Mechanical engineering - Failure analysis e ingegneria forense

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1 Chiara Moreschini FAILURE ANALYSIS E INGEGNERIA FORENSE Prof. Boniardi, A.A. 2022/23 0. INTRODUZIONE ALLA FAILURE ANALYSIS La failure analysis è la branca dell’ingegneria che studia i cedimenti dei sistemi meccanici , indagandone le cause a partire dal fenomeno di cedimento osservato. La parte fondamentale della failure analysis non è tanto la determinazione delle cause (20%), quanto più la definizione di opportuni provvedimenti (80%) affinchè tale fenomeno di c edimento non si verifichi più. La failure analysis è l’attività di raccolta ed analisi dei dati per determinare la causa di un fenomeno di failure (ovvero di cedimento di vario tipo) , spesso con lo scopo di definire le azioni correttive o le responsabilità. ® Per quanto riguarda i l fenomeno che ha generato la f ailur e va studiato cosa è successo e quali effetti si sono prodotti. ® Per quanto riguarda l a causa , diretta e indiretta, che ha provocato quello specifico fenomeno di f ailure , si indagano quali condizioni si sono verificate per determinare il fenomeno. La causa principale è generalmente che la sollecitazione applicata è superiore al valore limite, per quel particolare pezzo, in quella specifica sezione, nelle specifiche condizioni d’esercizio e/p ambientali. 2 Per risalire alle cause della failure spesso si parte da un’ ispezione visiva , da cui si determinano le successive analisi da effettuare sulla base delle ipotesi fatte, ad esempio analizzando le caratteristiche della superficie di rottura. L’attività di failure analysis NON consiste nel determinare soltanto le caratteristiche de l materiale, fare soltanto prove ed emettere certificati, analizzare soltanto il progetto o valutare soltanto le norme/certificati di conformità, ma le attività da svolgere dipendono dal caso specifico analizzato, applicando analisi mirate dopo aver valuta to preliminarmente la situazione, per ottimizzare costi e tempi. “ Forensic analysis , also commonly called failure analysis , is the evaluation of information pertaining to the failure of a mechanical or structural component. The forensic analysis carefull y examines the failed component, its design, its fabrication and its operating history for clues that help explain how and why the component failed. Since metals make - up the vast majority of mechanical and structural components, a metallurgist trained in f orensic analysis generally heads the analysis effort. Additional areas of expertise, such as mechanical, structural and chemical engineering, are included on as - nedeed basis to handle multidisciplinary aspects of the particular analysis. “ La failure analysis è spesso associata anche all’ analisi forense (o addirittura considerata come un fenomeno) perché l’analisi delle cause di un cedimento è spesso collegata anche all’attribuzione delle responsabilità di tale fallimento dal punto di vista leg ale e assicurativo. Esempi di failure (cedimento) : • C edimento di una ruota dentata per fatica meccanica (fenomeno) a motivo di condizioni d’esercizio eccessivamente gravose rispetto alle condizioni di progetto (causa). • F oratura di un serbatoio di stoccaggio di acque minerali per corrosione (fenomeno) per effetto di un’errata progettazione (causa). • R ottura della testa di una vite per infragilimento da idrogeno (fenomeni) a seguito di un processo di rivestimento non esegu ito in modo corretto (causa). • C rollo di un ponte in conseguenza del passaggio di un veicolo pesante (fenomeno) per le difettose caratteristiche di fabbricazione dell’impalcato (causa). • E splosione di un edificio per effetto di una perdita continua di gas nel sottosuolo (fenomeno) indotta da cattiva manutenzione delle tubazioni di trasporto (causa). 3 Come fare failure analysis Per fare failure analysis è necessario: • Raccogliere tutti i dati e le informazioni possibili attorno al caso, ad esempio: • Sollecitazioni (natura, valore, velocità di applicazione rispetto ai dati di progetto) • Materiale (tipo, caratteristiche, trattamenti termici, lavorazioni, microstruttura, difetti … rispetto ai dati di progetto) • For ma/geometria (requisiti dimensionali, tolleranze, giochi … rispetto ai dati di progetto) • Ambiente (corrosione, usura, temperatura di impiego, … rispetto ai dati di progetto) • Condizioni di manutenzione e operative • Non fare nulla che possa danneggiare le superfici di frattura ; • Fare un accurato esame visivo ; • Usare microscopia a bassi ingrandimenti (max x50); • Raccogliere tutti i reperti e contrassegnarli ; • Svolgere eventuali prove non distruttive di particolare utilità; • Raccogliere dati sul materiale (normative, articoli tecnici, …) ; • Prelevare campioni per le prove meccaniche senza danneggiare la superficie di frattura; • Svolgere analisi chimiche (medie e/o locali), analisi dei prodotti di cor rosione dei depositi, dei rivestimenti, microanalisi al SEM; • Effettuare confronti con eventuali pezzi di serie non danneggiati ; • Eseguire esami macroscopici e microscopici della superficie di frattura, di eventuali cricche secondarie, di altri fenomeni superficiali, ecc.. • Scegliere e preparare opportune sezioni metallografiche finalizzate alla diagnosi del difetto; • Effettuare un’osservazione ed un esame critico dei risultati ottenuti; • Formulare molteplici ipotesi di lavoro sul possibile meccanismo di danneggiamento; • Rivedere criticamente tutte le informazioni raccolte ed indicare come certa l’unica ipotesi coerente con tutti i dati/risultati disponibili; • Stendere accuratamente la relazione tecnica conclusiva ; • Specifica re chiaramente le raccomandazioni e le azioni tecniche correttive . 4 1. CEDIMENTI DUTTILI E FRAGILI MECCANISMI DI ROTTURA I cedimenti dei componenti meccanici possono avvenire per diverse ragioni: 1. Fragilità e cedimenti statico (circa 13% dei casi) 2. Fatica (circa 75% dei casi) 3. Corrosione (circa 8% dei casi) 4. Usura (circa 3% dei casi) 5. Scorrimento viscoso (circa 1% dei casi) CEDIMENTO STATICO Un materiale si rompe per cedimento statico se il carico applicato supera il carico di cedimento statico ( R m ) del materiale di cui costituito quel componente. Il materiale accumula energia prima deformandosi elasticamente, poi plasticamente e infine si rompe. Il materiale si rompe per cedimento statico con un singolo sovraccarico >R m oppure per sovraccarichi rip etuti prossimi ad R m , quindi la rottura può avvenire anche se R m non viene raggiunto ma in prossimità di questo valore se viene raggiunto ripetute volte. Se il materiale è duttile si deformerà plasticamente assorbendo molta energia prima di rompersi, mentre materiali fragili non attraversano una fase plastica e si rompono di schianto subito dopo aver raggiunto il valore limite R m . Si definisce: 1) Cedimento ‘macroscopicamente’ duttile è un cedimento caratterizzato da una distorsione dei componenti coinvolti con apprezzabile deformazione plastica. Inoltre questi materiali sono caratterizzati da un unico piano di rottura , per cui il componente si spezza in due parti. Materiali caratterizzat i da questo tipo di cedimento sono acciai duttili, leghe Al, leghe Cu, acciai inossidabili . 5 2) Cedimento ‘macroscopicamente’ fragile è un cedimento senza distorsioni/deformazioni dei componenti coinvolti ed è caratterizzato da frammentazione , per cui il componente si frammenta in numerosi pezzi e non vi è un unico piano di rottura . Materiali con questo tipo di cedimento sono acciai ad altissima resistenza, ghise, leghe Mg . Duttilità e fragilità sono proprietà dei materiali, per cui uno stesso materiale si romperà seguendo sempre lo stesso meccanismo. A seconda del materiale scelto si dovrà trattare con un certo tipo di frattura 1 . Per i componenti meccanici si utilizzano sempre materiali duttili, in modo che la rottura non avvenga di schianto ma ci siano dei segnali visibili dell’inizio del processo che porta al cedimento, in modo che si possa agire e prevenire la rottura. Caratt eristiche macroscopiche delle fratture Consideriamo ora le caratteristiche delle superfici di rottura a livello macroscopico a seconda del tipo di sollecitazione esterna applicata. Rotture duttili e fragili in trazione In trazione , q ualunque cedimento duttile è caratterizzato da un piano di frattura a 45° gradi rispetto alla direzione di massima sollecitazione (perché è il piano lungo il quale le sollecitazioni di taglio sono massime), mentre un cedimento fragile ha un piano di frattu ra che è perpendicolare alla direzione di massima sollecitazione. Osservando un provino e il tipo rottura (con deformazione, con frammentazione, …) è possibile capire immediatamente se il materiale è duttile e fragile e a seconda dell’inclinazione del piano di frattura è possibile risalire agli sforzi che hanno causato l a rottura ( à informazioni su lla direzione dei carichi applicati che hanno causato cedimento). 1 Si noti però che in particolari condizioni (temperatura, intagli, …) materiali duttili possono mostrare rottura fragile. 6 Rotture duttili e fragili in flessione Applicando lo stesso ragionamento della trazione, anche in flessione è possibile risalire al tipo di sollecitazione che ha causato un cedimento su materiali duttili o fragili. Anche in questo caso il cedimento duttile è caratterizzato da un piano di frattura a 45° gradi rispetto alla direzione di massima sollecitazione, mentre un cedimento fragile ha un p iano di frattura che è perpendicolare alla direzione di massima sollecitazione. Infatti la sollecitazione a flessione è equivalente ad una farfalla di trazione e compressione. Rotture duttili e fragili in torsione In torsione , il cedimento fragile è caratterizzato da un piano di frattura a 45° gradi rispetto alla direzione di massima sollecitazione, mentre un cedimento duttile ha un piano di frattura che è perpendicolare alla direzione di massima sollecitazione (perché è il piano lungo il quale le sollecitazioni di taglio sono massime). 7 Rotture du ttili e fragili in compressione Caratteristiche microscopiche delle fratture Consideriamo ora il problema della frattura a livello microscopico . Un materiale metallico ha un reticolo che non può essere deformato plasticamente semplicemente per semplice trazione , perché se viene posto in trazione si deformerà elasticamente e quando la trazione viene rilasciata gli atomi tornano alla loro posizione i niziale (“molle energetiche” tra atomi che li riportano nella condizione di equilibrio iniziale). Il reticolo può essere deformato plasticamente solo grazie a sforzi di taglio , che causano scorrimento dei piani reticolari che deformano permanentemente il r eticolo. Questo è il motivo per cui il cedimento avviene lungo quei piani in cui gli sforzi di taglio sono massimi (piano 45° per materiali duttili in trazione, …) . Se nel reticolo cristallino ci sono delle dislocazioni , lo s c orrimento dei piani dei reticoli avviene in modo molto più semplice e richiede meno energia. Il meccanismo che consente di deformare un reticolo cristallino è legato al moto delle dislocazioni, per cui se le dislocazioni si muovono molto, il materiale subi rà una grande deformazione. 8 Moto delle dislocazioni nel reticolo cristall i no Dato che il meccanismo che consente di deformare un reticolo cristallino è legato al moto delle dislocazioni, materiali con grani fini subiranno deformazioni inferiori e qu indi saranno più resistenti , perché le dislocazioni non possono attraversare i bordi di grano 2 quindi lo spazio in cui possono muoversi sarà piccolo. Vi c eversa se i grani sono grossi le dislocazioni possono muoversi molto, quindi il materiale si potrà deformare molto e avrà resistenza minore . 2 Le dislocazioni non possono attraversare i bordi di grano perché ogni grano ha i piani cristallini orientati in un certo modo, per cui una dislocazione non può attraversare un bordo di grano perché incontra piani cristallini orientati in un modo diverso dalla sua direzione di moto. 9 à Cedimento “microscopicamente” duttile La rottura duttile avviene perchè quando le dislocazioni si muovono e arrivano a bordo grano formano delle micro - cavità ai bordi, che man mano si possono aggregare e formare dei micro - vuoti , fino a ridurre la superficie resistente in modo tale da causare rottura. Dimples (=crateri) à aree di plasticizzazione dei microvuotu Dunque il cedimento duttile dal punto di vista microscopico avviene per la creazione di dimples (crateri). Cedimento fragile La rottura fragile si manifesta quando i meccanismi di duttilità non possono agire , ad esempio quando le dislocazioni non possono spostarsi all’interno del reticolo cristallino oppure quando non si generano sforzi di taglio . Le sollecitazioni di taglio non possono agire deformando il reticolo cristallino della massa metallica e/o le di slocazioni non possono muoversi a causa di: a) Materiale impiegato ; b) Temperatura ; c) Presenza di intagli (meccanica della frattura) ; d) Velocità di applicazione del carico . 10 Dunque le fratture di tipo fragile possono avvenire quando si utilizza un materiale fragile, ma anche su materiali duttili in condizioni di particolari temperature, intagli o velocità di applicazione del carico. à Cedimento “m a croscopicamente” fragile Il cedimento fragile dal punto di vista macroscopico è caratterizzato dalle cosiddette linee di Chevron ( Chevron pattern ), ovvero delle linee di propagazione della frattura che partono dal punto di innesco della frattura e la fan no propagare per tutto il materiale, creando una frammentazione del pezzo . La velocità di propagazione di un cedimento fragile è pari alla velocità di propagazione del suono in quel materiale , quindi può essere considerata una rottura istantanea per molti materiali. L’osservazione degli Chevron pattern permette di risalire al punto di innesco della frattura e la direzione di propagazione della f rattura e può dare molte informazioni utili per lo stud io delle cause di cedimento. à Cedimento “microscopicamente” fragile Dal punto di vista microscopico la frattura fragile può essere di due tipi: 1. Frattura fragile frattura fragile per cui la linea di frattura pass a attraverso i grani e li t ransgranulae : taglia a metà. Il piano di fr at tura a livello microscopico è pressochè rettilineo (ma non perfettamente una retta). È anche detta clivaggio perché le due metà di grano che si formano si chiamano piani di clivaggio. Questo tipo di frattura si verifica quando le dislocazioni non possono muoversi e il piano di frattura trans - granulare è il piano lungo il quale si avrebbe il moto delle dislocazioni se il loro moto non fosse impedito, quindi se il materiale fosse duttile sarebbe il piano lungo i l quale le dislocazioni si muoverebbero fino a formare i dimples. 11 Poiché i grani hanno i piani cristallini orientati in modo diverso, il piano di frattura non è perfettamente rettilineo ma segue l’orientamento dei piani cristallini nei grani, per cui sarà un piano approssimativamente rettilineo ma formato da una spezzata che s egue man mano l’orientamento dei grani. La mobilità delle dislocazioni potrebbe essere impedita dalle seguenti cause (già citate in precedenza): a. Temperatura b. Presenza di intagli o cricche c. Velocità di applicazione del carico Se un materiale duttile si rompe in modo fragile, osservando il tipo di rottura è possibile risalire alla causa . Se la rottura è transgranulare, la causa di rottura potrebbe essere una delle tre cause elencate sopra, che vanno poi approfondite. Qualora s i verifichi una frattura fragile in un materiale che, normalmente, ha un comportamento duttile, tale frattura sar à abitualmente di tipo transgranulare. Come gi à osservato la frattura transgranulare si manifesta quando il moto delle dislocazioni è impedi to (a causa della bassa temperatura, dell’elevata velocit à applicazione del carico o della presenza di intagli a raggio di fondo intaglio tendente a zero). La zona del bordo dei grani cristallini è invece una zona a minore densit à atomica e con elevate energie di legame: per tali motivi il bordo grano è generalmente pi ù resistente della restante parte della massa metallica. 12 2. Frattura fragile frattura fragile per cui la linea di frattura passa lungo i bordi di grano e i ntergranulare : non taglia i grani a metà. Questo tipo di frattura si verifica quando i materiali sono sottoposti a fenomeni di degrado ed infragilimento , che riducono la resistenza dei bordi di grano del materiale. In un materiale sano, i bordi di grano sono più re sistenti e hanno energia di legame più alta del cuore di grano, mentre se i materiali “si ammalano” e si infragiliscono, i bordi di grano perdono la loro resistenza e quindi il materiale si rompe lungo i bordi di grano invece che attraverso i cuori di gran o. A ffinch è si possa avere una frattura fragile intergranulare è necessario che la zona del bordo del grano sia soggetta, tipicamente, a fenomeni di infragilimento da parte di specie chimiche nocive. In questo caso quindi, se si osserva una rottura lungo i bordi di grano, non si andranno ad indagare le cause del la rottura intergranulare (come temperatura, intagli, …), ma si andranno ad investigare i fattori che possono portare all’infragilimento dei materiali. I piani di frattura mostrati sopra sono le viste a livello microscopico, mentre macroscopicamente la rottura fragile avrà caratteristiche dipendenti dal tipo di carico applicato e seguirà una certa direzione macroscopica. Schema riassuntivo 13 Prov e di resilienza La resilienza è una proprietà meccanica di un materiale che corrisponde alla quantità di energia che un materiale è in grado di assorbire durante la deformazione elastica. Le p rov e di resilienza dei materiali vengono eseguit e tramite un pendolo , che acquist a una certa energia nella fase di discesa, dissipa una certa quantità di energia impattando contro il provino e rompendolo. Nella risalita il pendolo arriverà ad una certa altezza inferiore a quella di partenza; dalla differenza tra altezza di partenza e f inale è possibile risalire alla quantità di energia spesa per rompere il provino. Il provino di materiale viene posizionato su un’incudine e ha un intaglio con una forma variabile. Il provino viene colpito dal lato opposto a quello in cui è presente l’intaglio. La prova di resilienza misura l’energia [J] necessaria per rompere un prov ino ad una data temperatura. La prova di resilienza non d à alcuna informazione di tipo progettuale e non spiega tutte le rotture fragili in esercizio, in particolare quelle che sono avvenute ( a ) a temperatura ambiente, ( b ) senza sollecitazioni impulsive e ( c ) su un acciaio duttile. Analizziamo ora le varie cause di rottura fragile. a. Effetto della temperatura Le varie prove si eseguono a temperature diverse e dai risultati interpolati si ottiene una curva che mostra che il materiale a certe temperature si comporta come un materiale duttile, assorbendo elevate quantità di energia, mentre ad altre temperature è i n grado di assorbire meno energia. La zona che separa questi due range di temperatura è detta zona di transizione e separa la zona di comportamento fragile dalla zona di compramento tenace . 14 Prove svolte a terne (3 prove per ciascuna temperatura) e poi interpolate DBTT = Ductile to Brittle Transition Temperature Questo comportamento è dovuto al fatto che quando la temperatura è molto bassa, il moto delle dislocazioni viene impedito, per cui il materiale mostra un comportamento fragile, mentre sopra alla temperatura di transizione le dislocazioni sono nuovamente li bere di muoversi e quindi il comportamento del materiale sarà duttile. A seconda del m a teriale si possono avere comportamenti diversi: 1. Materiali con reticolo cubico a corpo cubico , che presentano una transizione tenace - fragile, per cui a seconda della temperatura di lavoro si avrà un certo tipo di comportamento ; 2. Materiali con reticolo cubico a facce centrate , che non hanno una transizione tenace - fragile e lavorano con comportamento tenace indipendentemente dalla temperatura di lavoro . A seconda della temperatura di esercizio va utilizzato un materiale che lavori nella zona corretta (tenace) in quella condizione. 15 à Effetto degli elementi di lega sulla temperatura di transizione Anche la presenza degli elementi di lega ha un effetto s ulla resilienza dei materiali, in particolare può modificare la posizione e la forma della curva temperatura - resilienza e cambiare la zona di tra nsi zione del materiale. Ad esempio , la presenza del carbonio negli acciai fa traslare verso destra la curva temperatura - resilienza e quindi allarga la zona di fragilità del materiale. Il problema principale è lo spostamento della temperatura di transizione verso zone più calde, ma anche la forma della curva viene m odificata e il valore di resilienza raggiunto si abbassa all’aumentare della concentrazione di carbonio. Effetto dell’aggiunta di c arbonio Al contrario del carbonio, la presenza di manganese sposta la transizione verso sinistra, quindi allarga la zona di comportamento tenace del materiale, mentre il nichel rende l’effetto della transizione sempre pi ù debole, fino ad ottenere dei materiali che non presentano un comportamento tenace - fragile ma che mostrano un comportamento sempre tenace. Effetto dell’aggiunta di m anganese Effetto dell’aggiunta di n ichel 16 b. Effetto dell’intaglio geometrico La prova di resilienza misura l’energia [J] necessaria per rompere un provino ad una data temperatura. Talvolta i n esercizio si verificano però delle rotture fragili a temperatura ambiente, senza sollecitazioni impulsive e su dei materiali che hanno compor tamento duttile, ad esempio l’acciaio. Questo tipo di rotture non vengono spiegate dalle prove di resilienza. Questa tipologia di rottura è dovuta alla presenza all’interno del materiale di una discontinuità geometrica ( intaglio ) o una cricca e non dall e caratteristiche intrinseche del materiale. La presenza di una discontinuità geometrica, detta intaglio, provoca nel materiale un’ intensificazione locale degli sforzi , che non si distribuiscono uniformemente come nel caso di materiale senza intagli. Tale sovrasollecitazione può essere quantificata dal coefficiente di intaglio geometrico (o coefficiente di sovrasollecitazione) K t . K t si chiama coefficiente di intaglio geometrico perché dipende solo dalla geometria del pezzo e non dal materi ale. Uno dei fattori più importanti che determinano il K t in u pezzo è il raggio di raccordo. Il valore di K t non varia solo in base alla geometria del pezzo ma anche in base alla modalità di applicazione del carico , in fatti si usano grafici diversi a seconda che si consideri trazione, torsione, … 17 Quando un componente ha una cri cc a , la situazione si può assimilare ad un componente con un intaglio geometrico che ha raggio di raccordo pari a zero . L’approccio della meccanica classica afferma che s e il raggio di fondo intaglio tende a zero , allora il K t tende ad infinito e di conseguenza anche lo sforzo massimo che si sviluppa, determinando la rottura certa del pezzo. Nella pratica però questo non succede, perché un componente con una c ricca o non raccordato non si rompe immediatamente all'applicazione di un qualsiasi carico , anche molto piccolo , ma ha una certa resistenza che invece la meccanica classica non tiene in considerazione. Consideriamo all ora u n componente di grosse dimensioni , quindi tozzo (nel senso dello spessore in direzione z) in cui è presente una cricca 3 . 3 Essendo il componente molto spesso, gli effetti di bordo della presenza della cricca non hanno effett i nella zona di mezzeria della cricca, dove viene posizionato il sistema di riferimento (xyz) rispetto al quale studiamo il problema. 18 La meccanica classica interpreta la cricca nel pezzo come un intaglio geometrico con raggio di fondo intaglio pari a zero e fo rnisce come risultato la seguente distribuzione degli sforzi al variare della cricca in direzione x e y. In corrispondenza della cricca gli sforzi tendono ad infinito, come visto precedentemente, ed hanno valori diversi nelle diverse direzioni ( s x , s y , s z ). A llontanandosi dalla cricca invece i valori degli sforzi nelle diverse giaciture diminuiscono e tendono ad assumere valori molto simili tra loro, per cui ogni elementino di materiale viene sollecitato con sforzi molto simili in tutte le direzioni man mano che ci si allontana dalla c ricca. Quando un componente viene sollecitato con sforzi normali uguali in tutte le direzioni, tale stato di sforzo è equi - triassiale ed è caratterizzato da sforzi di taglio nulli. Se le sollecitazioni di taglio sono tutte nulle, le dislocazioni del mat eriale non possono muoversi , perché le dislocazioni possono muoversi SOLO in presenza di sforzi di taglio e non sforzi normali , dunque il materiale si rompe in modo fragile . 19 Il problema della presenza della cricca, quindi, non è l’intensificazione degli sforzi molto vicino alla cricca, che nella realtà non tendono ad infinito (artefatto legato alle formule matematiche della meccanica classica), ma il vero problema che porta a rottura fragile è legato allo stato di sforzo che si crea poco distante dalla cricca, che è uno stato di sforzo equi - triassiale con sforzi di taglio nulli, quindi le dislocazioni in quel punto sono bloccate e causano rotture fragili. Se la forza P è sufficientemente elevata si generano condizioni di equi - triassialit à all’apice della cricca. Questo comporta che gli sforzi di taglio si annullino ( t = 0 ) e, quindi, che le dislocazioni non possano muoversi , portando a frattura fragile del materiale. In queste particolari condizioni , la frattura fragile del componente si sviluppa anche se l’acciaio è duttile, gli sforzi NON sono impulsivi e si sta operando a temperatura ambiente ! È il fatto stesso che vi sia una cricca nel component e, a cui è applicato uno sforzo meccanico adeguato, che consente di avere frattura fragile. Non è tanto importante la profondit à della cricca, ( a ), quanto piuttosto il fatto che la cricca ci sia ! Il discorso precedente è valido per componenti tozzi , p er cui gli effetti di bordo nel punto in cui si studia la cricca sono trascurabili. Se invece il componente non è abbastanza spesso, il punto in cui si studia la cricca risente degli effetti di bordo , che impediscono la creazione di uno stato di sforzo equi - t riassiale. Pi ù lo spessore diminuisce, pi ù si risentono gli effetti di bordo nel punto in cui si studia la cricca, ovvero la sua mezzeria ( mezzeria molto vicina ai fianchi laterali del provino) . Come conseguenza si perde la condizione di equi - triassialit à . Per tutti questi motivi le condizioni della meccanica della frattura valgono se i componenti/provini sono di grosso/grossissimo spessore . 20 à Fattore di intensità delle sollecitazioni (K I, K II , K III ) Come si è visto all’inizio, la meccanica classica ( s ) non è d’aiuto. Chi si è occupato di questi problemi, ha dimostrato per via numerica come l’ operatore matematico - numerico che descrive lo stato di sforzo del materiale usato fino ad ora ( s ) non è adeguato a descrivere correttamente la situazione, ma dobbiamo cambiare operatore matematico. Si passa quindi ad un nuovo operatore matematico K I che è chiamato fattore di intensità delle sollecitazioni 4 : Dove A = B x W è l’area del provino, P il carico applicato, a la profondità della cricca e b è il fattore di forma della cricca, che racchiude informazioni sulla sua forma geometrica. Unita di misura del K I: [ "#$ √ ' ] K I dipende dal fattore di forma della cricca ( b ) che dipende dalla forma della cricca, in particolare spessore e lunghezza della cricca, che fa variare il comportamento del materiale a parità di profondità della cricca nel materiale. Il vecchio operatore s invece non teneva in considerazione l’effet to della forma della cricca. L’operatore s è adatto a descrivere lo stato di sforzo del materiale in assenza di cricche, mentre quando sono presenti cricche dobbiamo usare K I. 4 Come verrà evidenziato in seguito, il fattore generale di intensità delle sollecitazioni è K, mentre il numero romano si riferisce alla modalità di applicazione del carico. K I fa riferimento alla trazione. 21 Il forma della cricca ( b ) è di solito compreso tra 0.6 e 1.4 e consente di usare l’operatore K I con cricca di forma differente. I valori di b sono tabulati. Cricche con stessa profondità, larghezza e lunghezza ma con forma diversa determineranno K I diversi, grazie alla presenza del fattore di forma beta che ne modifica il valore, tenendo conto della forma. à Valore critico del f attore di intensità delle sollecitazioni (K IC ) Affinché il valore del fattore di intensità delle sollecitazioni sia utile, è necessario trovare un valore critico con cui confrontarlo per stabilire se c’è rischio di rottura, proprio come si faceva con s ( à s R determinato tramite prove di trazione classi che). La prova di trazione classica in presenza di una cricca non è adatta a caratterizzare il comportamento del pezzo in presenza di una cricca per trovare il limite di rottura del nuovo operatore matematico K I. È allora necessario trovare una prova che descriva il cedimento del materiale in presenza di una cricca. Questa è la prova di meccanica della frattura , che consente di determinare il limite di resistenza del materiale nelle medesime condizioni di criticit à indotte dalla presenza di una cricca in un componente di grosso spessore . Meccanica classica vs Meccanica della frattura 22 La prova di meccanica della frattura è una specie di una prova di trazione in presenza di una cricca , che consente di determinare la tenacit à alla frattura del materiale ( K IC ). La meccanica della frattura quindi è utile anche in sede progettuale perché serve a descrivere le caratteristiche del materiale e la sua tendenza alla frattura fragile a causa di cricche. La resistenza ( K IC ) del materiale in presenza di una cricca, misurata con la prova di meccanica della frattura, è denominata fattore di intensit à delle sollecitazioni critic o ( K IC ) o pi ù semplicemente tenacit à a frattura o resistenza alla frattura fragile del materiale sottoposto ad esame 5 . à Prove di meccanica della frattura Le prove della meccanica della frattura vengono effettuate su un provino tozzo , in cui viene ricavata una cricca e due fori in cui la macchina di prova applica il carico che tende ad aprire la cricca. Arrivati ad un certo carico, la cricca tende ad aprirsi e i suoi lembi a separarsi; l’entità della separazione dei due lembi della cricca viene misurata tramite un estens i ometro collegato al provino. Il valore di apertura della bocca della cricca viene correlato al carico P via via crescente che viene applicato dalla macchina di prova. Non esiste una dimensione standardizzata dei provini. Si possono usare sia provini piccoli che grandi, dipende dalla tenacit à del materiale. Affinch è la prova sia valida, deve risultare che la larghezza B del provino rispetti la seguente condizione : B ³ 2,5 ( K IC /R SN ) 2 È importante che il provino sia tozzo, ovvero che lo spessore del provino sia tale da garantire che nel centro della cricca non vi siano influenze degli effetti di bordo della cricca. Per assicurarsi ciò si u s a come formula empirica per la larghezza B del provino la seguente: B ³ 2,5 (K IC /R SN ) 2 Ad esempio se R SN = 700MPa e K IC = 70MPa Ö m, si ha: B ³ 2,5 (70/70 0) 2 = 25mm 5 Q uesta cosa è molto diversa dalla resilienza ( KV) . 23 Influenza dello spessore e quindi degli effetti di bordo sulla prova: aumentando lo spessore gli effetti di bordo diminuiscono e quindi il valore misurato si avvicina s e mpre di più a l va l ore di K IC Dalle prove di meccanica della frattura si estrapolano le curve forza applicata - spostamento di lembi della cricca. La curva forza - spostamento ha inizialmente un andamento lineare, ad un certo punto inizia a deviare dalla linearità e infine si ha rottura fragile. Questa curva evidenzia un comportamento di tipo fragile , perché il provino è stato studiato apposita - mente per rompersi in modo fragile a causa della creazione di uno stato equi - triassiale in vicinanza della cricca, anche se il materiale studiato è duttile. In una prova di trazione classica su un provino ad osso dello stesso materiale si sarebbe ottenuta una curva di div erso tipo, caratterizzata da snervamento (materiale duttile) , mentre in questo tipo di prova si evidenzia un comportamento fragile anche su materiali duttili a causa della presenza della cricca creata nel provino. 24 Il provino usato in queste prove di meccanica della frattura non ha necessariamente una forma prismatica, ma può anche essere circolare. Le varie forme e dimensioni che devono essere rispettate per il provino vengono descritte nelle norme tecniche . La norma descrive anche quale punto va considerato nella curva forza - spostamento che coincide al valore critico K IC cercato . Tale carico non è il carico massimo raggiunto dalla prova, ma è il carico corrispondente al punto di intersezione tra la curva for za - spostamento e una retta passante per l’origine e inclinata del 95% rispetto alla tangente alla curva nell’origine 6 . • S i esegue la prova aumentando lentamente il carico P, registrando lo spostamento V ; • Si traccia la retta O - A (tratto lineare) ; • Si traccia la secante O - P 5 linea rossa (inclinazione pari al 95% della retta O - A) ; • Se P 5 è maggiore dei valori di P che lo precedono , a llora P 5 = P Q , a ltrimenti si prende come P Q il valore m assimo raggiunto «prima» di P 5 P Q è il carico che determina la frattura del provino Alla fine bisogna verificare che lo spessore B del provino sia: B ³ 2,5 (K Q /R p0,2 ) 2 6 Stesso principio della prova di trazione classica, per cui si considerava lo snervamento in corrispondenza del punto in cui la deformazione plastica residua nel materiale è 0.02%. 25 Se la disuguaglianza B ³ 2,5 ( K Q / R p0,2 ) 2 è verificata, allora si assume K Q = K IC , altrimenti il risultato è indicato come K Q . In entrambi i casi si parla comunque di tenacit à a frattura del materiale esaminato. Il valore K IC trovato prende il nome di tenacit à a frattura del materiale ed è una caratteristica intrinseca del materiale stesso e non dipende dalle modalit à di p rova . Allo stesso modo dello sforzo massimo di ciascun materiale (resistenza statica in assenza di cricche), seguendo la prova descritta sopra si possono ricavare e tabulare le info sul K IC per tutti i materiali, che descrivono la resistenza alla rottura fragile de l materiale per effetto della presenza di cricche. La prova di resilienza e la prova di meccanica della frattura misurano entrambe la resistenza del materiale alla frattura fragile, ma in modi diversi. Il K IC è inversamente proporzionale al val ore dello snervamento a parità di famiglia di materiale , ovvero confrontando la stessa tipologia di materiale snervamento e KIC sono inversamente proporzionali. Tale a ff ermazione NON è valida se si confrontano tra loro materiali di diverse famiglie (ad ese mpio avviai vs leghe di alluminio). 26 à Modo di apertura della cricca L’operatore matematico K può essere distinto in base a come si apre la cricca: I) K I à apertura per trazione ; II) K II à apertura per scorrimento ; III) K III à apertura per lacerazione . K I > K II , K III K IC < K IIC , K IIIC Generalmente si considera il K I perché è il valore minore , quindi per effettuare ragionamenti in sicurezza si può considerare solo K IC , perché se è rispettata la resistenza nel modo di frattura I lo sarà anche per il modo II e III . à Tenacità alla frattura e altre proprietà meccaniche La tenacità alla frattura può essere collegata alle altre proprietà meccaniche del materiale, dato che è un parametro utile durante la progettazione. A parità di famiglia di materiale, la tenacità a frattura può essere correlata al carico di rottura e di snervamento . 27 La tenacità è quindi inversamente proporzionale al carico unitario di rottura ( R m ) e al carico unitario di snervamento ( R sn ). Anche nella meccanica della frattura inoltre esiste una temperatura di transizione da duttile a fragile , dunque la resistenza alla frattura fragile si può correlare anche alla temperatura. La tenacità alla frattura varia anche in base alla resilienza del provino (KV) , per cui si usano formule diverse a seconda della resilienza del provino . Se il provino ha comportamento fragile si ha: ) !" # $% && = 12 √ )- Dove ) !" # $% && è la tenacità alla frattura dell’acciaio per uno spessore di 25mm e KV la resilienza di Charpy - V. Se lo spessore è differente da 25 mm si ha: ) !" # ' = . ( ) !" # $% && − 20 ) 3 25 5 6 ( .$% 7 + 20 Se invece il provino ha comportamento tenace si ha: ) !" = 0 . 54 )- + 55 Dove ) !" è la tenacità alla frattura dell’acciaio e KV la resilienza di Charpy - V. In alternativa si può usare la seguente formula: 3 ) !" ; * 6 $ = 0 . 52 3 ) + ; * − 0 . 02 6 Dove ) !" è la tenacità alla frattura dell’acciaio , ; * è lo sforzo di snervamento e KV la resilienza di Charpy - V. 28 In questo modo si può facilmente passare dal valore di resilienza del provino al valore di resistenza alla frattura, sia nel caso di comportamento fragile che tenace. c. Velocità di applicazione del carico L’u ltimo tipo di causa che può portare all a rottura fragile del pezzo (oltre a temperatura ed intagli) è la velocità di applicazione del carico , che si verifica ad esempio durante gli eventi di esplosione o scoppio: • Scoppio ( sovrapressione ) : porta alla fessurazione del pezzo e al cedimento duttile , poiché è un evento di tipo statico o quasi statico, dato che c’è una pressione statica che agisce sul pezzo e supera il limite di resistenza statica, portando prima a snervamento e poi a rottura duttile ; • Esplosione ( co mbusione ) : porta alla frammentazione del pezzo e al cedimento fragile ; in questo caso la frattura è di schianto perché la combustione avviene in modo molto rapido e assolutamente non statico. La frattura fragile avviene quando la velocità di applicazione del carico è maggiore della velocità con cui le dislocazioni riescono a muo versi all’interno del materiale à Esplosione L’esplosione è una r eazione tra un combustibile e un comburente che avviene rapidamente e violentemente, in modo esotermico , quindi liberando calore. All’aumentare della velocità di deformazione del materiale il suo comportamento cambia: aumentando la velocità, il campo delle deformazioni del materiale viene soppresso e il suo comportamento diventa lineare, con uno snervamento crescente. Scoppio à deformazione plastica (carico statico) Esplosione (d eflagrazione/detonazione ) à rottura fragile (carico improvviso) 29 Per valutare la velocità di deformazione del materiale si considera la derivata della pressione (dP/dt) . Deflagrazione e detonazione sono due tipologie di esplosione e sono fenomeni diversi e si distinguono in base alla velocità con cui le o nde di pressione si propagano nel materiale. 1. Deflagrazion e: Onde di pressione si propagano più lentamente della velocità del suono in quel mezzo (materiale) , quindi si ha un’ onda di pressione subsonica . Con una deflagrazione si ha anche un po’ di deformazione plastica , anche se poi il pezzo s i frammenta e si rompe in modo fragile. 2. Detonazione : Onde di pressione si propagano più velocemente della velocità del suono in quel mezzo (materiale) , quindi si ha un’ onda di pressione supersonica . Con la detonazione la rottura è puramente fragile senza parti deformate plasticamente. Osservando i frammenti del pezzo esploso è possibile risalire alla tipologia di esplosione osservando se ci sono anche segni di deformazione plastica (deflagrazione) o no (detonazione). N.B. Quando c’è un problema di rottura fragile del pezzo dovuto allo sviluppo di uno stato di sforzo equi - triassiale, il tipo di rottura fragile è transgranulare perché il movimento delle dislocazioni è impedito. 30 2. FENOMENI DI INFRAGILIMENTO Fenomeni di fragilità = rotture di tipo fragile del materiale (interg r anulare, transgranulare, …) … Diverso da … Fenomeni di infragilimento = alterazioni delle caratteristiche del materiale o condizion i indotte dall’esterno che producono fragilità del ma teriale INFRAGILIMENTO L’infragilimento di un materiale consiste nella diminuzione della tenacit à alla frattura in seguito a: • Alterazioni metallurgiche del materiale metallico , quali: - P resenza di elementi nocivi ; - F ragilit à da rinvenimento ; - I nvecchiamento degli acciai dolci al carbonio . - … • Fenomeni indotti dall’esterno , quali: - I nfragilimento da idrogeno ; - Cricche da trattamento termico ; - … I fenomeni di infragilimento danno generalmente origine a fenomeni di rottura intergranulare (anche se ci sono eccezioni). Approfondiamo ora le d iverse cause che possono portare ad infragilimento del materiale. à Elementi nocivi per gli acciai La presenza di particolari elementi chimici all’interno degli acciai possono creare fenomeni di infragilimento, ad esempio: 1. Zolfo ( S ) à induce una diminuzione della resilienza e della tenacità a frattura + forma inclusioni non metalliche 2. Fosforo ( P ) à induce una diminuzione della resilienza e della tenacità a frattura 3. Ossigeno ( O ) à induce una diminuzione della resilienza e della tenacità a frattura + forma inclusioni non metalliche 4. Azoto ( N ) à induce una diminuzione della resilienza e della tenacità a frattura 5. Idrogeno ( H ) à induce una diminuzione della resilienza e della tenacità a frattura 31 As, Sb, Cu, Sn sono altri elementi nocivi, presenti in tracce, che possono causare fragilità all ’acciaio. In generale se questi elementi chimici sono in soluzione nel reticolo , la fragilità indotta è di tipo transgranulare , mentre se gli elementi chimici sono segregati a bordo grano , la fragilità sarà di tipo intergranulare . IN SOLUZIONE NEL RETICOLO à FRATTURA TRANSGRANULARE SEGREGATI A BORDO GRANO à FRATTURA INTERGRANULARE a) Zolfo (S) Lo zolfo causa diversi fenomeni di infragilimento, perché riduce la resilienza , la tenacità alla frattura e forma anche inclusioni non metalliche nel materiale. Dato che lo zolfo può essere presente sia in soluzione solida nel reticolo sia come inclusione tra i reticoli, può causare sia rotture di tipo intergranulare che transgranulare . Per quanto riguarda le rotture di tipo fragile transgranulare valgono le seguenti affermazioni: • A temperatura costante la resilienza del materiale diminuisce molto al crescere della concentrazione dello zolfo, per questo in genere negli acciai il tenore d i zolfo viene tenuto sotto lo 0.025%. • La curva di transizione da fragile a duttile viene influenzata dallo zolfo, per cui la tenacità alla frattura diminuisce al crescere del tenore di zolfo (ed è inversamente proporzionale allo snervamento dell’acciaio) . 32 à Fenomeno della bruciatura La presenza di zolfo causa anche un particolare fenomeno che porta a rottura interg r anulare del materiale. Acciai con una percentuale di zolfo superiore a 0.3 - 0.4% mostrano infatti il fenomeno della bruciatura : a questa percentual e, lo zolfo tende a segregarsi a bordo grano e a legarsi con il ferro formando un eutettico basso - fondente che fonde a 988°C. P oiché questo eutettico è presente a bordo grano e fonde prima dell’acciaio, si forma un materiale allo stato fuso ai bordi di grano che porta a frattura intergranulare del materiale ( chiamata bruciatura ) , dato che la fusione dei bordi di grano ne comporta un not evole indebolimento. Questo fenomeno è legato sia all’elevata percentuale di zolfo presente che all’elevata temperatura. La condizione di bruciatura è quella più critica , che si sviluppa in presenza di alte concentrazioni di zolfo, ma anche quando lo zo lfo presente è in quantità minore ma si sviluppano temperature elevate si sviluppano fenomeni simili, chiamati surriscaldamenti , che ha le stesse caratteristiche della bruciatura ma con effetti più lievi . In genere il fenomeno della bruciatura è anticipato dal fenomeno di surriscaldamento. 33 Il grafico a sinistra mostra m ateriali riscaldati a temperatura via via crescenti e poi raffreddat i : il grafico mostra le proprietà residue del materiale dopo che è stato riscaldato e raffreddato . S i nota un progressivo degrado del materiale all’aumentare della temperatura a cui viene scaldato il materiale. Q uando si arriva a riscaldamenti con temper ature elevate si va incontro a fenomeni prima di surriscaldamento ( overheating ) e infine di bruciatura ( burnt ) se la temperatura viene alzata oltre ad un certo limite. È quindi buona pratica non scaldare troppo i materiali in esercizio per evitare tali fenomeni. Inoltre va considerato anche che ad alte temperature la defor - mabilità dei materiali cresce (indipendentemente dalla presenza di elementi di lega) e a seconda de ll’applicazione questo potrebbe essere un problema . b ) Fosforo ( P ) il fosforo è un altro e lemento nocivo che può essere presente solo in soluzione solida nel reticolo del materiale e non forma inclusioni come lo zolfo . Dato che può essere presente so lo in soluzione nel reticolo, può causare solo rotture di tipo transgranulare . Anche il fosforo viene tenuto a tenori inferiori allo 0.025%, come lo zolfo. 34 La curva di transizione da fragile a duttile viene influenzata dal fosforo , per cui la tenacità alla frattura diminuisce al crescere del tenore di fosforo (ed è inversamente proporzionale allo snervamento dell’acciaio). Nel caso di fosforo si definisce anche un indice di sensi bilità ( J ) che valuta la sensibilità alla frattura fragile del materiale in funzione della presenza di particolari elementi di lega che rendono il materiale meno resistente: < = ( % >? + % "@ ) ( % # + % >@ ) 10 , I l fosforo , insieme a silicio, manganese e stagno , è uno degli elementi che impatta sull’indice di sensibilità degli acciai. Va però considerato che tali indici sono formule interpolanti, che cercano di rappresentare comportamenti con un’ elevata dispersione , dunque vanno usate con cautela. In alternativa all’indice di sensibilità si può usare quel la del carbonio equivalente ( CE ) che serve per definire la saldabilità di un acciaio, considerando la % di carbonio presente e la presenza di altri elementi di lega con comportamento assimilabile ad una certa quantità di carbonio (presenza di ca r bonio equi valente sopra una certa soglia rende il materiale non saldabile o saldabile solo con pre - o post - riscaldo, perché il materiale diventa tanto più fragile quanto più carbonio è presente). à Fenomeno della fragilità da rinvenimento Il fosforo causa anche un problema particolare (come la bruciatura per lo zolfo), ovvero la fragilità da rinvenimento , ovvero un fenomeno che si verifica sugli acciai bonificati 7 che contengono Cr, Cr - Mg o Cr - Ni. 7 Bonificato = temprato e rinvenuto 35 Il fenomeno di fragilità da rinvenimen to si verifica s e durante la fase di rinvenimento si rimane troppo a lungo in un range di temperature considerato critico, tra i 350° e i 570° , e si osserva un sensibile decadimento della resilienza. Si m anifesta un sensibile decadimento della resilienza dopo mantenimenti nell’intervallo di temperatura critico 350 - 570°C o dopo lenti raffreddamenti attraverso questo stesso intervallo. L’infragilimento è associato a segregazioni di elementi impurezza (tipo P, As, Sn, Sb); l’entit à dell’infragili mento dipende dal contenuto di impurezze e dal tempo di permanenza nell’intervallo critico di temperatura. In questo caso si verifica frattura fragile intergranulare , perché le segregazioni di impurezze precipitano a bordo grano e li indeboliscono ; la fr attura segue l’originario bordo di grano austenitico . Il problema non è effettuare il rinvenimento nel r a nge di temperature critiche , ma è rimanere per troppo tempo in quel range di temperature, dunque per evitare questo fenomeno il raffreddamento deve e ssere effettuato velocemente. Se il raffreddamento avviene in acqua, quindi in modo rapido, la resilienza è molto maggiore rispetto al caso in cui il materiale viene raffreddato lentamente in forno e quindi trascorre più tempo nel range critico. L’infragilimento è un fenomeno reversibile , rieffettuando il rinvenimento a temperatura pi ù elevata, seguito da rapido raffreddamento. In alternativa l ’infragilimento pu ò essere inibito a priori attraverso l’ aggiunta di Mo in tenori dell’ord ine (almeno) di 0,2 - 0,3% ; questo è il motivo per cui negli acciai debolmente legati con Cr, Cr - Mg o Cr - Ni viene aggiunto anche un certo tenore di molibdeno . 36 c) Azoto (N) Anche l’azoto induce fragilità quando presente in quantità consistente all’interno dell’acciaio , intorno alle 100 - 150 ppm (parti per milione ) . à Fenomeno dell’invecchiamento degli acciai dolci al carbonio La presenza di azoto causa anche un p roblema particolare , noto come i nvecchiamento degli acciai dolci al carbonio . Questi particolari tipi di acciaio sono detti “dolci” perché contengono un basso tenore di carbonio . Quando un acciaio dolce viene deformato plasticamente a freddo ( ovvero incrudito ) ed è presente azoto , può v erificarsi un evento particolare: subito dopo l’incrudimento il materiale non subisce alcuna modifica, ma dopo un certo tempo di inutilizzo (ad esempio se sta troppo in magazzino) il materiale invecchia e diventa fragile nei punti in cui è stato incrudito con rotture fragili transgranulari. Quindi l’invecchiamento non si verifica subito ma solo dopo lunghi periodi di inutilizzo del materiale dopo la sua produzione . Per verificare se un acciaio è invecchiante si effettua una prova classica di trazione , lo si porta nella zona di deformazione plastica, simulando di fatto l’incrudimento del materiale, e poi si lasciano i provini per 6 mesi a stagionare (o invecchiare). Passati 6 mesi si rieffettua la prova di trazione, che parte dal livello di deformazione plastica a cui si era giunti nella prima prova (e non dall’origine) : - Se il materiale è non invecchiante , la curva di carico segue la curva di scarico della prima parte in modo elastico e poi ritorna in fase plastica seguendo con continuità la fase plastica precedente ; - Se il materiale è invecchiante , c’è inizialmente un tratto elastico lineare che segue la curva di scarico della fase precedente, ma tale fase elastica continua rispetto alla curva precedente raggiungendo sforzi molto più ampi ed è seg uita da una fase plastica molto breve, seguito da rottura fragile. Curva nera: prima prova di trazione, curva arancio: seconda prova di trazione dopo 6 mesi 37 La differenza tra i due comportamenti è l’ area sottesa dalla curva : i materiali non invecchianti riescono ad assorbire mota più energia in fase di deformazione rispetto ai materiali invecchianti. L’invecchiamento è legato alla diffusione dell’azoto verso le zone dove vi sono addensamenti di dislocazioni , formando le cosiddette atmosfere di Cottrell . L’azoto diffuso in queste zone blocca l’ulteriore movimento delle dislocazioni, per cui il materiale si rompe in modo transgranulare. Si verifica con gli acciai dolci perché con percentuali più alte di carbonio la diffusione dell’azoto verso le zone dove si accumulano le dislocazioni sarebbe impedita. L’ azoto è un atomo piccolo ed è presente in modo i nterstiziale nel reticolo, come il carbonio. Se c’è poco carbonio nel reticolo, l’azoto potrà diffondere più facilmente all’interno del reticolo andando a formare le atmosfere di Cottrell, mentre se è presente molto carbonio la diffusione dell’azoto verrà ostacolata dalla presenza di atomi grandi come quelli del carbonio. L’entità dell’infragilimento varia con la temperatura e con il tempo di invecchiamento L’invecchiamento può essere rappresentato anche da prove di resilienza , oltre che da prove di trazione , da cui si nota che per materiali incruditi e invecchiati la fase fragile del materiale aumenta rispetto al materiale senza alterazioni . Nell’immagine a destra : 1. Materiale non trattato 2. Materiale incrudito 3. Materiale incrudito e invecchiato L’effetto della presenza dell’azoto è osservabile sui materiali grazie alla presen za delle linee di L uders , che sono dei difetti del materiale che sembrano delle grinze, ma non sono in realtà dei difetti geometrici causati dalla lavorazione del materiale ma sono difetti del materiale. 38 ß Linee di Luders Possibili rimedi per evitare l’infragilimento causato da azoto sono : a) Presenza di elementi anti - invecchianti (Al, Ti, V, B), che agiscono come il carbonio ovvero impediscono la diffusione dell’azoto verso le zione di deformazione dove ci sono le dislocazioni ; b) Trattamento termico di distensione , ovvero ridistribuzione delle dislocazioni per evitare che si accumulino ai bordi e continuare a garantirne la mobilità anche in presenza di azoto . à Fenomeno dell’i rraggiamento neutronico U n altro fenomeno di infragilimento dei materiali è l’irraggiamento neutronico , che avviene quando radiazioni ionizzanti, nello specifico radiazioni neutroniche, investono il materiale. Il comportamento del materiale subisce delle variazioni e la DBTT si sposta verso temperature più alte, per cui si possono verificare dei fenomeni di fragilità co n rotture a bordo grano , perché le radiazioni colpiscono e scalzano atomi laddove la struttura metallica è meno densa, ovvero ai bordi di grano, indebolendoli. 39 d ) Idrogeno ( H ) La presenza dell’idrogeno porta ad una forma di danneggiamento che si manifesta negli acciai ad una temperatura vicina a quella ambiente con diminuzione sensibile della tenacit à . L’ingresso di idrogeno in un acciaio avviene sempre in forma atomica ( H + ). Se l’idrogeno è in forma molecolare NON può penetrare all’interno del reticolo a causa delle dimensioni troppo elevate , ma lo può fare solo in forma atomica H + , quindi ad esempio quando l’acciaio va trasportato all’interno di bombole di acciaio viene trasportato in forma molecolare, dunque non vi sono problemi di infragilimento. Il problema della fragilità indotta dall’idrogeno può essere distinto in due DIVER SI fenomeni a seconda di come l ’idrogeno ( H + ) entra nell’acciaio: a) Q uando l’acciaio è in fase solida , ad es empio durante i processi elettrochimici o per fenomeni corrosivi: in questo caso si parla di infragilimento da idrogeno . La solubilità dell’idrogeno all’interno del reticolo di acciaio è comunque molto bassa, quindi l’idroge n o non si accumula all’interno del reticolo ma tende anche ad uscire velocemente se ci sono le condizioni adatte . b) Q uando l’acciaio è in fase liquida , ad es empio durante i processi di fabbricazione: in questo caso si parla di fiocchi da idrogeno . Quando l’acciaio è in fase liquida, la solubilità dell’idrogeno nell’acciaio è molto più alta a causa dell’umidità che si crea ad alte temperature 8 . à Fenomeno dell’infragilimento da idrogeno I fenomeni di infragilimento da idrogeno si verificano quando l’acciaio è in fase solida e in queste condizioni l a solubilità dell’idrogeno all’interno del reticolo di acciaio è molto bassa, quindi l’idroge n o non s i accumula all’interno del reticolo ma tende anche ad uscire velocemente se ci sono le condizioni adatte . I livelli di concentrazione di idrogeno che causano problemi sono bassissimi, nell’ordine di qualch