Apparecchio per prove di resistenza alla flessione equibiassiale in ceramica (ASTM C1499 e ASTM F394)

Modello n. WTF-CB (acciaio inox)

apparecchio per prove di resistenza alla flessione equibiaxiale in ceramica_0

Fig. 1: Apparecchio di prova assemblato senza campione.

L'ASTM C1499 (riferimento 1) è uno standard relativamente nuovo, introdotto nel 2001. Un sottile disco circolare (è consentito anche un provino quadrato) di un materiale ceramico monolitico o di un composito a matrice ceramica rinforzato con baffi o particelle, è supportato da un anello e caricato da un anello concentrico di diametro inferiore, un cosiddetto caricamento anello su anello. I diametri richiesti del supporto e dell'anello di carico dipendono dallo spessore e dalle proprietà del materiale del provino da testare. La norma fornisce espressioni per il calcolo di questi parametri.

Al fine di ottenere una distribuzione uniforme del carico, le superfici del campione devono essere molto piatte (tipicamente mediante rettifica della superficie), o un foglio relativamente spesso (la metà dello spessore del campione) di un materiale flessibile (ad esempio, gomma) è posto tra ogni anello e il campione. Come ulteriore aiuto per ottenere un carico uniforme, la testa di carico è articolata, essendo supportata da una sede sferica. Nonostante queste preoccupazioni sull'introduzione uniforme del carico, questo metodo di prova sta guadagnando popolarità. Questo apparecchio, montato e smontato, è mostrato nelle figure 1 e 2.

apparecchio per la prova di resistenza alla flessione equibiaxiale della ceramica_1

Fig. 2: Apparecchio di prova smontato.

Oltre alla norma ASTM C1499, redatta per le ceramiche avanzate in generale, è disponibile la norma ISO 13356 (riferimento 2) per i materiali ceramici per impianti chirurgici, in particolare per la zirconia tetragonale stabilizzata con ittrio (Y-TZP). Utilizza lo stesso tipo di fixture, ma specifica una dimensione specifica, ovvero un anello di supporto di 30 mm, un anello di carico di 12 mm e un raggio della sezione trasversale degli anelli di 2 mm.

Un altro metodo di prova ASTM molto più vecchio, l'ASTM F394 (riferimento 3), introdotto per la prima volta nel 1974, è ancora occasionalmente utilizzato, nonostante sia stato interrotto dall'ASTM nel 2001. L'apparecchiatura di prova è illustrata nella Fig. 3. Un disco sottile di 1,25 pollici di diametro del materiale ceramico da testare è supportato da tre sfere di 0,125 pollici di diametro equidistanti attorno a un cerchio di 1 pollice di diametro. Un carico di compressione è applicato al centro del campione del disco da un'asta piatta di acciaio temprato del diametro di 0,0625 pollici. Un sottile film polimerico (ad esempio, polietilene) di 0,002 pollici di spessore è posto sotto l'asta di carico piatta di 0,0625 pollici di diametro, per distribuire in modo più uniforme il carico applicato. Lo spessore minimo del provino deve essere tale che la sua deflessione centrale alla rottura non superi la metà dello spessore del provino.

apparecchio per prove di resistenza alla flessione equibiaxiale in ceramica_2

Fig. 3: Apparecchio assemblato ASTM F394 senza provino

Un importante vantaggio di questa configurazione di prova biassiale è che la deformazione del provino non è un fattore influente, a differenza della prova anello su anello (ASTM C1499). La deformazione del provino è un problema anche quando si esegue la prova di flessione su una trave diritta (riferimento 4), che richiede un dispositivo di prova articolato.

Entrambi i metodi di prova biassiale hanno un vantaggio rispetto a una prova di flessione di una trave dritta, in quanto il massimo sforzo di trazione (biassiale) si verifica al centro del provino sul lato inferiore (convesso quando viene deflesso). Quindi, la finitura superficiale del bordo del provino non è critica. Questo non è il caso della prova di flessione di una trave dritta.

Fonti di informazioni aggiuntive:

1) ASTM Standard C 1499-09 (2013), "Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (prima edizione nel 2001).

2) ISO 13356, "Impianti per chirurgia - Materiali ceramici a base di zirconia tetragonale stabilizzata all'ittrio (Y-TZP)", Organizzazione internazionale per la standardizzazione, Ginevra, Svizzera, 1997.

3) ASTM Standard F 394-78 (riapprovata nel 1996 e poi interrotta nel 2001), "Biaxial Flexure Strength (Modulus of Rupture) of Ceramic Substrates," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (prima edizione 1974).

4) ASTM Standard C 1161-13 (2013), "Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (prima edizione 1990).