Sono ormai lontani i tempi in cui i prodotti venivano lanciati sul mercato senza essere stati sottoposti a test preliminari. La produzione moderna non immette sul mercato alcun prodotto senza averlo sottoposto a test specifici. Tra questi, i test di shock termico e di cicli termici sono due dei più diffusi. Tuttavia, spesso si discute se sia meglio il test di shock termico o quello di cicli termici.
È interessante notare che molti ritengono che i due test siano identici, poiché entrambi prevedono il riscaldamento di un materiale o di un prodotto. Tuttavia, questa convinzione è errata, poiché i due test sono diversi e forniscono informazioni specifiche sui prodotti. Vengono utilizzati su prodotti esposti sia a temperature elevate che a temperature basse, ma in modi completamente diversi. In questo articolo tratterò le differenze tra i test di shock termico e quelli di cicli termici.
Che cos’è il test di shock termico?
L'uso delle prove di shock termico è diffuso in un'ampia gamma di settori industriali. Tutti i componenti destinati all'uso in condizioni di temperature variabili vengono sottoposti a tali prove.
Le prove di shock termico consistono nell'esporre il materiale (campione) a due temperature estreme. Il campione viene esposto a temperature molto elevate. Successivamente, viene esposto a temperature molto basse (fino a -40 °C). Questo improvviso cambiamento di temperatura da valori molto elevati a valori molto bassi può causare tensioni interne nel campione. Se il materiale è resistente, non si crepa né si rompe, dimostrando così la sua durata e affidabilità.
Come sapete, alcune parti sono soggette sia a temperature molto elevate che molto basse. È fondamentale che garantiscano buone prestazioni in queste condizioni di temperatura estrema. Se il materiale non viene sottoposto a test preliminari, potrebbe non reggere se esposto a temperature così estreme. È proprio in questi casi che i test di shock termico si rivelano estremamente utili.
Questa prova di shock termico viene eseguita in un camera di shock termico. Esistono diversi tipi di camere per prove di shock termico. Tuttavia, nelle prove di collaudo si utilizzano più comunemente le camere a due zone. Il componente o il materiale da sottoporre a prova viene collocato nel cestello. Questo cestello trasporta il materiale in una zona in cui la temperatura è troppo elevata (fino a 150 °C).
Dopo un po' di tempo, la benna si sposta, trasferendo il materiale in un'altra zona dove la temperatura è molto bassa. Tale temperatura può essere negativa, intorno ai -40 gradi Celsius. Questo improvviso cambiamento di temperatura, da valori estremamente alti a valori estremamente bassi, influisce sul materiale, che subisce sia un'espansione alle alte temperature sia una contrazione alle basse temperature.
Se il materiale è resistente, è in grado di sopportare sia l’espansione che la contrazione senza subire crepe o danni. Il materiale viene sottoposto a queste temperature estreme numerose volte. I materiali che superano la prova di shock termico sono considerati affidabili e resistenti. Sono in grado di sopportare sbalzi di temperatura improvvisi e sono pronti per l’uso in condizioni reali.
Che cos’è il test di cicli termici?
Le prove di cicli termici e quelle di shock termico sono diverse tra loro. Lo shock termico sottopone il materiale a sbalzi di temperatura estremi. Le prove di cicli termici, invece, mirano a sottoporre il materiale a sollecitazioni e fatica.
Le prove di cicli termici prevedono l'esposizione del materiale sia a temperature molto elevate che molto basse. Tuttavia, a differenza di quanto avviene nelle prove di shock termico, la temperatura non viene aumentata improvvisamente, bensì viene aumentata gradualmente e poi diminuita altrettanto gradualmente. Questo processo si ripete per centinaia di cicli. Un materiale poco resistente inizia a rompersi a causa delle continue fluttuazioni di temperatura.
In parole povere, questa prova consiste nel riscaldare e raffreddare ripetutamente i materiali. Inoltre, il materiale viene sottoposto a temperature estremamente elevate (120–125 °C) e a temperature estremamente basse (-40 °C). Tuttavia, la temperatura non subisce variazioni improvvise. Al contrario, la temperatura aumenta e diminuisce lentamente, sottoponendo il materiale a fatica e sollecitazioni.
In questo test, un camera per test ambientali oppure si utilizza una camera per cicli termici. Il prodotto o il materiale da sottoporre a prova viene collocato all’interno di questa camera. Successivamente, l’operatore aumenta gradualmente la temperatura. Questo aumento di temperatura provoca l’espansione dei materiali. Trascorso un periodo prestabilito, l’operatore riduce lentamente la temperatura per poi riportarla a -40 °C.
Questo test prevede centinaia di migliaia di cicli di aumento e diminuzione della temperatura. Questi lievi aumenti e diminuzioni non sottopongono il materiale a shock termici, ma provocano invece sollecitazioni e affaticamento nel materiale stesso. Se il materiale è affidabile, resiste all’affaticamento e non mostra segni di usura nemmeno dopo centinaia di cicli.
Una volta completato il test, il tecnico analizza attentamente le condizioni del materiale. Qualsiasi segno di crepe indica che il materiale necessita di miglioramenti. Questo test è ampiamente utilizzato nei settori automobilistico, aerospaziale, elettronico e in molti altri. I componenti che superano questo test vengono utilizzati per realizzare vari prodotti che si dimostrano molto affidabili.
Differenze tra la prova di shock termico e la prova di cicli termici
Come illustrato in precedenza, le prove di shock termico e di cicli termici presentano alcune differenze. Sebbene entrambe prevedano l’uso di temperature elevate e basse, ciò non significa che siano identiche. Nella sezione seguente scoprirai le loro principali differenze.
1- Velocità di variazione della temperatura
La velocità di variazione della temperatura è un aspetto importante di questi due test. Nei test di shock termico, la temperatura varia molto rapidamente. Innanzitutto, il prodotto viene esposto a temperature molto elevate (estreme). Improvvisamente, la temperatura scende nel giro di pochi secondi, esponendo il prodotto a una temperatura molto bassa. Questa fluttuazione di temperatura avviene nel giro di pochi secondi.
D'altra parte, le prove di cicli termici prevedono variazioni graduali della temperatura. Il prodotto viene esposto gradualmente a temperature elevate, fino a raggiungere il limite massimo. Dopo un certo tempo, la temperatura viene ridotta lentamente. Questa variazione lenta e graduale della temperatura sottopone i prodotti a fatica e sollecitazioni.
2- Finalità dei test ed esposizione termica
Le prove di shock termico vengono effettuate per verificare come si comporta un materiale quando viene esposto a variazioni improvvise ed estreme di temperatura. In questo metodo, il prodotto viene esposto a temperature estreme (sia basse che alte). Se un prodotto è fragile e viene sottoposto a temperature estreme, la sua fragilità diventa evidente.
D'altra parte, viene eseguito un test di cicli termici per valutare l'entità delle sollecitazioni ripetute a cui è sottoposto il materiale. Quando la temperatura varia gradualmente, il materiale viene sottoposto a sollecitazioni. Il test viene effettuato in centinaia di cicli, sottoponendo il materiale a sollecitazioni ripetute. Se il materiale si incrina, significa che non è affidabile in presenza di sollecitazioni ripetute e richiede un miglioramento.
3- Intensità e durata dello stress
Le prove di shock termico e di cicli termici differiscono in termini di intensità e durata dello stress. Nelle prove di shock termico, la temperatura varia molto rapidamente: dapprima sale a un valore molto elevato, poi scende a un valore estremamente basso. In questo modo, il materiale viene sottoposto a un’elevata intensità di stress. Tuttavia, la durata dello stress è breve poiché la temperatura varia rapidamente.
D'altra parte, l'intensità dello stress nei test di cicli termici è bassa. Il motivo è che la variazione di temperatura avviene in modo lento e graduale. Al contrario, la durata dello stress è lunga nel test di cicli termici.
4- Metodo di trasferimento e simulazione in condizioni reali
Le prove di shock termico prevedono il trasferimento improvviso del materiale da una temperatura estremamente elevata a una bassa. Come ho detto sopra, la prova viene condotta in una camera di shock termico composta da due compartimenti. Il materiale viene posizionato su un contenitore che lo porta in un compartimento caldo, dove viene sottoposto a una temperatura estremamente elevata. Successivamente, il contenitore si sposta immediatamente e trasporta il materiale in un compartimento a bassa temperatura.
Questo trasferimento del materiale da una temperatura elevata a una bassa avviene nel giro di pochi secondi. Ciò simula la condizione in cui il materiale passa rapidamente da un valore estremamente elevato a uno molto basso. Una prova di cicli termici viene condotta in un'unica camera in cui la temperatura aumenta e diminuisce. Non è necessario trasferire il materiale da una camera all'altra. Ciò riproduce la condizione in cui il materiale è sottoposto a temperature estreme che variano lentamente.
5- Velocità di prova e numero di cicli
Una prova di shock termico è più indicata per valutare la velocità. Perché? Il motivo è che questa prova comporta un improvviso cambiamento di temperatura da valori estremamente elevati a valori estremamente bassi. Se il prodotto è fragile, inizia a mostrare segni di fessurazione già nei primi cicli. Pertanto, questa prova di shock termico si conclude rapidamente. Inoltre, questa prova prevede un numero inferiore di cicli.
D'altra parte, una prova di cicli termici richiede più tempo perché comporta una variazione graduale della temperatura. La temperatura aumenta lentamente all'inizio, per poi diminuire ancora più lentamente. Inoltre, la prova di cicli termici prevede un numero maggiore di cicli, ovvero centinaia. Con questo metodo di prova non è possibile prevedere il risultato sulla base di pochi cicli.
6- Tipo di apparecchiatura utilizzata e configurazione della camera
Le prove di shock termico vengono effettuate in camere di shock termico apposite. Queste camere sono disponibili in diversi modelli, tra cui le camere di shock termico a doppia zona, camere di shock termico a tre zone, e così via. Queste camere dispongono di sezioni o scomparti dedicati sia al riscaldamento che al raffreddamento.
Sono costituite da una vasca che contiene il materiale e che si sposta dal compartimento caldo a quello freddo. Al contrario, le prove di cicli termici vengono solitamente condotte in una camera climatica a zona singola. Sia l’aumento che la diminuzione della temperatura avvengono all’interno di questa singola camera climatica. Dal punto di vista progettuale, una camera per shock termici è costituita da due o tre compartimenti.
Domande frequenti
Che cos’è una camera di shock termico?
La camera di shock termico è una macchina di prova. È costituita da due zone dedicate al riscaldamento e al raffreddamento del prodotto sottoposto a prova. Queste macchine sono in grado di raggiungere con facilità temperature estreme.
Quale prova è più severa: lo shock termico o il ciclo termico?
La prova di shock termico è in genere più severa rispetto al ciclo termico. Il motivo è che questa prova comporta l'esposizione improvvisa del pezzo a temperature molto elevate. Questo improvviso cambiamento di temperatura rende la prova di shock termico più severa.
Qual è la differenza tra la prova di shock termico e il ciclo termico?
Queste due prove termiche differiscono sotto molti aspetti. Lo shock termico consiste nell'esaminare il comportamento del materiale in presenza di variazioni di temperatura improvvise ed estreme. Le prove di cicli termici valutano invece il comportamento del materiale quando viene esposto ripetutamente a variazioni di temperatura.
Conclusione
In conclusione, sia le prove di shock termico che quelle di cicli termici rivestono la stessa importanza. Entrambe queste prove consistono nel verificare il comportamento di un materiale in presenza di variazioni di temperatura. Le prove di shock termico verificano il comportamento di un materiale quando è sottoposto a temperature estreme e improvvise.
D'altra parte, i test di cicli termici verificano i materiali variando ripetutamente la temperatura. Entrambi hanno lo stesso scopo: verificare la qualità del materiale. I materiali che superano questi test sono considerati più affidabili per l'uso in condizioni reali. Entrambi questi test vengono utilizzati nei settori aerospaziale, elettronico, automobilistico e in altri settori.