Integrale J
L'integrale J misura l'energia rilasciata sulla punta di una cricca quando questa si propaga. Vale per materiali tenaci con grande deformazione plastica prima della frattura. Nella tecnica di saldatura si valuta così il pericolo di frattura dei cordoni di saldatura in modo realistico.
Meccanismo d'azione fisico-chimico
All'apice della cricca si concentra la tensione. Nei materiali tenaci, il materiale si deforma plasticamente prima che la cricca si propaghi. L'integrale J è un integrale di linea attorno all'apice della cricca. Calcola l'energia potenziale rilasciata quando la cricca si estende di un'unità di area. È indipendente dal percorso di integrazione, purché il percorso si trovi nel materiale elastoplastico. L'integrale J cattura sia l'energia di deformazione elastica che plastica. Estende il concetto di tasso di rilascio di energia dalla meccanica della frattura lineare elastica al comportamento non lineare del materiale.
Rilevanza metallurgica e rischi durante la saldatura
I cordoni di saldatura hanno spesso tensioni residue e cambiamenti microstrutturali. L'apporto termico modifica la tenacità. Nei materiali tenaci (es. acciaio strutturale), la zona plastica all'apice della cricca è ampia. La meccanica della frattura lineare elastica sottostima il rischio di frattura. L'integrale J fornisce valori più accurati per la tenacità alla frattura. Un valore critico JIc caratterizza l'inizio della crescita instabile della cricca. Se il carico è così elevato che l'integrale J supera JIc, il cordone si rompe senza preavviso. Nella zona saldata, la tenacità alla frattura può diminuire notevolmente a causa di cambiamenti microstrutturali (es. ingrossamento del grano, martensite). Allora JIc è basso e il cordone cede prematuramente.
Pratica in officina e istruzioni operative
L'integrale J non si misura direttamente in officina. Si determina in laboratorio su provini standardizzati (es. secondo ASTM E1820). Per il praticante è importante: il materiale deve avere una tenacità alla frattura JIc sufficiente. I valori tipici per l'acciaio strutturale sono di circa 50–200 kJ/m², a seconda del grado e della temperatura. Per i giunti saldati, si esaminano separatamente la zona termicamente alterata e il metallo deposto. Se si scelgono parametri di saldatura con apporto termico troppo elevato, il grano si ingrossa e JIc diminuisce. Un apporto termico troppo basso può generare martensite e peggiorare comunque la tenacità. Quindi: rispettare le specifiche di saldatura, mantenere la temperatura di preriscaldamento e quella interpass. Se un cordone deve sopportare carichi elevati, il committente spesso richiede una verifica della tenacità alla frattura tramite JIc. In tal caso, si devono prelevare provini dal cordone e farli testare.