Un decennio prima che un iceberg frantumasse le piastre dello scafo del Titanic e mezzo secolo prima che una piaga di fragili fratture iniziasse ad affondare le navi Liberty durante la seconda guerra mondiale, scienziati negli Stati Uniti e in Francia avevano ideato un romanzo, e sorprendentemente semplice, metodo per misurare il modo in cui il metallo reagisce all'impatto.

Oggi, quel metodo, con alcuni aggiornamenti e perfezionamenti, rimane il test standard utilizzato in tutto il mondo per giudicare la resistenza all'urto dei metalli utilizzati nella costruzione di ponti, caldaie ad alta pressione, navi oceaniche, corazza, recipienti a pressione nucleari, e altre applicazioni. Ora sta per essere notevolmente migliorato, grazie in larga misura a un programma di ricerca cooperativa degli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Conoscere le proprietà dinamiche di trazione e snervamento a velocità di carico molto elevate può essere di fondamentale importanza nella valutazione della resistenza agli urti di dispositivi e strutture, " disse Enrico Lucon, un ingegnere veterano ed esperto di test nel laboratorio Charpy del NIST a Boulder, Colorado."

Ogni tipo di metallo ha una combinazione di proprietà fragili e duttili (più morbide o meno fragili). Le misurazioni che rivelano quelle proprietà, chiamati test di Charpy, sono realizzati su una macchina che consiste in un lungo, braccio appesantito, sospeso da un asse, che oscilla come un pendolo. Un provino dentellato del materiale da testare viene posto sulla base della macchina nel punto più basso dell'arco del pendolo.

Il braccio viene sollevato ad un'altezza esattamente misurata e quindi rilasciato. si abbassa, rompere il campione, e continua la sua oscillazione verso l'alto fino a raggiungere un'altezza massima inferiore a quella iniziale. La differenza tra le due altezze è una misura di quanta energia è stata spesa per rompere il campione.

Nella sua forma classica, la macchina ha molte fonti di errore, ed è difficile confrontare i risultati di dispositivi diversi. Dagli anni '20, i ricercatori hanno equipaggiato il bordo di impatto a forma di cuneo del pendolo (chiamato percussore) con strumenti noti come estensimetri, che inviano segnali elettrici proporzionali alla deformazione del percussore durante l'impatto.

Gli attaccanti strumentati offrono la possibilità di una precisione notevolmente migliorata. Attualmente, però, "non c'è accordo internazionale sulla forma e la configurazione dell'attaccante, dove sono posizionati gli estensimetri, quanti calibri vengono utilizzati, quanto vicino al bordo sorprendente si trovano, e altro ancora, " disse Lucon. "Lavoriamo da un paio d'anni ormai, e siamo circa a metà strada per proporre un design ottimizzato per gli attaccanti Charpy strumentati".

I ricercatori del NIST stanno anche lavorando su un importante problema correlato:le preoccupazioni sull'accuratezza dell'attuale metodo ampiamente utilizzato di calibrazione degli estensimetri. È un processo statico (calibrazione statica) in cui viene applicata una forza esattamente nota all'attaccante e viene registrata la tensione risultante.

"Ma l'impatto è un processo altamente dinamico, " ha detto il fisico del NIST Akobuije Chijioke, il cui gruppo ha collaborato con il laboratorio Charpy per sviluppare una migliore calibrazione degli attacchi strumentati. "Il rapporto tra forza e tensione in uscita dall'attaccante può cambiare notevolmente durante un impatto che in genere dura da meno di 1 millisecondo a 5 millisecondi".

Sono stati sviluppati metodi per migliorare questo, ad esempio sfruttando la misura dell'energia assorbita in un test Charpy, ma manca una vera calibrazione dinamica delle misure di forza di Charpy. "Per affrontare questo, stiamo sviluppando una calibrazione vera dinamica SI-traceable, " Chijioke ha detto. Il processo utilizza uno standard di trasferimento della forza calibrato dinamicamente, portato dal Dynamic Force Metrology Lab di Gaithersburg, Maryland.

Gli strumenti del NIST possono registrare milioni di letture di deformazione e tensione al secondo. "Per determinare la proporzione di frattura da duttile a fragile in vari tipi di acciaio, hai bisogno di quel tipo di risoluzione, " disse Lucon.

I ricercatori di Charpy stanno anche testando attaccanti ridisegnati. "Il design dell'attaccante influisce sul modo in cui puoi calibrarlo, e quante informazioni puoi ottenere, "Chijioke ha detto, come quanto si muoverà una data forza, o spostare, il materiale di interesse. "L'obiettivo è fornire SI-tracciabili, misurazioni di forza coerenti che consentono dati di forza-tempo comparabili su tutti i tipi di macchine Charpy e ottengono una vera procedura di calibrazione dinamica per i percussori Charpy strumentati. Il design dell'attaccante influisce sulla nostra capacità di raggiungere questo obiettivo." Il team del NIST si sta avvicinando a un design che Lucon ha definito "non definitivo, ma estremamente promettente".

Certo, non tutte le macchine in uso industriale hanno incontri strumentati. Ma tutti devono ancora essere verificati periodicamente utilizzando standard emessi da organizzazioni come l'American Society for Testing and Materials (ASTM) International. Questo viene fatto utilizzando campioni di prova in acciaio di riferimento. Il NIST svolge un ruolo chiave in questo processo in tutto il mondo fornendo campioni di prova standard (di solito 10 x 10 x 55 mm, delle dimensioni di un dito umano) disponibile in tre livelli di durezza, che può essere utilizzato per verificare macchine con due diverse configurazioni di riscontro.

Il NIST certifica i suoi campioni di riferimento utilizzando tre delle molteplici macchine Charpy del laboratorio Boulder, e spedisce circa 2, 000 serie di cinque esemplari all'anno. Poiché la resilienza cambia con la temperatura, Il NIST richiede che i suoi campioni vengano testati a -40 ?C. La maggior parte degli altri istituti nazionali di metrologia produce campioni che devono essere testati a temperatura ambiente.

"Grazie alla sua combinazione di semplicità e affidabilità, il test Charpy è stato integrato nelle specifiche dell'acciaio in tutto il mondo per garantire la tenacità necessaria per applicazioni infrastrutturali critiche come ponti, strutture edilizie, infrastrutture nucleari, e condutture, ", ha affermato lo scienziato dei materiali del NIST James Fekete, che dirige la divisione che comprende il laboratorio Charpy. "Il programma NIST combinato con lo standard di test ASTM garantisce una scala energetica affidabile a livello globale per il test Charpy con le incertezze più basse ottenute fino ad oggi"