Pendolo di Charpy

Foto del pendolo

Schema di funzionamento del pendolo

Il pendolo di Charpy è un pendolo utilizzato per prove di tenacità (tipicamente per materiali plastici e metalli), per definire la tenacità a frattura ed a flessione. Il suo nome deriva da quello dell'ideatore Augustin Georges Albert Charpy. La prova con esso svolta viene anche definita prova di resilienza, questa dizione per quanto molto usata può essere fuorviante, in quanto con la prova si misura non già la resilienza ma la tenacità.

Scopo

Il grado di tenacità di un materiale fornisce indicazioni sulle caratteristiche di esso. Gli scopi dell'esecuzione di questa prova meccanica sono molteplici:

• Orientamento sulla scelta dei materiali destinati a subire urti (incudine, mazza...)
• Condizionamento dei parametri dei trattamenti termici (temperatura, tempi, velocità di raffreddamento)
• Precisazioni dello stato di un materiale sottoposto a lavorazione plastica.
• Considerazioni sulle strutture

Descrizione del pendolo di Charpy

Lo strumento è composto da un'asta che prevede da un lato una cerniera fissata alla base e dall'altro una mazza. Affinché la misurazione non venga falsata dall'attrito dell'aria e della cerniera, quest'ultima presenta dimensioni sensibilmente contenute, mentre la mazza ha una forma aerodinamica ed è munita di un coltello intercambiabile dal profilo standardizzato.

Una tale soluzione comporta però un ulteriore problema: la piccola cerniera non sorregge l'urto sviluppato dalla mazza nel colpire il provino se il centro d'urto è al disopra del baricentro di questa, per tale ragione la mazza del pendolo, oltre ad avere forma aerodinamica, è progettata in modo da avere il centro d'urto al disotto del baricentro, in modo da garantire la funzionalità della cerniera.

Modalità di prova

Viene ora riportato un semplice bilancio di energia potenziale riferito al sistema mostrato in figura; la grandezza K si misura comunemente in joule (J): essa indica il valore di energia meccanica impattante che provoca la rottura del materiale, calcolata sperimentalmente mediante la differenza fra l'energia associata al pendolo prima di essere lanciato in corsa e l'energia associata ad esso in corrispondenza del percorso massimo effettuato (energia cinetica del maglio pari a zero) immediatamente dopo la rottura del provino.

$K=m\cdot g\cdot h' - m\cdot g\cdot h$

• m : massa del peso del pendolo
• g : accelerazione (generalmente 9.81 m\s^-2)
• h': Posizione di partenza (altezza iniziale)
• h : Posizione d'arrivo (altezza finale)

da cui si ottiene

$K=m\cdot g\cdot l\cdot (\cos\beta - \cos\alpha)$

dove $\alpha$ e $\beta$ sono gli angoli evidenziati nello schema di funzionamento.

Provetta

Posizione della provetta al momento dell'impatto

Le provette hanno sezione quadrata con lato di 10 mm e lunghezza di 55 mm; esse presentano al centro un intaglio di invito alla rottura perpendicolare all'asse longitudinale della provetta, ad U o a V, in base alla prova che deve essere eseguita.

(Dimensioni in mm)	Provetta con taglio a V	Provetta con taglio a U
lunghezza	55	55
altezza	10	10
larghezza	10	10
Profondità tacca	2	5
raggio di fondo/ larghezza tacca	0,25	1
Angolo intaglio	45°	bordi paralleli

Dimensioni e forma della provetta con intaglio a V

l'intaglio delle provette può essere:

• V profondo 2mm come da UNI EN 10045/1;
• U profondo 5mm come da UNI EN 10045/1;
• "Key hole"(buco di chiave), profondo 5 mm come da UNI EN 10045/1;
• U o "Mesnager" profondo 2 mm come da UNI EN 10045/1;

I vari intagli sono simbolicamente chiamati rispettivamente Kv, Ku, Kk, Km.

Conclusione

Il valore numerico della tenacità ha scarsa importanza come grandezza qualitativa, in quanto variando la forma dell'intaglio e/o le dimensioni della provetta si ottengono, a parità di materiale prove non compatibili tra loro. Questa prova è però molto eseguita perché i valori ottenuti consentono di classificare (in particolare gli acciai) in base al diverso grado di fragilità, condizione importantissima ai fini della scelta dei materiali destinati alla costruzione di strutture, di parti meccaniche, di contenitori di liquidi a bassa temperatura, ecc. per i quali sono prevedibili sollecitazioni ad urto.

Normativa

• UNI EN 10045-1:1992 - Materiali metallici. Prova di resilienza su provetta Charpy. Metodo di prova.

Simbologia

La tenacità all'intaglio viene generalmente indicata nelle schede tecniche dei materiali con diciture riconducibili ai seguenti modelli:

• KV300=121J: tenacità stabilita con prova del pendolo di Charpy su provino normalizzato con intaglio a V. Energia massima disponibile per la prova: 300 joule, energia assorbita: 121 joule;
• KV=121J: come sopra (se l'energia massima disponibile è 300 joule, essa può essere omessa dalla sigla, a meno che il provino sia non normalizzato, vedi ultimo esempio);
• KV100=65J: come sopra, ma con energia massima disponibile per la prova pari a 100 joule, energia assorbita 65 joule;
• KV300/7,5=85J: tenacità stabilita con pendolo di Charpy su provino non unificato, di dimensioni 10×7,5×55 mm, dove 7,5 è la larghezza della sezione resistente all'impatto. Energia massima disponibile 300 joule, energia assorbita pari a 85 joule.

Per indicare che il provino utilizzato ha un intaglio ad U si utilizzano sigle simili alle precedenti ma al posto di "KV" si utilizza la sigla "KU".

Voci correlate

• Prova di resilienza di Izod
• Resilienza (ingegneria)

Collegamenti esterni

• Gruppo Italiano Frattura: Informazioni e pubblicazioni sulle attività nel campo della frattura e dell'integrità strutturale

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