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Danneggiamento da Fatica di Componenti Metallici

Danneggiamento da Fatica di Componenti Metallici. Di Cibaldi C. I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensiliVolume IV – Diagnosi dei difetti metallurgici, cap. 3. Edizione AQM, Provaglio d’Iseo anno 2010.

Salvo rari casi, i metalli solidi sono strutture policristalline, dove i singoli cristalli, o grani, sono orientati con casualità nella massa. Ciò conferisce loro proprietà macroscopiche isotrope, nonostante i singoli cristalli, o grani, possiedano proprietà anisotrope (diverse secondo la direzione).

Per effetto delle lavorazioni di deformazione plastica a caldo (laminazione, fucinatura, stampaggio ed estrusione), nei prodotti metallici si formano strutture a bande, orientate prevalentemente nella direzione di massimo stiramento (longitudinale), che conferisce al prodotto caratteristiche anisotrope, generalmente migliori in direzione longitudinale e peggiori sul traverso, salvo rare eccezioni.

Alla fine delle lavorazioni di deformazione plastica a caldo, nonostante la struttura a bande, i singoli cristalli, o grani, possiedono ancora orientamenti prevalentemente casuali, dovuti alla ricristallizzazione che avviene subito dopo la deformazione ad alta temperatura.

Questo fa si che ogni cristallo, o grano, sia orientato in modo diverso rispetto ai carichi, ovvero alle sollecitazioni d’esercizio, e quindi reagisca in modo diverso dai suoi vicini. Alcuni cristalli, o grani, reggeranno allo sforzo con grande determinazione, mentre altri si lasceranno deformare plasticamente con facilità, costringendo i vicini a sobbarcarsi parte dello sforzo che avrebbero dovuto sopportare i più deboli.

Fortunatamente questi ultimi, durante la deformazione, si orientano in modo da reggere meglio al carico che li ha deformati la prima volta e contribuiscono un po’ di più al nuovo sforzo, che segue in condizioni d’esercizio dinamiche (carichi ciclici).

La capacità di deformazione dei singoli cristalli, o grani, non è illimitata e quindi, se giunge al limite, può portare alla frattura (si dice che localmente il metallo è plasticizzato), con separazione di piani cristallini e formazione di una submicro cricca, definita cricca d’innesco della fatica.

Essa si propaga ad ogni ciclo successivo fino a ridurre la sezione resistente del componente meccanico metallico ad un’area piccola quanto basta per far cedere di schianto il componente all’ultima sollecitazione.

Le fratture di fatica sono, pertanto, inconfondibili per le caratteristiche topografiche macro e microscopiche che le contraddistinguono e rivelano all’analista esperto tutta la storia del componente (punto o area d’innesco, direzione di propagazione, quali tipi ed intensità di sollecitazioni abbiano portato alla frattura ed altro ancora).

Una volta stabilito che la frattura di un componente sia attribuibile alla fatica (diagnosi), la prima prognosi deve orientarsi subito all’eliminazione di ogni possibile fattore di concentrazione di sforzo (miglioramento della geometria di progetto, uso di materiali più puri cioè privi di inclusioni non metalliche di morfologia e dimensioni critiche, cura della finitura superficiale durante le lavorazioni meccaniche, ecc.

Solo dopo questi interventi si potrà ricorrere a interventi di miglioramento metallurgici, quali l’indurimento superficiale come la cementazione, tempra e distensione, o la nitrurazione), oppure meccanici come la pallinatura o shot peening.

Le fratture di fatica sono subdole, perché raramente sono visibili e generalmente sono catastrofiche, perché il cedimento avviene di schianto e priva immediatamente e totalmente il componente della capacità di reggere il carico di progetto.

Le fratture di fatica sono generalmente la prima causa di disastri e conseguente rottura di altre parti di macchine, strutture o cinematismi assai complessi.

I danni che ne possono derivare sono talvolta sbalorditivi e potrebbero mettere in gioco la sopravvivenza dell’impresa responsabile, tenuta a risarcirli.

Prove Non Distruttive Mirate

Solo con Prove Non Distruttive mirate è possibile scoprire le cricche di fatica dopo l’innesco e loro propagazione in situazioni ancora non pericolose.

Ciò permette di valutare la vita residua del componente e stabilire quando sia necessario sostituirlo per evitarne la frattura. In tal modo si entra nella logica della manutenzione predittiva che, com’è noto agli esperti, è la meno costosa in assoluto, se nel bilancio della vita di un componente si considerano tutti i costi, compresi quelli dei danni se si arriva alla frattura.

Area della Frattura di Schianto

Linee di spiaggia ed area della frattura di schianto assai limitata, visibili ad occhio nudo sulla superficie di frattura di un albero fucinato bonificato, rotto per fatica.

Danneggiamento da Fatica di Componenti Metallici

Striature sulla Superficie di Frattura

Striature sulla superficie di frattura di fatica di un componente in lega d’alluminio 7075 bonificata T6, sollecitato alternativamente con dieci cicli ad alto carico e dieci a basso carico, osservate al microscopio elettronico a scansione. 4900 x.

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