ASTM A572 Grade 50. Un carico di snervamento più elevato non significa automaticamente una maggiore tenacità alla frattura. I meccanismi di incrudimento e rafforzamento possono aumentare il carico di snervamento riducendo al contempo la quantità di deformazione plastica che una punta di cricca vincolata può tollerare, in particolare a bassa temperatura. Lo spessore della lamiera può avere un effetto analogo aumentando il vincolo alla punta della cricca. Il manuale dell’Amministrazione federale delle autostrade per i ponti in acciaio del 2016 descrive la conseguenza pratica: un acciaio più resistente o più spesso può richiedere una maggiore tenacità, perché la tensione e il vincolo alla punta della cricca aumentano il rischio di frattura.

Nemmeno la duttilità a trazione è un sostituto adeguato. Un acciaio può mostrare un allungamento rispettabile in una barra liscia, mentre un intaglio, un difetto di saldatura, una caratteristica di tipo lamellare o una condizione di transizione a bassa temperatura può produrre una frattura fragile. La prova di durezza è ancora più lontana dal problema della cricca; può contribuire a identificare variazioni del trattamento termico, ma non stabilisce K_IC, J_IC o il CTOD critico.

La vita a fatica risponde a una domanda diversa. In condizioni di carico ripetuto, il parametro ciclico di propagazione della cricca è comunemente l’intervallo del fattore d’intensità delle tensioni ΔK, non un singolo valore monotono di tenacità alla frattura. NASA-HDBK-5010, Volume 2 (2023), fornisce la relazione per il Modo I nel caso di una piastra con cricca centrale:

K = βσ√(πa)

dove β tiene conto della geometria, σ è la tensione applicata e a è la dimensione della cricca utilizzata dal modello. In condizioni di carico ciclico, ΔK varia con l’intervallo di tensione e con la dimensione della cricca. Un acciaio può resistere alla frattura rapida a un determinato valore di K, continuando tuttavia ad accumulare una lenta propagazione per fatica della cricca per migliaia o milioni di cicli.

La punta della cricca come regione determinante

La tensione nominale lontano da una cricca può essere modesta, mentre il campo locale di tensioni e deformazioni alla punta della cricca può essere severo. Una cricca acuminata concentra il carico applicato in una regione di piccole dimensioni. A. A. Griffith descrisse l’estensione della cricca mediante un bilancio energetico: la propagazione avviene quando la riduzione dell’energia elastica di deformazione può compensare il costo energetico della creazione di nuove superfici di frattura. In seguito, G. R. Irwin espresse il campo elastico alla punta della cricca mediante il fattore d’intensità delle tensioni, rendendo possibile correlare il carico, la lunghezza della cricca, la geometria del componente e la severità locale alla punta della cricca.

Per una zona plastica sufficientemente piccola, la meccanica della frattura elastica lineare considera K il parametro determinante. ASTM E399-24 utilizza questo approccio per determinare K_IC su provini metallici precriccati per fatica, in condizioni prevalentemente elastiche lineari e di deformazione piana. Il provino deve essere sufficientemente grande affinché la plasticità alla punta della cricca rimanga piccola rispetto alle sue dimensioni; in caso contrario, il valore misurato può essere un risultato condizionale anziché una tenacità valida in condizioni di deformazione piana.

Questa limitazione spiega perché un provino a trazione non possa rappresentare una piattabanda criccata di un ponte, un recipiente a pressione o un giunto saldato. Il componente reale presenta una dimensione e una forma della cricca, un gradiente di tensione, uno spessore, uno stato di tensione residua e un livello di vincolo propri. La cricca può inoltre trovarsi nel metallo base, nel metallo di saldatura o in una zona termicamente alterata. ISO 15653:2018 tratta la tenacità alla frattura delle saldature utilizzando K, CTOD δ e l’equivalente sperimentale dell’integrale J, con cricche di fatica posizionate nelle regioni della saldatura pertinenti.

Quando la plasticità alla punta della cricca non è piccola o uniforme, sono necessari metodi elasticoplastici. J misura la forza motrice energetica in tali condizioni, mentre CTOD misura l’apertura della punta della cricca associata a uno specifico evento di frattura. Nel 2008 NIST ha riferito che le prove elasticoplastiche tengono conto della plasticità non uniforme alla punta della cricca e delle distribuzioni complesse di tensione e deformazione nella previsione della propagazione instabile delle cricche nell’acciaio.

Innesco, propagazione stabile e frattura instabile

La domanda ingegneristica centrale non è semplicemente “Qual è la tenacità di questo acciaio?”. È: data una cricca nota sottoposta a un carico noto, la cricca rimarrà stabile, si propagherà in modo stabile o innescherà una frattura rapida?

L’innesco della cricca è la prima estensione a partire dalla cricca preesistente. Dopo l’innesco, il materiale può sostenere una propagazione stabile della cricca, mentre la deformazione plastica e meccanismi come la formazione di vuoti duttili assorbono energia. La resistenza può aumentare con l’estensione della cricca; questo comportamento è rappresentato da una curva J-R, da una curva di resistenza CTOD o da un’altra curva R. Se la forza motrice applicata alla cricca supera tale resistenza, può seguire una frattura instabile.

ASTM E1820 misura il comportamento a frattura in Modo I utilizzando K, J e CTOD, sia come valori puntuali sia come curve di resistenza. Anche ISO 12135:2021 specifica metodi quasi-statici che utilizzano K, l’apertura della punta della cricca δ, J e curve R per provini metallici omogenei precriccati per fatica. ASTM E1290 si concentra sui valori critici di CTOD in corrispondenza di eventi specificati di estensione della cricca ed è particolarmente pertinente alla transizione duttile-fragile al diminuire della temperatura.

Questi risultati devono rimanere associati al rispettivo metodo. Un valore di K_IC ottenuto secondo ASTM E399-24 non dovrebbe essere inserito in una valutazione strutturale basata su J senza una giustificazione, e un CTOD critico ottenuto da una prova su una saldatura secondo ISO 15653:2018 non dovrebbe essere considerato una proprietà universale del grado di acciaio. Il vincolo del provino, il modo di applicazione del carico, la temperatura, la posizione della cricca, la velocità di applicazione del carico e la definizione scelta di “innesco” influenzano tutti il risultato. Il numero è significativo solo insieme a queste informazioni sul contesto della prova.

Il quadro della meccanica della frattura: Griffith, Irwin e K

Bilancio energetico di Griffith

Un componente in acciaio non si frattura semplicemente perché la sua tensione nominale supera il limite di snervamento o la resistenza a trazione indicati per una determinata qualità. Una cricca modifica il problema: il carico applicato rilascia energia elastica di deformazione man mano che la cricca si propaga, mentre le nuove superfici di frattura consumano energia. A. A. Griffith espresse questa competizione sotto forma di un criterio energetico. L’estensione della cricca diventa possibile quando il tasso di rilascio dell’energia $G$ raggiunge il valore critico del materiale $G_c$:

$$G\ge G_c$$

Per un solido fragile ideale, Griffith mise in relazione $G_c$ principalmente con l’energia superficiale necessaria a creare le due nuove facce della cricca. Gli acciai reali non sono solidi fragili ideali. La deformazione plastica, la formazione di microvuoti, la clivazione, il ponticellamento della cricca, le tensioni residue e altri processi assorbono ulteriore energia in prossimità dell’apice della cricca. La resistenza misurata riflette quindi sia il materiale sia le condizioni nelle quali viene esaminata la cricca.

Questa visione energetica costituisce il fondamento della meccanica della frattura, perché collega il carico, le dimensioni della cricca e la resistenza alla sua propagazione. Spiega inoltre perché la sola resistenza meccanica non sia sufficiente a descrivere una struttura fessurata. Un acciaio ad alta resistenza può sopportare una tensione nominale elevata, ma un difetto sufficientemente grande, sottoposto a un forte vincolo, può provocare la frattura prima dello snervamento generalizzato. Al contrario, un acciaio di resistenza inferiore ma con una maggiore resistenza alla propagazione della cricca può tollerare lo stesso difetto in condizioni più sicure.

La resistenza rilevante non è una costante universale della qualità dell’acciaio. La temperatura, la velocità di applicazione del carico, lo spessore, lo stato tensionale, l’orientamento della cricca, la posizione della saldatura e l’evento scelto come criterio di cedimento possono modificare il valore misurato. La lacerazione stabile e la clivazione instabile sono esiti differenti, anche quando si verificano su provini realizzati con la stessa colata di acciaio.

Il campo tensionale all’apice della cricca secondo Irwin

G. R. Irwin trasformò il concetto energetico di Griffith in una descrizione pratica del campo elastico che circonda l’apice di una cricca. Nella meccanica della frattura elastico-lineare, le tensioni in prossimità dell’apice crescono approssimativamente con l’inverso della radice quadrata della distanza $r$ dall’apice:

$${\sigma }_{\mathrm{ij}}\approx \frac{K}{\sqrt{2\pi r}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(\theta \right)$$

Qui, $f_{\mathrm{ij}}\left(\theta \right)$ descrive la distribuzione angolare della tensione, mentre $K$ ne determina l’ampiezza. Nella realtà di un acciaio, la singolarità matematica non prosegue fino a tensioni infinite: all’apice si forma una zona plastica, per quanto piccola. LEFM rimane utile quando tale zona è piccola rispetto alle dimensioni del provino, alle dimensioni della cricca e al legamento residuo, cosicché il campo circostante sia prevalentemente elastico.

Il Modo I è il caso principale nelle valutazioni della frattura degli acciai. Esso apre le facce della cricca applicando un carico di trazione normale al piano della cricca. Il Modo II produce uno scorrimento nel piano, mentre il Modo III produce una lacerazione antiplanare; le strutture reali possono essere soggette a carichi di modo misto, ma molte procedure di progettazione e di prova iniziano dal Modo I, poiché spesso è questo a governare la frattura a trazione.

Irwin collegò inoltre il campo all’apice della cricca al rilascio di energia. Per un materiale elastico-lineare,

$$G=\frac{K^2}{E\prime }$$

dove $E\prime =E$ in condizioni di tensione piana ed $E\prime =E/(1-{\nu }^2)$ in condizioni di deformazione piana. Questa relazione mostra perché un valore critico dell’intensità delle tensioni possa rappresentare la resistenza alla frattura solo quando le ipotesi elastiche e le condizioni di vincolo sono appropriate. ASTM E399-24 determina $K_{\mathrm{IC}}$ in condizioni prevalentemente elastico-lineari e di deformazione piana, utilizzando provini metallici pre-intagliati a fatica. I requisiti relativi alle dimensioni e alla validità hanno lo scopo di mantenere sufficientemente ridotta la plasticità all’apice della cricca, affinché $K_{\mathrm{IC}}$ costituisca un valore significativo della tenacità alla frattura in deformazione piana.

Quando la plasticità non è trascurabile, il solo $K$ può non descrivere la condizione all’apice della cricca. ISO 12135:2021 include $K$, lo spostamento di apertura all’apice della cricca $\delta$, $J$ e le curve di resistenza per le prove quasi-statiche su provini metallici omogenei. Anche ASTM E1820 utilizza $K$, $J$ e CTOD, come valori puntuali oppure come curve che mostrano la resistenza durante l’estensione stabile della cricca. Queste grandezze sono correlate attraverso la meccanica della frattura, ma $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$, CTOD e una curva R non sono denominazioni intercambiabili.

Intensità delle tensioni, geometria e dimensioni della cricca

NASA-HDBK-5010, Volume 2, fornisce il fattore d’intensità delle tensioni in Modo I per una piastra con cricca centrale:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

dove $\sigma$ è la tensione nominale applicata, $a$ è la dimensione della cricca utilizzata secondo la convenzione geometrica indicata e $\beta$ è un fattore di correzione geometrica. Per una cricca passante centrale, $a$ indica comunemente la metà della lunghezza della cricca; altre configurazioni definiscono diversamente la dimensione della cricca. L’equazione rende diretto il rapporto: raddoppiando la tensione, $K$ raddoppia, mentre quadruplicando la dimensione della cricca, $K$ raddoppia.

$\beta$ non è una costante del materiale e non descrive la qualità, la durezza o la tenacità dell’acciaio. Tiene conto della larghezza finita, degli effetti di bordo, della forma della cricca, della configurazione del provino e della disposizione del carico. Un provino compatto di trazione, un provino a flessione con intaglio laterale e una piastra larga contenente una cricca centrale possono avere lo stesso acciaio, la stessa tensione e la stessa lunghezza nominale della cricca, ma produrre fattori d’intensità delle tensioni differenti perché differiscono le rispettive correzioni geometriche. Il manuale AFGROW sulla tolleranza al danno descrive lo stesso principio: la risposta elastica all’apice della cricca dipende dal carico, dalla geometria e dalle dimensioni della cricca.

Per i carichi ciclici, NASA individua $\Delta K$, cioè l’intervallo dell’intensità delle tensioni durante un ciclo di carico, come parametro determinante nella propagazione per fatica delle cricche secondo il modello LEFM applicabile. La frattura può quindi verificarsi dopo che una cricca si è propagata sotto carichi ripetuti, anche se la tensione iniziale era inferiore al livello finale di frattura statica.

La condizione $K=K_{\mathrm{IC}}$ è significativa solo quando il provino e il carico soddisfano i requisiti della norma pertinente. Il manuale FHWA sui ponti in acciaio descrive le combinazioni di dimensione della cricca e tensione inferiori a $K=K_{\mathrm{IC}}$ come stabili nell’ambito di quel modello, non come universalmente sicure. Le sezioni spesse e gli acciai ad alta resistenza possono sviluppare un vincolo maggiore all’apice della cricca, riducendo la capacità della plasticità di smussare la cricca. Il metallo di saldatura, i bordi di fusione e le zone termicamente alterate richiedono un’attenzione distinta; ISO 15653:2018 tratta la tenacità alla frattura delle saldature utilizzando $K$, CTOD $\delta$ e l’equivalente sperimentale dell’integrale $J$. Il valore riportato deve quindi essere interpretato insieme al metodo, alla geometria del provino, alla posizione della cricca, alla temperatura, alla velocità di applicazione del carico e ai limiti di validità.

Quando KIC e LEFM sono validi per l’acciaio

ASTM E399-24 e tenacità in condizioni di deformazione piana

ASTM E399-24 definisce una procedura specifica per misurare la tenacità alla frattura in condizioni di deformazione piana, $K_{\mathrm{IC}}$, nei materiali metallici. La norma utilizza provini prefessurati a fatica, sottoposti prevalentemente a carico in Modo I, in condizioni nelle quali la risposta rimane principalmente elastica lineare. Il risultato non rappresenta semplicemente “la tenacità dell’acciaio”. È un parametro del materiale qualificato solo quando il provino, la cricca, la temperatura, la velocità di applicazione del carico e i requisiti di validità sono compatibili con il modello di deformazione piana.

La distinzione è importante perché $K_{\mathrm{IC}}$ descrive l’intensità delle tensioni in corrispondenza dell’estensione instabile della cricca, in condizioni di elevato confinamento all’apice della cricca. Non misura il carico di snervamento, la durezza, la duttilità o la resistenza a fatica. Un acciaio può avere un’elevata resistenza a trazione e mostrare comunque una scarsa resistenza alla propagazione delle cricche a bassa temperatura. Al contrario, un acciaio di resistenza moderata può tollerare una cricca più grande se la sua microstruttura e le condizioni di prova determinano una maggiore resistenza alla frattura.

La base teorica è il criterio energetico di A. A. Griffith: una cricca si estende quando l’energia elastica liberata da un piccolo incremento della propagazione è sufficiente a creare le nuove superfici di frattura. G. R. Irwin ha espresso il campo elastico delle tensioni in prossimità dell’apice della cricca attraverso il fattore di intensità delle tensioni, $K$. Per una piastra con cricca centrale, NASA-HDBK-5010, Volume 2, riporta la relazione per il Modo I come

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a},$$

dove $\beta$ tiene conto della geometria, $\sigma$ è la tensione applicata e $a$ è la dimensione della cricca utilizzata dalla convenzione selezionata. L’equazione mostra perché un valore di tenacità non può essere separato dalla dimensione della cricca, dalla tensione e dalla geometria. Anche AFGROW considera la risposta all’apice della cricca in regime elastico come una funzione del carico, della geometria e delle dimensioni della cricca.

Un risultato valido di $K_{\mathrm{IC}}$ è quindi un parametro limite di frattura, non una costante universale associata a una specifica qualità di acciaio. Il risultato si applica a una condizione definita di Modo I e di deformazione piana. Non deve essere sostituito direttamente da $J_{\mathrm{IC}}$, CTOD o da un valore di curva R. ASTM E1820 consente di valutare la tenacità in Modo I attraverso $K$, $J$ e CTOD, inclusi valori puntuali e curve di resistenza, mentre ISO 12135:2021 riguarda i metodi quasi-statici che utilizzano $K$, lo spostamento di apertura all’apice della cricca $\delta$, $J$ e le curve di resistenza. Tali metodi riguardano situazioni nelle quali il comportamento elastoplastico all’apice della cricca è significativo.

Snervamento su piccola scala e limiti della zona plastica

La LEFM presuppone che la maggior parte del provino rimanga elastica e che l’eventuale plasticità sia confinata in una piccola regione immediatamente davanti alla cricca. Questa regione, comunemente denominata zona plastica all’apice della cricca, deve essere piccola rispetto allo spessore del provino, al legamento residuo, alla lunghezza della cricca e alle altre dimensioni che controllano la prova. Se diventa troppo estesa, il carico misurato non rappresenta più un campo all’apice della cricca prevalentemente elastico. Il risultato può comunque descrivere la geometria sottoposta a prova, ma non costituisce un $K_{\mathrm{IC}}$ qualificato in condizioni di deformazione piana.

La ragione fisica è chiara. La deformazione plastica arrotonda l’apice della cricca, ridistribuisce le tensioni e rilassa il campo elastico singolare previsto dalla soluzione di Irwin. In condizioni di snervamento su piccola scala, la regione alterata è sufficientemente limitata perché $K$ caratterizzi ancora il campo circostante. Quando la zona plastica occupa una parte significativa del legamento o dello spessore, un singolo parametro elastico non è in grado di descrivere accuratamente lo stato all’apice della cricca.

Un aumento della tensione applicata accresce la zona plastica. Lo stesso accade con una diminuzione del carico di snervamento. Inoltre, un provino sottile consente una maggiore deformazione attraverso lo spessore e un maggiore rilassamento plastico rispetto a un provino spesso. Questi effetti possono produrre un carico di frattura apparentemente più elevato, anche se il risultato riflette una riduzione del confinamento e non una maggiore resistenza intrinseca all’estensione della cricca. Definire tale risultato $K_{\mathrm{IC}}$ senza soddisfare i requisiti di validità della norma significa attribuire alla prova una portata probatoria eccessiva.

Quando il comportamento elastoplastico controlla l’evento, $J$, CTOD o una curva di resistenza sono generalmente più informativi. ASTM E1290 si concentra sui valori critici di CTOD in corrispondenza di specifici eventi di estensione della cricca ed è particolarmente utile per gli acciai che mostrano una transizione duttile-fragile al diminuire della temperatura. ISO 15653:2018 si applica a metodi correlati per la determinazione della tenacità alla frattura nei giunti saldati, comprese le cricche di fatica situate nel metallo di saldatura e nelle zone termicamente alterate. Tale posizione può essere importante quanto la designazione nominale della lamiera.

Confinamento, spessore e validità del provino

VincoloVincolo Grado con cui il materiale circostante limita la deformazione plastica alla punta della cricca; un vincolo maggiore generalmente favorisce uno stato tensionale triassiale e può ridurre la tolleranza apparente alla frattura.

Il confinamento descrive quanto il materiale circostante impedisca il flusso plastico all’apice della cricca. La deformazione piana, generalmente favorita da un maggiore spessore e da un legamento residuo sufficientemente grande, impone un vincolo maggiore rispetto alla tensione piana. Un maggiore confinamento limita il rilassamento plastico e può ridurre la tolleranza apparente alla frattura misurata durante la prova. Lo stesso acciaio può quindi produrre valori di tenacità diversi in sezioni sottili e spesse, oppure in provini con differenti orientamenti della cricca e dimensioni del legamento.

Lo spessore non è un dettaglio secondario della prova. Esso modifica lo stato di tensione attraverso la sezione e influisce sulla possibilità che l’apice della cricca sperimenti il confinamento triassiale necessario per un’interpretazione in condizioni di deformazione piana. Anche la geometria del provino è importante: i provini a trazione compatta e quelli a flessione con intaglio laterale singolo possono generare diverse combinazioni di lunghezza della cricca, legamento, flessione e confinamento. Un risultato ottenuto con una geometria non deve essere trasferito a un dettaglio strutturale senza verificare le corrispondenti condizioni all’apice della cricca.

Le linee guida FHWA per i ponti in acciaio esprimono direttamente l’implicazione progettuale: le combinazioni di dimensione della cricca e tensione inferiori a $K=K_{\mathrm{IC}}$ sono stabili nell’ambito del modello di meccanica della frattura applicabile, mentre gli acciai di maggiore resistenza e di maggiore spessore possono richiedere una tenacità più elevata, poiché la tensione e il confinamento all’apice della cricca aumentano il rischio di frattura. Esse non stabiliscono un unico limite numerico specifico per ogni qualità di acciaio applicabile a qualsiasi dettaglio di ponte. Gli ingegneri devono valutare l’effettiva dimensione del difetto, l’intervallo di tensione, la geometria, lo spessore, la resistenza dell’acciaio, la temperatura e le ipotesi relative all’ispezione.

Un valore riportato dovrebbe quindi essere qualificato in base al suo stato. Un $K_{\mathrm{IC}}$ qualificato soddisfa i pertinenti requisiti relativi alla deformazione piana e alla validità del provino. Un valore condizionale, spesso identificato come $K_Q$, è un risultato di frattura misurato che non ha dimostrato il soddisfacimento di tali requisiti. Un valore elastoplastico dipendente dalla geometria può essere utile per quel provino e quella configurazione di carico, ma non è intercambiabile con $K_{\mathrm{IC}}$. La temperatura, la velocità di applicazione del carico, l’orientamento della cricca, la posizione della saldatura e la propagazione stabile della cricca possono modificare il risultato determinante prima che si verifichi la frattura instabile. Per questo motivo, il comportamento all’apice della cricca deve essere correlato al parametro e al modello di validità utilizzati nella progettazione.

Tenacità elasto-plastica: J, CTOD e curve R

La meccanica della frattura lineare-elastica (LEFM) è applicabile quando la zona plastica all’apice della cricca è piccola rispetto al provino e al legamento residuo. In queste condizioni, il fattore d’intensità degli sforzi $K$ descrive l’intensità del campo elastico all’apice della cricca, mentre $K_{\mathrm{IC}}$ può rappresentare la tenacità alla frattura in deformazione piana. ASTM E399-24 determina $K_{\mathrm{IC}}$ utilizzando provini metallici precriccati a fatica, in condizioni prevalentemente lineari-elastiche e di deformazione piana. I requisiti di validità non sono dettagli amministrativi: se la plasticità si estende attraverso una porzione eccessiva del legamento, il valore di $K_{\mathrm{IC}}$ riportato non costituisce un limite valido del materiale in deformazione piana.

Quando l’acciaio snerva intorno a una cricca, il campo all’apice diventa non uniforme e il carico applicato non è più rappresentato adeguatamente dal solo $K$. La deformazione plastica assorbe energia, modifica il vincolo all’apice della cricca e può produrre uno strappamento stabile prima della frattura instabile. La discussione del 2008 del NIST sulla frattura dell’acciaio descrive le prove elasto-plastiche come un metodo per tenere conto di queste complesse distribuzioni di tensione-deformazione e migliorare le previsioni della propagazione instabile delle cricche. Il risultato rilevante può quindi essere un valore di J, un valore di CTOD o un’intera curva di resistenza, anziché un singolo $K_{\mathrm{IC}}$.

ASTM E1820 e resistenza basata su J

L’integrale J è un parametro elasto-plastico di intensità della sollecitazione applicata alla cricca. In termini fisici, rappresenta l’energia disponibile per l’estensione della cricca per unità di nuova area di frattura, con dimensioni di energia per unità di area, comunemente ${\text{kJ/m}}^2$ o $\text{N/mm}$. Per una cricca sufficientemente vincolata, in condizioni tali che il campo J caratterizzi la deformazione nelle vicinanze dell’apice, J può descrivere l’intensità sia del carico elastico sia di quello plastico all’apice della cricca. Non è semplicemente un altro nome per $K$.

Nel caso limite lineare-elastico, una relazione del tipo

$$J=\frac{K^2}{E\prime }$$

collega i due parametri, dove $E\prime =E$ per la tensione piana ed $E\prime =E/(1-{\nu }^2)$ per la deformazione piana. Questa equazione non rende J e K intercambiabili in generale. Si applica al contributo elastico in presenza di ipotesi definite; il lavoro plastico, la geometria del provino, l’estensione della cricca e il vincolo possono far sì che le grandezze misurate si comportino in modo diverso.

ASTM E1820 fornisce procedure in Modo I utilizzando K, J e CTOD, riportati come valori puntuali oppure come curve di resistenza. Sono comuni le configurazioni con provino compatto a trazione, o C(T), e con provino a flessione con cricca laterale singola, o SE(B). Una prova inizia con un provino precriccato a fatica, dopodiché si registrano il carico e lo spostamento durante la sollecitazione della cricca. Le variazioni di cedevolezza, le procedure di scarico o le misurazioni post-prova possono essere utilizzate per stimare l’estensione della cricca e separare i contributi elastici da quelli plastici a J.

Un valore come $J_{\mathrm{IC}}$ è pertanto condizionato. Dipende dalle definizioni dello standard relative all’innesco, alle dimensioni del provino, alla preparazione della cricca, alla riduzione dei dati e alla validità. Un provino di piccole dimensioni può produrre un risultato utile per uno screening, ma non soddisfare i requisiti di dimensione o di vincolo necessari per ottenere una tenacità d’innesco trasferibile. La stessa cautela si applica alle saldature: ISO 15653:2018 tratta le cricche situate nel metallo saldato e nelle zone termicamente alterate e utilizza K, CTOD $\delta$ e l’equivalente sperimentale dell’integrale J. I valori relativi al metallo base non possono sostituire automaticamente quelli relativi a tali zone.

CTOD come spostamento all’apice della cricca

CTOD, indicato con $\delta$, misura lo spostamento di apertura all’apice della cricca. Anziché esprimere la severità della cricca come flusso di energia o ampiezza del campo elastico delle tensioni, descrive quanto si separano le due superfici della cricca in prossimità dell’apice originario. In un acciaio soggetto a snervamento, tale apertura comprende gli effetti dell’arrotondamento dell’apice della cricca e della deformazione plastica. Si raggiunge un CTOD critico quando si verifica uno specifico evento di frattura o di estensione della cricca.

Ciò rende CTOD particolarmente utile quando la plasticità è significativa e quando una descrizione basata sullo spostamento corrisponde strettamente allo strappamento osservato. ASTM E1290 si concentra sui valori critici di CTOD in corrispondenza di specifici eventi di estensione della cricca ed è particolarmente rilevante per gli acciai che, al diminuire della temperatura, attraversano una transizione duttile-fragile. Una prova a bassa temperatura può mostrare uno strappamento stabile minimo prima della clivatura, mentre una prova a temperatura più elevata può mostrare un arrotondamento dell’apice seguito da un’estensione duttile. L’evento selezionato è importante.

CTOD e J sono correlati attraverso modelli di meccanica della frattura e procedure di conversione specifiche degli standard, ma misurano grandezze diverse. Un valore di CTOD non è automaticamente convertibile in $J_{\mathrm{IC}}$ senza ipotesi relative al campo all’apice della cricca, al carico di snervamento, alla geometria e al regime di deformazione. Né CTOD è equivalente a $K_{\mathrm{IC}}$. ISO 12135:2021 colloca K, CTOD $\delta$, J e le curve di resistenza all’interno di un unico quadro quasi-statico per provini metallici omogenei, ma tale quadro comune non elimina le loro definizioni distinte.

Curve di resistenza rispetto ai valori puntuali

Una curva R registra la resistenza alla frattura man mano che procede l’estensione della cricca. La variabile orizzontale è solitamente la crescita stabile della cricca, $\Delta a$; quella verticale può essere J, CTOD o un altro parametro di frattura ammesso. La curva può crescere perché la cricca si arrotonda, si deforma plasticamente e richiede quindi una forza motrice crescente per continuare lo strappamento. La sua pendenza contiene informazioni che un singolo valore d’innesco non può fornire.

Questa distinzione è importante negli acciai strutturali duttili. Un valore puntuale può identificare l’inizio di un’estensione significativa della cricca, mentre la curva R mostra se il provino può sopportare ulteriore strappamento stabile prima che la forza motrice applicata raggiunga la curva. L’intersezione tra la forza motrice applicata di J o CTOD e la curva di resistenza crescente può indicare una crescita stabile; una successiva perdita di separazione tra la forza motrice e la resistenza può indicare una frattura instabile. Il risultato dipende dalla geometria e dal vincolo e, pertanto, non costituisce una costante universale del grado di acciaio.

La temperatura, la velocità di applicazione del carico, lo spessore, la posizione della saldatura, l’orientamento della cricca e la geometria del provino influenzano tutti la curva. Un risultato ottenuto con C(T) e uno ottenuto con SE(B) possono differire anche se i provini sono stati ricavati dalla stessa colata di acciaio. Una “tenacità” riportata senza indicare il relativo parametro, la definizione dell’estensione della cricca, la temperatura di prova, la velocità di applicazione del carico e i limiti di validità è incompleta. ASTM E1820, ISO 12135:2021 e ISO 15653:2018 forniscono procedure, ma non autorizzano a trattare i dati di J, CTOD, K e delle curve R come intercambiabili.

Temperatura, transizione duttile-fragile e plasticità all’apice della cricca

Comportamento alla frattura dipendente dalla temperatura

La temperatura può spostare il comportamento alla frattura dell’acciaio tra lacerazione duttile e clivaggio fragile. Strong evidence

L’acciaio non presenta un’unica tenacità alla frattura fissa in tutte le condizioni di esercizio. La temperatura modifica l’equilibrio tra la deformazione plastica all’apice della cricca e il clivaggio. Al diminuire della temperatura, il movimento delle dislocazioni diventa più difficile in molti acciai ferritici e basso-legati. Un apice della cricca che in precedenza avrebbe potuto smussarsi mediante scorrimento plastico può invece raggiungere una tensione critica per il clivaggio rapido. Il risultato può essere una transizione netta, in un intervallo di temperatura relativamente ristretto, dalla lacerazione duttile stabile alla frattura fragile instabile.

Questo comportamento è comunemente descritto come transizione duttile-fragile (DBT). È particolarmente importante per gli acciai ferritici a struttura cubica a corpo centrato, compresi molti gradi utilizzati nei ponti, nelle apparecchiature in pressione, nelle tubazioni e nelle strutture saldate. Gli acciai inossidabili austenitici generalmente non mostrano la stessa transizione marcata durante il normale esercizio, poiché la loro struttura cubica a facce centrate conserva una maggiore duttilità alle basse temperature; tuttavia, anche lo stato della lega, la storia termica di saldatura, la velocità di carico e l’ambiente influenzano la risposta alla frattura.

Un valore di tenacità misurato a temperatura ambiente non può quindi essere trasferito automaticamente a una struttura operante sotto zero. Occorre considerare anche la forza motrice della cricca. NASA-HDBK-5010, Volume 2, esprime il fattore d’intensità delle tensioni in Modo I per una piastra con cricca centrale come:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

dove $a$ è la dimensione della cricca, $\sigma$ è la tensione applicata e $\beta$ è un fattore di correzione geometrica. La temperatura non compare esplicitamente in questa equazione, ma modifica la resistenza del materiale rispetto alla quale viene confrontato $K$. Una struttura può essere soggetta alla stessa tensione nominale e alla stessa dimensione della cricca a due temperature diverse, pur presentando margini molto differenti nei confronti della frattura.

L’effetto della temperatura dipende anche dalla velocità di applicazione del carico. Un carico applicato più rapidamente lascia meno tempo per l’accomodamento plastico e può spostare il comportamento apparente di transizione verso temperature più elevate. Un effetto analogo è prodotto dal vincolo. Sezioni spesse, cricche profonde, fronti di cricca affilati e dettagli saldati fortemente vincolati limitano la deformazione all’apice della cricca, rendendo il clivaggio più probabile di quanto suggerirebbe una prova eseguita su un provino sottile con una cricca poco profonda.

CTOD critico e acciai sensibili alla transizione

Lo spostamento di apertura all’apice della cricca, o CTOD $\delta$, descrive lo spostamento di apertura associato alla deformazione in prossimità dell’apice di una cricca. Il CTOD critico non è una designazione generale del grado di acciaio. È un valore misurato e associato a uno specifico evento di frattura, a una determinata geometria di prova, temperatura, velocità di carico e posizione della cricca.

ASTM E1290 tratta il CTOD critico in corrispondenza di specifici eventi di estensione della cricca ed è particolarmente pertinente per i materiali metallici soggetti a transizione duttile-fragile al diminuire della temperatura. L’evento può consistere nell’inizio della lacerazione stabile, in una determinata estensione della cricca o nella frattura instabile, a seconda della procedura e dell’interpretazione. Un valore ${\delta }_c$ riportato deve quindi essere accompagnato dalla definizione dell’evento; i valori associati a eventi diversi non devono essere considerati intercambiabili.

A temperature più elevate, un acciaio ferritico può mostrare un significativo smussamento dell’apice della cricca, seguito da una lacerazione duttile stabile. Il CTOD può quindi essere interpretato insieme a una curva di resistenza, che registra l’aumento della resistenza alla frattura con l’estensione della cricca. A temperature più basse, lo stesso acciaio può presentare una scarsa estensione stabile prima del clivaggio. Il CTOD pertinente può diminuire bruscamente e un singolo valore puntuale può nascondere il passaggio da un comportamento controllato dalla lacerazione a un cedimento controllato dal clivaggio.

ASTM E1820 consente la valutazione in Modo I mediante $K$, $J$ e CTOD, sia come valori puntuali sia come curve di resistenza. Anche ISO 12135:2021 specifica metodi quasi-statici che utilizzano l’intensità delle tensioni, il CTOD $\delta$, l’integrale $J$ e le curve di resistenza per provini metallici omogenei, precriccati a fatica. Questi parametri descrivono fenomeni correlati all’apice della cricca, ma non sono numericamente intercambiabili. $K$ è adatto a campi prevalentemente elastici; $J$ e CTOD sono più utili quando si sviluppa una plasticità apprezzabile.

La distinzione diventa essenziale negli acciai saldati. ISO 15653:2018 tratta le prove di tenacità alla frattura delle saldature con cricche di fatica posizionate nel metallo di saldatura o nelle zone termicamente alterate e utilizza $K$, il CTOD $\delta$ e l’equivalente sperimentale dell’integrale $J$. Una saldatura può contenere materiale della zona termicamente alterata a grana grossolana, inclusioni, tensioni residue, gradienti di durezza e zone fragili locali. Il relativo risultato CTOD può quindi differire notevolmente da quello della lamiera di base, anche quando entrambi hanno la stessa designazione nominale dell’acciaio.

Frattura elastoplastica e dinamica

La meccanica della frattura lineare-elastica è applicabile quando la zona plastica all’apice della cricca rimane piccola rispetto alle dimensioni del provino e alla geometria significativa della cricca. ASTM E399-24 si basa su questo principio per determinare $K_{\mathrm{IC}}$ in condizioni prevalentemente lineari-elastiche e di deformazione piana, utilizzando provini metallici precriccati a fatica. I requisiti di validità sono importanti. Un valore che non li soddisfa non è un $K_{\mathrm{IC}}$ valido in deformazione piana, anche se la prova ha prodotto una superficie di frattura dall’aspetto regolare.

Quando la plasticità è significativa, il campo all’apice della cricca non è rappresentato adeguatamente da un unico valore elastico del fattore d’intensità delle tensioni. L’integrale $J$, il CTOD e le curve di resistenza possono descrivere la deformazione elastoplastica e la crescita stabile della cricca, ma la loro interpretazione dipende comunque dal vincolo e dalle dimensioni del provino. Lo snervamento non uniforme produce gradienti attraverso lo spessore e lungo il fronte della cricca. La deformazione locale può concentrarsi in una regione mentre altre regioni rimangono prevalentemente elastiche.

L’analisi di NIST del 2008 sulla frattura dinamica negli acciai spiega perché siano necessarie prove di tenacità alla frattura elastoplastica quando la plasticità non uniforme all’apice della cricca e distribuzioni complesse di tensione-deformazione influenzano la propagazione instabile della cricca. In condizioni d’impatto o di aumento rapido del carico, la risposta all’apice della cricca può differire da quella osservata in una prova quasi-statica, poiché il flusso plastico, la propagazione delle onde, l’inerzia e la velocità della cricca interagiscono. I dati di tenacità statica possono quindi sovrastimare o sottostimare la resistenza disponibile durante l’evento reale.

Ogni risultato significativo di tenacità dovrebbe pertanto indicare il parametro e la norma, la temperatura, la velocità di carico, la geometria del provino, lo spessore e il vincolo, l’orientamento e la posizione della cricca, lo stato della saldatura ove applicabile e i limiti di validità. In assenza di questi dettagli, parlare della “tenacità dell’acciaio” costituisce un’affermazione incompleta.

Saldature, zone termicamente alterate e comportamento locale all’apice della cricca

Un componente in acciaio saldato non possiede un unico valore di tenacità automaticamente trasferibile. La lamiera di base, il metallo di saldatura, il confine di fusione e la zona termicamente alterata (HAZ) possono presentare composizioni, strutture dei grani, tensioni residue e vincoli all’apice della cricca differenti. Un risultato di tenacità ottenuto sulla lamiera non può quindi qualificare il giunto, a meno che la posizione della cricca, la procedura di saldatura, la storia termica e le condizioni di prova non siano dimostrate rappresentative.

ISO 15653:2018 per la tenacità alla frattura delle saldature

La norma ISO 15653:2018 specifica le prove di tenacità alla frattura per componenti metallici saldati utilizzando il fattore d’intensità delle tensioni $K$, l’apertura all’apice della cricca $\delta$ (CTOD) e un equivalente dell’integrale J determinato sperimentalmente. Questi parametri descrivono aspetti diversi del comportamento all’apice della cricca. $K$ è più appropriato quando la deformazione rimane sufficientemente elastica e si applica il regime di plasticità su piccola scala. Il CTOD descrive lo spostamento di apertura associato alla deformazione elastoplastica all’apice della cricca. J rappresenta l’energia disponibile per l’estensione della cricca ed è utile quando la plasticità è troppo estesa per una valida interpretazione lineare-elastica.

La norma non è semplicemente una tabella di valori di tenacità per diversi gradi di saldatura. Essa fornisce metodi per preparare e sottoporre a prova provini le cui cricche di fatica sono deliberatamente posizionate in specifiche regioni della saldatura. Tale posizionamento fa parte del risultato. Un provino sottoposto a prova con la cricca nel metallo di saldatura depositato risponde a una domanda diversa rispetto a un provino con la cricca che segue la HAZ o che attraversa il confine di fusione.

Questa distinzione è importante perché un valore di CTOD o J dichiarato è significativo solo se accompagnato dalla temperatura di prova, dalla velocità di applicazione del carico, dalla geometria del provino, dall’orientamento della cricca, dalla sua posizione e dalla valutazione della validità. Un risultato ottenuto su una saldatura mediante una determinata procedura non può essere automaticamente assegnato a ogni giunto realizzato con la stessa designazione nominale dell’acciaio. L’apporto termico, la temperatura tra le passate, le condizioni di protezione, i consumabili, la sequenza delle passate, il vincolo, il trattamento termico post-saldatura e le saldature di riparazione possono modificare il comportamento locale all’apice della cricca.

La norma ISO 15653:2018 dovrebbe pertanto essere letta insieme alle norme generali sulla frattura utilizzate per i metalli omogenei. La norma ISO 12135:2021 tratta i metodi quasi-statici basati su $K$, $\delta$, J e sulle curve di resistenza, mentre la norma ASTM E1820 valuta il comportamento in Modo I attraverso $K$, J e CTOD, includendo sia valori puntuali sia curve di resistenza alla propagazione della cricca. Tali metodi non rendono intercambiabili $K$, J e CTOD. Un CTOD critico a uno specifico evento di estensione della cricca non è la stessa proprietà di $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ o di una curva R.

Metallo di saldatura e zona termicamente alterata

Il metallo di saldatura solidifica a partire dal bagno fuso e può contenere grani colonnari, bande di segregazione, inclusioni e regioni ririscaldate prodotte dalle passate successive. La sua tenacità dipende dalla composizione depositata e dal ciclo termico di saldatura, non soltanto dalla designazione nominale della lamiera di base. Il controllo dell’idrogeno, la velocità di raffreddamento, la diluizione e la composizione chimica del consumabile possono influire sulla microstruttura risultante e sulla probabilità di clivaggio o di lacerazione duttile.

Zona termicamente alterata (ZTA)Zona termicamente alterata (ZTA) Regione del metallo base adiacente a una saldatura, la cui microstruttura e le cui proprietà sono state modificate dal calore di saldatura senza che il metallo fondesse.

Anche la HAZ non è un materiale unico. Procedendo verso l’esterno dal confine di fusione, può comprendere regioni a grano grosso, a grano fine, intercritiche e subcritiche. La HAZ a grano grosso può presentare una tenacità ridotta quando le temperature di picco favoriscono la crescita dei grani e il successivo raffreddamento produce una struttura di trasformazione meno favorevole. Una regione a grano fine può rispondere diversamente, mentre una zona intercritica può contenere aree trasformate e non trasformate. Il minimo locale può trovarsi in una banda stretta che una cricca di fatica posizionata in modo ampio non riesce a campionare.

Il posizionamento della cricca di fatica è quindi determinante. Una cricca centrata nel metallo di saldatura misura principalmente il metallo depositato e i suoi difetti locali. Una cricca posizionata nella HAZ misura una specifica sottoregione termica, purché la precricca di fatica rimanga nella posizione prevista. Una cricca orientata lungo il confine di fusione sonda un’interfaccia caratterizzata da variazioni brusche di composizione, orientamento dei grani, durezza e comportamento deformativo. Piccole deviazioni nell’allineamento dell’intaglio possono spostare la cricca in una regione diversa e modificare la tenacità apparente.

Il risultato può inoltre dipendere dal fatto che la prova registri l’innesco della frattura o una propagazione stabile della cricca. Una regione della saldatura può opporsi al clivaggio iniziale, ma mostrare una rapida lacerazione duttile dopo l’inizio dell’estensione; un’altra può sostenere una propagazione stabile, ma rompersi a un basso valore di innesco. I dati delle curve di resistenza possono evidenziare questa differenza più chiaramente rispetto a un singolo punto critico.

Microstruttura, tensioni residue e posizionamento della cricca

Le tensioni residue di saldatura modificano lo stato tensionale iniziale in corrispondenza della cricca. Una tensione residua di trazione può aumentare il carico efficace di apertura in corrispondenza di un difetto, anche quando la tensione nominale applicata esternamente è modesta. Può inoltre modificare la propagazione della precricca di fatica e interagire con il vincolo imposto da una lamiera spessa, da una riparazione rigida o da una saldatura vicina. L’alleggerimento delle tensioni, la ridistribuzione durante l’esercizio e lo snervamento locale complicano l’interpretazione, ma non giustificano l’ignorare le tensioni residue durante la valutazione.

Il vincolo locale è altrettanto importante. Lo stesso acciaio nominale può mostrare un comportamento diverso all’apice della cricca in un provino sottile, in un giunto spesso vincolato e in un dettaglio strutturale altamente triassiale. In termini lineari-elastici, NASA-HDBK-5010, Volume 2, fornisce $K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$ per una piastra con cricca centrale, dove $\beta$ rappresenta la geometria. Una saldatura modifica più della sola geometria: il modulo elastico, il comportamento allo snervamento, la tensione termica e la forma del fronte di cricca possono variare lungo il provino.

Le inclusioni e i difetti di mancata fusione possono agire come concentratori locali di tensione o innescare microvuoti davanti alla cricca principale. In corrispondenza del confine di fusione, le variazioni cristallografiche e la deformazione non compatibile possono intensificare il vincolo locale. Questi effetti possono produrre percorsi di frattura che si allontanano dalla regione prevista, in particolare quando la cricca incontra una zona adiacente più tenace o più debole.

Un’interpretazione difendibile della tenacità di una saldatura identifica pertanto la procedura di saldatura, la posizione della saldatura, l’orientamento della cricca, la temperatura, il modo di applicazione del carico, le dimensioni del provino e l’evento di cedimento. In assenza di tali informazioni, un risultato numerico descrive una singola configurazione locale sottoposta a prova, non ogni saldatura realizzata con quell’acciaio di base.

Crescita delle cricche per fatica e ruolo di ΔK

Dal carico ciclico alla frattura critica

Una struttura in acciaio può tollerare una cricca per molte migliaia o milioni di cicli di carico senza subire una frattura immediata. Ciò non significa che la cricca sia innocua. Ogni ciclo di carico a trazione può estendere la cricca di una piccola quantità, riducendo gradualmente il legamento residuo e aumentando l’intensità degli sforzi all’apice della cricca. La crescita delle cricche per fatica è quindi un processo subcritico; la frattura finale è un evento distinto, governato dalla condizione all’apice della cricca al massimo carico applicato.

La distinzione segue il quadro teorico stabilito da A. A. Griffith e sviluppato da G. R. Irwin. Il criterio energetico di Griffith descrive quando l’estensione della cricca diventa energeticamente favorevole, mentre la formulazione di Irwin basata sull’intensità degli sforzi mette in relazione il carico applicato, la geometria della cricca e il campo di sforzi all’apice della cricca. Per una piastra con cricca centrale, NASA-HDBK-5010, Volume 2, fornisce la relazione per il Modo I

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

dove $K$ è il fattore di intensità degli sforzi, $\beta$ è un fattore di correzione geometrica, $\sigma$ è lo sforzo nominale applicato e $a$ è la dimensione della cricca utilizzata dal modello. Lo stesso sforzo nominale produce condizioni diverse all’apice della cricca quando cambiano la forma e la posizione della cricca, le superfici libere, lo spessore o la geometria strutturale.

Durante il carico ciclico, la cricca può crescere mentre il valore massimo di $K$ rimane al di sotto del limite applicabile di tenacità alla frattura. Quando la cricca diventa sufficientemente grande, oppure lo sforzo applicato aumenta a sufficienza, la condizione al massimo carico può raggiungere un valore critico come $K_{\mathrm{IC}}$, un CTOD critico o un criterio di frattura basato su J. Può quindi verificarsi una propagazione instabile. Una struttura può pertanto sopravvivere a carichi di servizio ripetuti inferiori al valore critico di $K$, continuando tuttavia ad accumulare estensione della cricca. “Al di sotto di $K_{\mathrm{IC}}$” non equivale a “assenza di danno”.

Questa separazione spiega anche perché la tenacità alla frattura non coincide con la resistenza alla fatica. Un valore elevato di $K_{\mathrm{IC}}$ può ritardare la frattura instabile, ma non specifica di per sé la velocità di estensione della cricca per fatica. Al contrario, una valutazione della crescita della cricca non può sostituire una prova di tenacità. ASTM E399-24 determina $K_{\mathrm{IC}}$ in condizioni prevalentemente lineari-elastiche e di deformazione piana, utilizzando provini metallici precriccati per fatica; la sua validità dipende dalla limitazione della plasticità all’apice della cricca rispetto alle dimensioni del provino.

ΔK come parametro di avanzamento della fatica

Per un ciclo caratterizzato da carichi minimo e massimo, l’intervallo del fattore di intensità degli sforzi in Modo I è

$$\Delta K=K_{\max }-K_{\min }.$$

NASA-HDBK-5010, Volume 2, identifica $\Delta K$ come il parametro di controllo per la crescita ciclica delle cricche nell’ambito del modello applicabile di frattura per fatica lineare-elastica. Il valore massimo, $K_{\max }$, svolge una funzione diversa: viene confrontato con il criterio di frattura per valutare il cedimento istantaneo. Utilizzare soltanto $K_{\mathrm{IC}}$ per prevedere la vita a fatica confonde queste due verifiche.

Il calcolo di $\Delta K$ deve utilizzare la geometria della cricca e l’intervallo di carico, non soltanto l’intervallo dello sforzo nominale. Per una piastra con cricca centrale e geometria fissa, l’intervallo può essere espresso come

$$\Delta K=\beta \Delta \sigma \sqrt{\pi a},$$

ma $\beta$ può variare in funzione della lunghezza della cricca, della larghezza finita, della vicinanza a un bordo, della flessione, della presenza di fori, irrigidimenti o dettagli saldati. Una cricca superficiale, una cricca d’angolo, un difetto interno e una cricca passante nello spessore non hanno lo stesso fattore di correzione. Anche il manuale 2024 sulla tolleranza al danno di AFGROW descrive la risposta all’apice della cricca attraverso un fattore di intensità degli sforzi dipendente dal carico, dalla geometria e dalle dimensioni della cricca.

Anche il rapporto di carico è importante. Definendo $R=K_{\min }/K_{\max }$, due cicli con lo stesso $\Delta K$ possono produrre comportamenti di crescita diversi quando i loro sforzi medi differiscono. La chiusura della cricca, gli sforzi residui di trazione, la plasticità all’apice della cricca e gli effetti della sequenza di carico possono modificare la forza motrice efficace. Un ciclo con $R$ negativo o basso può chiudere parzialmente la cricca, mentre un ciclo con $R$ elevato la mantiene aperta per una parte maggiore della storia di carico. La valutazione deve quindi indicare lo spettro di carico e il modello di crescita della cricca, anziché assegnare una singola velocità di crescita universale a un determinato grado di acciaio.

Deve inoltre essere identificato il modo di carico pertinente. L’apertura in Modo I costituisce la base usuale per $\Delta K$, ma componenti di taglio e di lacerazione possono influenzare i piedini delle saldature, i difetti di saldatura, i fori per elementi di fissaggio e i giunti strutturali complessi. Quando la plasticità all’apice della cricca non è piccola rispetto alle dimensioni del provino o della struttura, possono essere più appropriati i metodi basati sull’integrale J, sul CTOD o sulle curve di resistenza. ASTM E1820 e ISO 12135:2021 trattano questi diversi parametri di frattura; i loro valori non sono intercambiabili con $K_{\mathrm{IC}}$.

Intervalli di ispezione e resistenza residua

La tolleranza al danno inizia con l’ipotesi di un difetto iniziale, spesso selezionato sulla base della qualità di fabbricazione, dei dati sui difetti di saldatura, della capacità ispettiva precedente o di una dimensione specificata di rilevabilità critica. La cricca viene quindi fatta avanzare attraverso lo spettro dei carichi di servizio utilizzando un modello appropriato basato su $\Delta K$, con correzioni per il rapporto di carico, la geometria, gli sforzi residui, la temperatura e la posizione della saldatura. Il metallo saldato e le zone termicamente alterate possono richiedere proprietà e posizioni delle cricche distinte; ISO 15653:2018 tratta specificamente la tenacità alla frattura delle saldature mediante $K$, CTOD $\delta$ e l’equivalente sperimentale dell’integrale J.

Gli intervalli di ispezione devono essere correlati all’intervallo previsto tra la dimensione della cricca ipotizzata come rilevabile e la dimensione critica, tenendo conto dell’incertezza del modello e dell’errore di ispezione. A ogni punto di valutazione, la resistenza residua viene verificata utilizzando $K_{\max }$, non $\Delta K$. Il calcolo determina se la dimensione attuale della cricca e il massimo carico di servizio rimangono al di sotto del limite applicabile di tenacità o della curva di resistenza. La temperatura, lo spessore, il vincolo, la velocità di carico e la posizione della cricca possono ridurre il margine, in particolare nelle sezioni spesse o in prossimità della transizione duttile-fragile.

Il risultato è una sequenza collegata: ipotizzare un difetto iniziale, prevedere l’estensione subcritica, eseguire l’ispezione prima che la cricca raggiunga il limite ammissibile e verificare la resistenza residua rispetto a un criterio di tenacità alla frattura. Il cedimento può verificarsi in entrambe le parti della sequenza. Una cricca può crescere oltre il limite tra un’ispezione e l’altra, oppure una cricca precedentemente accettabile può essere soggetta a un carico massimo elevato e fratturarsi immediatamente. Per questo motivo, la vita a fatica e la tenacità alla frattura devono essere riportate e valutate come grandezze separate ma collegate.

Applicazione degli standard e dei dati di tenacità alla progettazione in acciaio

Un risultato di tenacità alla frattura non è una proprietà generale di un grado di acciaio nel senso in cui lo è il carico di snervamento nominale. Esso descrive una cricca definita, un provino, una modalità di carico, una temperatura e un criterio di cedimento specifici. Il risultato deve quindi essere correlato alla cricca e al campo di tensione presenti nel componente. Un valore KIC ottenuto da un provino spesso, con cricca di fatica preliminare, non può essere semplicemente sostituito a un valore CTOD ottenuto da una prova di saldatura o a una curva J-R misurata su un acciaio duttile.

Scelta del metodo di prova

Utilizzare ASTM E399-24 quando la questione progettuale riguarda un fattore critico d’intensificazione delle tensioni, KIC, valido in condizioni di deformazione piana e di comportamento lineare-elastico. Il metodo utilizza provini metallici con cricca di fatica preliminare ed è applicabile soltanto quando la zona plastica in punta di cricca rimane piccola rispetto alle dimensioni del provino. I requisiti di validità non sono dettagli amministrativi: uno spessore insufficiente, uno snervamento eccessivo o un risultato non valido del provino implicano che il valore riportato non sia un KIC valido, anche se la prova ha prodotto una frattura netta.

Per il comportamento elastoplastico, selezionare ASTM E1820 o ISO 12135:2021. ASTM E1820 valuta la frattura in Modo I utilizzando K, J e lo spostamento di apertura in punta di cricca (CTOD), come valore puntuale oppure come curva di resistenza. ISO 12135:2021 fornisce metodi quasi-statici per K, CTOD δ, J e curve R su provini metallici omogenei con cricca di fatica preliminare. Questi metodi sono più adatti quando si verifica una sostanziale plasticizzazione in punta di cricca, quando è importante l’estensione stabile della cricca o quando è richiesta un’integrale J o una curva di resistenza anziché un singolo valore lineare-elastico.

Utilizzare ASTM E1290 per una valutazione incentrata sul CTOD, in particolare quando la grandezza progettuale è lo spostamento critico di apertura in punta di cricca associato a uno specifico evento di estensione della cricca. Il CTOD è spesso utile negli acciai che passano da un comportamento duttile a uno fragile al diminuire della temperatura, ma un valore critico di CTOD rimane legato alla definizione dell’evento, alla geometria del provino e alla temperatura di prova. Non è intercambiabile con JIC o KIC.

Le costruzioni saldate richiedono un metodo specifico per le saldature. ISO 15653:2018 riguarda le prove di tenacità alla frattura dei giunti saldati utilizzando K, CTOD δ e l’equivalente sperimentale dell’integrale J, con cricche di fatica posizionate nel metallo saldato o nelle zone termicamente alterate. Questa distinzione è importante perché il metallo saldato, il materiale della zona termicamente alterata a grani grossolani, le regioni intercritiche e la lamiera base non alterata possono presentare microstrutture, tensioni residue, inclusioni e temperature di transizione differenti. Un risultato ottenuto sulla lamiera base non è qualificante per ogni posizione di una saldatura.

La scelta dipende anche dal carico. L’apertura in Modo I è il punto di partenza consueto, ma il carico a Modo Misto, il carico impulsivo o dinamico, la crescita ciclica e lo strappo successivo all’innesco possono richiedere analisi separate. NASA-HDBK-5010, Volume 2, esprime l’intensità al Modo I per una piastra con cricca centrale come

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a},$$

dove β è un fattore di correzione della geometria, σ è la tensione applicata e a è la dimensione della cricca utilizzata dal modello. In condizioni di carico ciclico, è ΔK — non KIC — a governare la velocità di crescita della cricca di fatica. Una prova statica di tenacità alla frattura non può fornire una legge di crescita per fatica.

Interpretare correttamente un rapporto di tenacità

Iniziare dalla designazione dell’acciaio e dalla forma del prodotto: per esempio, una lamiera ASTM A572/A572M Grade 50 non è automaticamente equivalente a un consumabile per saldatura, a un profilato laminato o a una lamiera bonificata con un’altra designazione. Registrare il trattamento termico, lo spessore e, ove forniti, i dati di resistenza e di temperatura di transizione.

Il rapporto deve indicare il tipo e le dimensioni del provino, come un provino a trazione compatto o a flessione su intaglio laterale singolo, oltre all’orientamento. “L-T” e “T-L” identificano relazioni differenti tra la direzione della cricca e la direzione di laminazione del prodotto; possono quindi produrre risultati differenti. Per una saldatura, identificare se la cricca si trova nel metallo saldato, sulla linea di fusione, nella zona termicamente alterata a grani grossolani o in un’altra posizione oggetto della valutazione.

Richiedere inoltre la procedura di realizzazione della cricca di fatica preliminare, la misura finale della lunghezza della cricca, la temperatura di prova, la velocità di carico e il controllo del carico. La temperatura deve essere correlata alla condizione di esercizio, non semplicemente descritta come temperatura ambiente. Il rapporto deve identificare il parametro di frattura — KIC, KQ condizionale, JIC, CTOD δ o un punto su una curva J-R — e includere la dichiarazione di validità prevista dallo standard. Un KQ condizionale non è un KIC valido, a meno che siano soddisfatti i requisiti relativi alla deformazione piana e alle dimensioni.

Infine, esaminare il modo di cedimento. La frattura per clivaggio, lo strappo duttile, il pop-in, l’estensione stabile e la frattura mista hanno implicazioni differenti. Un valore numerico privo dell’aspetto della frattura e della registrazione dell’estensione della cricca nasconde il meccanismo che ha governato il risultato.

Dal provino di laboratorio alla valutazione strutturale

Il provino di laboratorio fornisce un risultato di caratterizzazione del materiale in un determinato stato di vincolo. La struttura presenta una propria geometria della cricca, spessore, triassialità, tensione residua, dettaglio di saldatura, storia di carico e temperatura. La valutazione strutturale deve collegare questi due aspetti.

Una combinazione di dimensione della cricca e tensione inferiore a K = KIC può rimanere stabile nell’ambito del modello di meccanica della frattura applicabile. Limited evidence

Per un caso prevalentemente lineare-elastico, calcolare l’intensità delle tensioni nel componente utilizzando la forma reale della cricca e il fattore geometrico, quindi confrontare il risultato con un valore di tenacità valido alla temperatura e nell’orientamento pertinenti. Il manuale FHWA sui ponti in acciaio descrive la condizione di base: combinazioni di dimensione della cricca e tensione inferiori a K = KIC possono rimanere stabili nell’ambito del modello di meccanica della frattura applicabile. Tale confronto non è sufficiente quando lo snervamento è esteso. Utilizzare J, CTOD o una curva di resistenza quando lo strappo stabile e l’estensione della cricca fanno parte della risposta. La discussione del NIST del 2008 sulla frattura dinamica negli acciai spiega perché siano necessarie prove elastoplastiche quando la plasticizzazione non uniforme in punta di cricca e i complessi campi tensione-deformazione influenzano la propagazione instabile.

Ciò segue i fondamenti stabiliti dal criterio energetico di A. A. Griffith e dal campo di tensione in punta di cricca di G. R. Irwin. Nessuno dei due considera la tenacità indipendente dalla geometria e dal carico. Una valutazione pratica dovrebbe pertanto tenere conto dei limiti di rilevazione delle cricche, della probabile forma del difetto, dell’intervallo tra le ispezioni, delle tensioni residue e secondarie, del vincolo e del fatto che il cedimento riguardi l’innesco o la crescita stabile.

Prima di accettare una qualsiasi risposta alla domanda «Qual è la tenacità di questo acciaio?», chiedersi:

1. Quale standard e quale parametro di frattura sono stati utilizzati: KIC secondo ASTM E399-24, J o CTOD secondo ASTM E1820, ISO 12135:2021, CTOD secondo ASTM E1290 oppure ISO 15653:2018 per una saldatura? 2. Quali sono la designazione dell’acciaio, la forma del prodotto, lo spessore, l’orientamento, il tipo di provino e la posizione della cricca? 3. Quali erano la procedura di realizzazione della cricca di fatica preliminare, la temperatura, la velocità di carico e il modo di cedimento? 4. Il valore riportato è valido secondo lo standard indicato oppure è condizionale? 5. Il calcolo strutturale utilizza la geometria reale della cricca, il vincolo, la modalità di carico e la temperatura di esercizio? 6. La questione determinante riguarda l’innesco, lo strappo stabile, la frattura fragile o la crescita ciclica della cricca?

Senza tali definizioni e condizioni di esercizio, «la tenacità dell’acciaio» è una domanda incompleta.