Creep e rottura a lungo termine dei polimeri

Un peso modesto, lasciato su un componente di plastica per mesi, lo deforma lentamente e in modo permanente, anche se quel carico era ben sotto il carico di snervamento. E il creep, o scorrimento viscoso: la deformazione che cresce nel tempo sotto un carico costante. Ignorarlo significa progettare pezzi che funzionano il primo giorno e cedono dopo un anno.

Vediamo che cos’e il creep, come si legge una curva di creep, perche e cosi importante per i polimeri e come se ne tiene conto in progettazione.

Che cos’e il creep

Il creep (scorrimento o scorrimento viscoso) e la proprieta per cui un materiale si deforma in modo continuo e progressivo sotto un carico costante, anche di intensita modesta. Nei metalli il creep diventa rilevante solo ad alte temperature — per esempio negli impianti a vapore e chimici che lavorano intorno a 450-550 °C, nelle turbine a gas, nei reattori. Nei polimeri, invece, il creep e significativo gia a temperatura ambiente, perche le catene sono mobili anche a temperature ordinarie. E una delle differenze piu importanti fra plastica e metallo.

La curva di creep

Una prova di creep consiste nell’applicare un carico costante e registrare la deformazione in funzione del tempo. La curva risultante mostra tre stadi: uno stadio primario in cui la velocita di scorrimento e alta ma diminuisce; uno stadio secondario in cui la velocita e quasi costante (la fase piu lunga e quella usata in progettazione); e uno stadio terziario in cui la velocita accelera fino alla rottura. La velocita di scorrimento dello stadio secondario cresce con il carico e con la temperatura.

velocità di creep aumenta con: carico applicato  ↑  e temperatura  ↑

A carichi piu alti o temperature piu elevate, la curva sale piu ripida e la rottura arriva prima. Per questo i dati di creep si forniscono sempre come famiglie di curve a diversi livelli di sforzo e di temperatura.

Modulo di creep e dimensionamento

Poiche la deformazione cresce nel tempo, per i polimeri non basta il modulo elastico misurato in una prova rapida. Si usa il modulo di creep: il rapporto fra lo sforzo costante applicato e la deformazione raggiunta dopo un tempo specificato (per esempio mille ore o un anno). E un modulo che diminuisce man mano che il tempo passa, perche la deformazione aumenta a sforzo costante. Dimensionare un componente plastico per lunga durata significa usare il modulo di creep al tempo di servizio previsto, non il modulo a tempo zero, pena una flessione progressiva che porta fuori tolleranza.

Rottura a lungo termine

Sotto carico costante, un polimero non solo si deforma ma puo arrivare a rompersi dopo un certo tempo, anche a sforzi ben inferiori alla resistenza misurata in prova rapida. Questa rottura a lungo termine (creep rupture) e tanto piu rapida quanto piu alti sono carico e temperatura. I dati di rottura a lungo termine si rappresentano come tempo alla rottura in funzione dello sforzo applicato, e sono indispensabili per dimensionare componenti come tubazioni in pressione, che devono durare decenni sotto carico costante.

Perche conta nella pratica

Il creep e una delle insidie piu comuni nella progettazione con le plastiche, proprio perche e invisibile nelle prove rapide: un componente passa il collaudo iniziale e poi si deforma lentamente in esercizio. Tubazioni in pressione, clip a scatto sempre tese, ripiani, supporti caricati: tutti richiedono di considerare il creep e di usare il modulo di creep al tempo di servizio. Per i componenti critici, i dati di rottura a lungo termine determinano la vita utile. Tenere conto del creep e la differenza fra un pezzo che dura e uno che cede silenziosamente nel tempo.

Domande frequenti

Che cos’e il creep nei polimeri?

E la deformazione progressiva e permanente che un polimero subisce sotto un carico costante nel tempo, anche se il carico e ben sotto il carico di snervamento. A differenza dei metalli, dove il creep e rilevante solo ad alte temperature, nei polimeri e significativo gia a temperatura ambiente, per via della mobilita delle catene. E una delle insidie principali della progettazione con le plastiche.

Quali sono gli stadi di una curva di creep?

Sono tre: lo stadio primario, con velocita di scorrimento alta ma decrescente; lo stadio secondario, con velocita bassa e quasi costante, che e la fase piu lunga e quella usata in progettazione; lo stadio terziario, in cui la velocita accelera fino alla rottura. La velocita dello stadio secondario aumenta con il carico e con la temperatura.

Che cos’e il modulo di creep e perche si usa?

E il rapporto fra lo sforzo costante applicato e la deformazione raggiunta dopo un tempo specificato. A differenza del modulo elastico misurato in prova rapida, il modulo di creep diminuisce nel tempo, perche la deformazione cresce a sforzo costante. Si usa per dimensionare i componenti plastici per lunga durata, riferendosi al tempo di servizio previsto e non al tempo zero.

Qual e la differenza tra creep e rilassamento degli sforzi?

Nel creep il carico e costante e la deformazione aumenta nel tempo (un ripiano che si flette sempre di piu sotto un peso fisso). Nel rilassamento degli sforzi la deformazione e costante e lo sforzo cala (un bullone serrato che perde tensione). Sono due manifestazioni della stessa viscoelasticita, ma corrispondono a situazioni di progetto diverse.

Un polimero puo rompersi sotto un carico costante?

Si. Sotto carico costante un polimero puo arrivare a rompersi dopo un certo tempo (creep rupture), anche a sforzi inferiori alla resistenza misurata in prova rapida. Il tempo alla rottura diminuisce all’aumentare di carico e temperatura. Per componenti come le tubazioni in pressione, che devono durare decenni, i dati di rottura a lungo termine sono indispensabili per il dimensionamento.