Introduzione

Capitolo secondo
GENESI E CLASSIFICAZIONE DEI DIFETTI METALLURGICI
La diagnosi dei difetti di strutture o componenti metallici richiede sempre l’identificazione e la classificazione dei
tipi di danneggiamento, che possono avvenire in conseguenza di uno o più fenomeni, quali la corrosione o l’usura
delle superfici, le deformazioni elastiche o plastiche, la
fatica e la frattura.
In questo capitolo accenneremo alla classificazione
generale dei tipi di danneggiamento, rimandando la trattazione approfondita dei difetti da corrosione, usura e fatica ai
capitoli seguenti.
In questo capitolo classificheremo e descriveremo le
deformazioni e le fratture, poiché possono dipendere da
molteplici tipi di danneggiamento, inclusi l’usura, la corrosione e la fatica, che possono agire singolarmente o sinergicamente.
DEFORMAZIONI
I termini difetto o danneggiamento sono spesso usati per
definire l’incapacità di un componente o di una struttura
d’esplicare la corretta funzione di progetto per qualsivoglia
ragione. Infatti, quasi sempre si pensa ai difetti in termini di
frattura, usura o corrosione. Tuttavia, anche in assenza di
questi tre fenomeni, i componenti o le strutture possono
risultare non più idonei all’uso quando intervengano variazioni di sezione o della loro geometria oltre le tolleranze.
Le deformazioni sono facilmente identificabili attraverso le variazioni di sezione o di geometria; tuttavia la loro
riparazione o prevenzione può essere tutt’altro che semplice, visto che coinvolgono la progettazione, l’analisi strutturale e la scienza dei materiali.
Le deformazioni possono dipendere anche dalle tensioni
interne e non solo dalle sollecitazioni applicate. Pertanto si
comprende quanto complessi possano essere i fenomeni
coinvolti.
Le deformazioni sono difetti gravi perché possono generare altri tipi di danneggiamento e talvolta portare direttamente al collasso delle strutture come ponti, scale, travi e
colonne.
Le deformazioni ad alta temperatura (scorrimento viscoso a caldo o creep) dipendono dall’interazione tra progettazione e proprietà dei metalli ad alta temperatura.
CORROSIONE
La corrosione comporta la trasformazione indesiderata
del metallo in composti metallici e può avvenire per via
elettrochimica (corrosione galvanica in ambiente umido),
oppure per ossidazione (danneggiamento per reazione diretta metallo gas ad alta temperatura).
La corrosione galvanica può essere:
• uniforme (general corrosion);
• crateriforme (pitting corrosion);
• da fessura (crevice corrosion)
e può associarsi a sollecitazioni meccaniche esterne, statiche o dinamiche, o a tensioni interne, che agiscono sinergicamente dando origine a fenomeni di:
• tensocorrosione (stress corrosion);
• fatica corrosione (corrosion fatigue);
• cavitazione (corrosione + erosione).
Tipi di deformazioni
I difetti per deformazione possono essere classificati in
due modi:
• variazioni dimensionali (cambiamento di volume, in
accrescimento o in strizione) o di forma (stiramento,
flessione, torsione o schiacciamento);
• variazioni di natura temporanea o permanente.
La corrosione ad alta temperatura porta invece
all’alterazione delle superfici, tramite fenomeni di:
• ossidazione;
• decarburazione;
• carburazione o cementazione;
• corrosione da contatto con metalli liquidi.
Gli aspetti specifici della corrosione galvanica e della
corrosione ad alta temperatura saranno trattati nei capitoli
quinto e sesto, cui si rimanda.
Deformazioni temporanee
Le deformazioni sono spesso alternate e temporanee.
Poiché tutti i materiali sono elastici, ogni componente si
deforma proporzionalmente alla sollecitazione e perciò
anche sotto sollecitazioni relativamente piccole. In certi casi
tali deformazioni possono essere sufficienti per interferire
con altri componenti e provocare guai.
Interferenze di questo tipo sono frequenti nei denti degli
ingranaggi, che sono essenzialmente piccole travi a sbalzo
di forma particolare. Infatti, è frequente l’evidenza che la
sommità dei denti di un ingranaggio abbiano scavato il
fianco o una zona più bassa dell’ingranaggio accoppiato.
Per questa ragione si modifica la forma della sommità dei
denti degli ingranaggi, affinché non interferiscano fra loro
sotto carico. L’esame degli ingranaggi dopo l’uso dovrebbe
prevedere un’attenta ispezione per evidenziare le interferenze, che potrebbero col tempo portare a più grave danneggiamento.
Due esempi di deformazione temporanea sono:
• la deformazione elastica delle palette di turbine che
ruotano ad alta velocità. Sotto l’azione della forza centrifuga esse si allungano e potrebbero rompersi od interferire con lo statore o la struttura fissa;
• le viti di biella del motore delle autovetture, che per
effetto delle sollecitazioni durante la rotazione
USURA
L’usura porta al danneggiamento superficiale per perdita
progressiva indesiderata di particelle di metallo.
Può derivare da fenomeni di:
• abrasione, fra cui l’erosione, la smerigliatura o la scalpellatura;
• adesione, come il grippaggio;
• sfregamento (fretting);
• fatica, fra cui quella con origine corticale, subcorticale e
sotto strato;
• corrosione usura (cavitazione).
Gli aspetti specifici del danneggiamento per usura e
delle diverse combinazioni con altri fenomeni saranno trattati nel quarto capitolo, cui si rimanda.
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• la microstruttura del componente è conforme a quella
specificata o che ci si attendeva nel componente originale o è stata alterata in esercizio, per esempio da esposizione ad alta temperatura?
• la durezza s’è ridotta per rinvenimento durante il servizio?
• se ciò è avvenuto, a quale temperatura si suppone sia
arrivato il componente?
• la temperatura d’esercizio è risultata troppo alta rispetto
a quella di normale funzionamento?
• se sì per quale ragione?
Se l’indagine rivela che tutto ciò è soltanto una parte di
un più esteso problema, può essere necessaria la riprogettazione dell’intera struttura per ridurre le sollecitazioni e la
temperatura o per specificare un materiale con più alto
limite di snervamento a temperatura elevata.
dell’albero a gomito si allungano e ritornano a ogni rotazione.
Tutti i componenti che lavorano in condizioni di deformazione elastica dovrebbero essere progettati tenendo conto
del modulo elastico del materiale:
E=
σ FL ,
=
ε ∆L S
dove σ = F/S è la sollecitazione; ε = ∆L/L è la deformazione elastica relativa; F è la forza o carico (N) applicato alla
provetta di lunghezza L (mm) e sezione S (mm2), che si
allunga di ∆L (mm) sotto carico.
Com’è noto tale caratteristica, per ogni metallo o lega, è
una funzione della sola temperatura e quindi non dipende
dallo stato metallurgico. All’aumentare della temperatura il
modulo elastico diminuisce e quindi le deformazioni elastiche aumentano a parità di sollecitazione.
Scorrimento viscoso (creep)
Lo scorrimento viscoso, sebbene talvolta dia esiti simili
allo snervamento, non è un fenomeno singolo o di breve
durata come lo snervamento. È un fenomeno definito “deformazione dipendente dal tempo che avviene sotto sollecitazione a temperatura elevata” e sarà discusso nel sesto
capitolo, dedicato ai difetti da temperatura elevata.
Si manifesta con graduale deformazione, che generalmente avviene in tempi lunghi e a temperatura relativamente
elevata. Questa definizione è necessariamente imprecisa,
poiché i fenomeni coinvolti sono assai complessi.
L’esempio che segue può dare un’idea dello scorrimento
viscoso.
Le viti che bloccano alcune parti dei motori talvolta si
allentano e necessitano di periodiche registrazioni. Ciò
avviene soprattutto nelle parti più calde del motore, come le
zone d’uscita dei gas esausti o altre che assorbono calore da
queste ultime. L’allascamento può esser generato da un
progressivo allungamento delle viti oppure da un graduale
cedimento a compressione della struttura tenuta dalle viti.
Quando le viti sono di nuovo serrate, l’insieme è generalmente idoneo per un nuovo periodo, finché l’allungamento
o cedimento graduale, che si manifesta ancora, non raggiunge valori tali da richiedere un nuovo intervento. Questo
processo può continuare molte volte, ma non indefinitamente se coinvolge la deformazione progressiva delle viti, perché prima o poi esse si romperanno.
Anche in questo caso, benché il meccanismo di deformazione sia facilmente identificabile, il metodo per correggere l’anomalia non è necessariamente semplice. I possibili
interventi sono l’uso di una lega più resistente allo scorrimento viscoso alla temperatura d’esercizio; la riprogettazione del componente per migliorare la resistenza alla deformazione e/o ridurre la temperatura o le sollecitazioni
d’esercizio. In ogni caso le scelte sono condizionate dalle
caratteristiche geometriche generali, dalle prestazioni che si
vogliono ottenere, dall’economia e dalla reperibilità dei
materiali.
Deformazioni permanenti
Sicuramente gravi sono le deformazioni permanenti che
avvengono quando il metallo è sollecitato oltre il proprio
limite di snervamento in trazione o compressione o per
scorrimento viscoso a caldo (creep).
Snervamento in esercizio
Se un componente si snerva o deforma permanentemente durante l’esercizio dopo una o più applicazioni del carico, significa che la sollecitazione ha superato il limite elastico o il limite di snervamento. Per esempio, se una molla
si deforma permanentemente non sarà più in grado di svolgere il suo compito. Questo difetto è facilmente individuabile, paragonando una molla nuova con quella deformata
(figura 2.01).
Figura 2.01. Molla per valvola di motore endotermico snervata,
paragonata a una identica non danneggiata.
Meno ovvia e semplice può essere la causa della deformazione della molla che va compresa per poter risolvere il
problema, affinché lo stesso tipo di difetto non avvenga più
su molle simili. L’analista dovrà quindi far capo alla propria
abilità per comprendere se il caso sia isolato o ripetitivo e,
se isolato, quali siano le ragioni che hanno generato lo snervamento. È necessario misurare la molla snervata e paragonarla con altre identiche nuove, di uguali dimensioni e forma. La fotografia, se eseguita con lo stesso ingrandimento è
spesso molto utile per paragonare due componenti e valutarne le deformazioni.
È essenziale condurre approfonditi studi metallografici
sul componente deformato per rispondere quanto meno alle
seguenti domande:
Deformazione a compressione
Questo tipo di danneggiamento dipende dall’instabilità a
compressione (carichi di punta). È molto comune quando
una colonna lunga e snella è compressa in direzione assiale
o quando un tubo dalle pareti sottili è compresso in direzione assiale e diagonale, come accade sotto carico torsionale.
Questo danneggiamento può avvenire nei componenti compressi, quali tubi o profilati dalle pareti sottili, di una struttura complessa sottoposta a flessione.
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Per evitare la deformazione a compressione bisogna
ricordare che il carico cui un componente collassa non dipende dalla resistenza del materiale, bensì dalle dimensioni
del componente, dal modulo elastico del materiale e dalla
temperatura. Ciò significa che il carico massimo sopportabile non può esser aumentato col trattamento termico del
metallo mirato ad aumentare la durezza e la resistenza o
impiegando materiali più resistenti. Può esser incrementato
usando materiali più rigidi, ovvero con maggiore modulo
elastico.
Esempi tipici del danneggiamento per compressione
assiale si hanno nelle incastellature per l’edilizia, nelle teste
di biella dei motori, nelle aste per punterie e nei tiranti e
leveraggio dello sterzo. Tutti questi componenti devono
essere dritti perché ogni curvatura riduce moltissimo la
resistenza ai carichi di punta. Altrettanto importante è collocare il carico sugli spigoli esterni del componente caricato
assialmente, come riportato nel seguente esempio.
Libro appoggiato alla
sommità di un tubo
di carta
Figura 2.03. Lato deformato (freccia piccola) di un profilato
estruso d’alluminio deliberatamente caricato con una forza laterale (freccia grande). In esercizio il profilato è di solito caricato
assialmente piuttosto che lateralmente come nell’attuale esperimento.
Tubo di carta ottenuto da
foglio formato UNI A4 arrotolato e incollato lungo
una generatrice
Piano d’appoggio orizzontale
Figura 2.02. Un tubo costruito con un foglio di normale carta da
lettera può sopportare un carico assiale assai elevato se perfettamente centrato.
Un foglio di carta normale da stampa, formato UNI A4,
può sopportare un peso considerevole se è caricato opportunamente. Come mostrato in figura 2.02 lo si può avvolgere in un tubo con pareti sottili Ø 32÷37 x 210 mm e incollare le estremità sovrapposte lungo la generatrice. Piazzandolo verticalmente su una superficie orizzontale, lo si può
caricare con un normale libro appoggiato lentamente e con
cura in modo che tutti gli spigoli siano ugualmente caricati.
Poi si aggiunga altro peso sempre lentamente e con delicatezza. Se si conduce l’esperimento con cura si constaterà
con sorpresa quale carico elevato può sopportare il tubo
prima di collassare.
Anche i componenti caricati a flessione sono soggetti a
deformazione per compressione nel lato concavo. Profilati o
travi a I, estrusi o laminati, comunemente usati in varie
incastellature o strutture assemblate, devono essere progettate con molta cura per ottimizzare il metallo nelle ali o lati,
dov’è più efficace ai fini della resistenza alla deformazione
sotto compressione (figura 2.03).
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