Officina: scopriamo la sollecitazione termica peggiore

Un tipo di sollecitazione termica che, se intensa, può avere conseguenze deleterie per l’integrità di alcuni organi meccanici non è tanto legata alle massime temperature che essi raggiungono quanto alla velocità con la quale ha luogo il riscaldamento. Ovvero alla quantità di calore che il componente assorbe nell’unità di tempo. È evidente che lo stress termico che così ha luogo può essere diminuito con un riscaldamento o un raffreddamento più lento, ma purtroppo questo non sempre è possibile. Entrano quindi in gioco fondamentalmente le caratteristiche dei materiali che vengono investiti repentinamente dal forte apporto di calore. Se questo è vigoroso e improvviso, determina subito un forte innalzamento della temperatura degli strati più esterni del pezzo ed è quindi opportuno che il materiale abbia una elevata conduttività termica in modo da consentire una rapida trasmissione del calore stesso a tutto il componente e quindi un veloce innalzamento della temperatura di tutta la massa metallica.

Officina: il significato di Lobe Center

Stress termico

Come ovvio, lo stesso accade (ma in senso inverso) nel caso di un raffreddamento repentino e brutale come quello che ad esempio potrebbe verificarsi se la moto, con il motore a regime e gli scarichi roventi, entrasse improvvisamente in una pozzanghera con l’acqua che arriva fino ai mozzi delle ruote. Non è ancora tutto però e la situazione in effetti è più complessa. Lo stress termico può essere diminuito impiegando un materiale dotato non soltanto di una superiore conduttività ma anche un minor coefficiente di dilatazione. Le sollecitazioni di trazione e di compressione che hanno luogo in seno a un componente per via della forte differenza di temperatura tra zone a distanza ridotta (ovvero del gradiente) sono tanto maggiori quanto più alto è il coefficiente di dilatazione termica del materiale. Al crescere di quest’ultimo infatti la parte più calda tende ad espandersi in misura maggiore (cosa nella quale è ostacolata) e quindi aumentano le tensioni. E viceversa.

Per quanto riguarda le conseguenze di uno shock termico occorre considerare due importanti caratteristiche meccaniche del materiale, ovvero la resistenza a trazione, che è opportuno sia elevata, e il modulo elastico. Quest’ultimo è invece meglio che sia basso. In altre parole, i componenti realizzati con materiali dotati di una rigidezza ridotta appaiono avvantaggiati, sotto questo aspetto. È a questo punto chiaro per quale ragione se versiamo rapidamente acqua bollente in un bicchiere di comune vetro a temperatura ambiente è facile che esso si possa rompere repentinamente. Lo stesso naturalmente può accadere versando acqua ghiacciata in un bicchiere molto caldo. La ridotta conduttività termica causa un forte e repentino gradiente di temperatura e, se lo stress indotto dalla parte che tende ad espandersi senza poterlo fare supera la resistenza meccanica del materiale avviene la rottura. Per evitare che si possa verificare qualcosa di questo genere occorre impiegare un materiale diverso (ad esempio vetro contenente boro, che aumenta la conduttività termica e la resistenza meccanica).

Materiali ceramici, pro e contro

I materiali ceramici possono essere particolarmente critici sotto questo aspetto. Benché siano da tempo disponibili, le valvole in alluminidi di titanio non si sono finora affermate anche per questa ragione, anche se la causa principale del mancato successo è la loro fragilità a freddo. I tecnici hanno cercato a suo tempo una formula che metta assieme i diversi fattori ora esposti o che comunque ci dica quanto un materiale è adatto ad essere impiegato per realizzare componenti destinati a lavorare ad alta temperatura. Sono così arrivati al “fattore di resistenza termica”, costituito dal rapporto tra due prodotti: (conduttività x resistenza a trazione) e (coefficiente di dilatazione x modulo elastico). Quello delle leghe di alluminio è circa 3,5 volte superiore a quello della ghisa.

Quest’ultima può lavorare a temperature più elevate ma è comunque più critica dal punto di vista termico. Per fare un esempio, in una testa in ghisa si possono formare crepe assai più facilmente, rispetto a una testa in lega di alluminio. I compositi carbonio-carbonio oltre ad avere una densità assai bassa sono eccezionali anche perché abbinano alla grande conduttività e al ridotto coefficiente di dilatazione termica della grafite l’elevata resistenza a trazione delle fibre di carbonio. Tutti i componenti in metallo hanno in effetti a che fare con le sollecitazioni termiche fin dalla nascita. Dopo la fusione vengono sottoposti a un trattamento termico che riduce le tensioni interne che si sono create durante la solidificazione e il raffreddamento. Vengono poi sottoposti alle lavorazioni (eventi drammatici per gli strati superficiali) e quindi di norma subiscono un trattamento atto a modificare le caratteristiche meccaniche del materiale. Spesso si tratta della tempra, che viene in genere seguita dal rinvenimento. In tutti questi casi sono di importanza fondamentale la temperatura che viene raggiunta, il tempo di permanenza in tali condizioni e la velocità di raffreddamento. Per la tempra quest’ultima è dell’ordine di centinaia di gradi al secondo.

Non si può non pensare che questo non sia traumatico per il materiale. Nel caso delle ghise e degli acciai addirittura la struttura cristallina subisce una distorsione: la cella elementare del ferro non riesce ad assumere la nuova conformazione stabile alle basse temperature passando da quella cubica a facce centrate a quella cubica a corpo centrato, ma diventa tetragonale. E all’interno del pezzo si possono avere tensioni assai considerevoli. Pure per gli stampi metallici il forte e rapido apporto di calore dovuto all’arrivo del metallo liquido può essere causa di un intenso shock termico. Per evitare che esso possa risultare eccessivo spesso vengono scaldati e mantenuti a una considerevole temperatura quando si effettua la colata.

Officina: la lubrificazione e la riduzione degli attriti