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Perché l'analisi termomeccanica nell'industria dei metalli?
Nell’industria industria siderurgica e metallurgica le aziende si trovano ad affrontare esigenze sempre maggiori: I componenti devono resistere a carichi termici elevati, le finestre di processo devono essere rispettate con precisione e le modifiche microstrutturali mirate sono spesso la chiave per migliorare le proprietà dei materiali. Che si tratti della valutazione delle strutture di saldatura, dello sviluppo di leghe innovative o della convalida di singoli lotti, la caratterizzazione affidabile dei materiali metallici costituisce la base per una garanzia di qualità sostenibile e uno sviluppo mirato dei materiali.
L’acciaio e altri metalli sono sottoposti a impegnative procedure di produzione e lavorazione in cui il comportamento termico e meccanico individuale è decisivo per determinare l’efficienza dei trattamenti termici, dei processi di saldatura, dei processi di fusione o di laminazione. La conoscenza precisa di queste proprietà permette di ottimizzare i processi produttivi ed evitare costosi scarti.
Cosa fa l'analisi termomeccanica (TMA)?
L’analisi termomeccanica è un metodo consolidato di prova dei materiali che misura le variazioni dimensionali di un provino in funzione della temperatura e della forza applicata. Parametri chiave come il coefficiente lineare di
Le tipiche variabili misurate includono la variazione di lunghezza, il CTE, la deformazione durante i test di rilassamento, creep e recupero, nonché il rilevamento dei punti di trasformazione, ad esempio l’inizio della martensite nell’acciaio. I moderni sistemi TMA come quelli di Linseis garantiscono una risoluzione esatta della forza nell’ordine dei µN. La possibilità di selezionare diverse geometrie di punte e modalità di test aumenta notevolmente la flessibilità dell’applicazione. Per i sistemi di materiali sensibili, le misure possono essere effettuate anche in un’atmosfera controllata di gas inerte per evitare l’ossidazione o reazioni indesiderate.
Perché TMA è la scelta giusta per acciaio e metalli
I punti di forza della TMA rispetto ad altri metodi di caratterizzazione risiedono in particolare nella sua elevata sensibilità e nella capacità di osservare gli effetti termici e meccanici sia separatamente che simultaneamente. La misurazione precisa dell’espansione termica è essenziale per lo sviluppo di nuove leghe e per la valutazione di componenti come i cordoni di saldatura. La TMA è ideale anche per rilevare e quantificare le transizioni di fase come la trasformazione martensitica. Anche la deformazione a lungo termine e i processi di rilassamento dipendenti dal tempo possono essere misurati in modo affidabile con questo metodo.
Uno studio recente descrive la grande importanza delle misurazioni TMA per la caratterizzazione degli acciai per quanto riguarda le transizioni di fase e il comportamento di espansione (Bhattacharya et al., 2023). In particolare, per i materiali ad alte prestazioni, sottolineano che la TMA è uno dei pochi metodi in grado di registrare simultaneamente e in modo comparabile l’interazione tra temperatura, carico meccanico e variazione di volume. Un altro articolo mostra che la combinazione di TMA con un controllo atmosferico mirato è vantaggiosa anche per l’assicurazione della qualità delle leghe in base ai lotti (Lee et al., 2022). Gli autori sottolineano l’importanza del controllo dei processi nelle fonderie e della prevenzione di lotti difettosi attraverso il rilevamento precoce delle disomogeneità.
Cosa è importante per ottenere misurazioni significative
Diversi fattori sono fondamentali per ottenere risultati riproducibili e affidabili. La preparazione del campione gioca un ruolo centrale: superfici pulite e geometrie definite riducono al minimo i fattori di interferenza e garantiscono misure riproducibili. Anche la scelta dell’atmosfera è importante: i gas inerti o i sistemi regolabili sotto vuoto sono utili per evitare l’ossidazione o processi di reazione indesiderati.
La selezione della forza e delle geometrie della punta più adatte influisce direttamente sui segnali di misura. A seconda dell’applicazione, si utilizzano punte penetranti, a compressione o Flexur. I moderni strumenti software supportano anche il rilevamento automatico delle transizioni e la documentazione dei parametri di qualità, semplificando e velocizzando notevolmente la valutazione.
Criteri di selezione dei sistemi TMA
Nella valutazione di un sistema TMA è necessario considerare diversi aspetti. L’intervallo di temperatura è particolarmente importante per le leghe d’acciaio, dato che in questo caso sono spesso richieste misurazioni fino a temperature elevate, superiori ai 1000 °C. La risoluzione della forza deve essere abbastanza fine da rilevare anche le più piccole deformazioni per applicazioni di alta precisione.
La riproducibilità è un altro criterio importante: la stabilità a lungo termine e la coerenza documentata dei valori misurati garantiscono la comparabilità delle analisi dei lotti per lunghi periodi di tempo. Infine, ma non meno importante, la capacità di integrazione gioca un ruolo importante: la semplicità di connessione agli ambienti di laboratorio esistenti, sia in termini di software che di organizzazione, è un vantaggio fondamentale per il funzionamento continuo.
Valore aggiunto per il laboratorio e la produzione
I vantaggi della tecnologia di misurazione TMA in un contesto metallurgico sono molteplici e hanno un impatto diretto sulla catena del valore. L’analisi precisa dei limiti termomeccanici consente un controllo accurato dei processi industriali, garantendo così le finestre di processo. Il controllo continuo della qualità con la TMA evita costosi lotti difettosi, il che si riflette direttamente in una riduzione dei tassi di scarto.
I dati di misura diretti per il rilassamento e la trasformazione accelerano l’upscaling e l’ottimizzazione di nuove leghe, rendendo lo sviluppo dei materiali molto più efficiente. Inoltre, i protocolli di misurazione digitali e verificabili sono spesso un prerequisito per le certificazioni e le prove di consegna, il che significa che la TMA contribuisce anche all’adempimento dei requisiti normativi.
Esempio pratico: determinazione del modulo di elasticità del nichel
Il gelato delle lenti TMA L72 consente di applicare programmi di forze sinusoidali a un’ampia varietà di campioni. Ciò consente di determinare il modulo di flessione ed elastico di quasi tutti i materiali. Originariamente progettato principalmente per le applicazioni sui polimeri, il sistema è stato recentemente ottimizzato per la misurazione di materiali più duri come le leghe metalliche e i metalli puri. Grazie all’estensione della gamma di forze fino a 20 N e all’aumento delle dimensioni dei campioni, ora è possibile caratterizzare con precisione anche i materiali metallici più difficili.
In una tipica prova di flessione a 3 punti, è stato analizzato un campione di nichel con una lunghezza di 8,4 mm, un diametro di 5,12 mm e uno spessore di 0,2 mm. La misurazione è stata effettuata a 50 °C utilizzando una forza statica di 500 mN e una forza sinusoidale sovrapposta di 1 N aggiuntiva. La variazione di lunghezza del campione e il conseguente modulo di elasticità calcolato mostrano un eccellente accordo con i dati della letteratura. È particolarmente vantaggioso che tali misurazioni possano essere effettuate nell’intero intervallo di temperatura dello strumento, consentendo di realizzare uno screening completo delle proprietà meccaniche.
Letteratura
Bhattacharya, S. et al. (2023) “Thermal expansion and phase transition analysis of advanced steel grades using TMA”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry.
Lee, H.W. et al. (2022) “Using thermomechanical analysis for alloy batch validation in metal production”, Metallurgical and Materials Transactions A.
Meier, P. et al. (2021) ‘Process optimisation in foundries based on high-temperature TMA measurements’, International Journal of Materials Research.
