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Semiasse Criccato

Semiasse Criccato. Alcune centinaia, su un lotto di alcune migliaia, di semiassi stampati con acciaio 17NiCrMo6-4 UNI EN 10084, cementati, temprati e distesi, risultarono criccati dopo il trattamento termico. Si volle indagare sulle cause della rottura, inviando al Laboratorio un semiasse rotto (figura 1) e successivamente un saggio di un secondo semiasse, pure rotto in circostanze analoghe e già sottoposto ad esami in un altro Laboratorio su richiesta dell’utilizzatore finale.

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Figura 1.  Particolare semiasse criccato.

Semiasse Criccato

Le informazioni trasmesse al Laboratorio comprendevano il seguente ciclo di fabbricazione e le prescrizioni a disegno:

  • acquisto di barre laminate Ø 60 mm, d’acciaio 17NiCrMo6-4 UNI EN 10084, con temprabilità + HH;
  • trattamento termico di ricottura di cesoiabilità;
  • cesoiatura a freddo in masselli di opportuna dimensione;
  • riscaldo ad induzione dei masselli alla temperatura di stampaggio;
  • stampaggio a caldo e raffreddamento in aria calma;
  • ricottura isotermica;
  • lavorazione meccanica a disegno;
  • cementazione, tempra indiretta e rinvenimento di distensione;
  • durezza superficiale richiesta a fine trattamento: 59÷62 HRC;
  • spessore dello strato indurito efficace: 0,8÷1,1 mm;
  • durezza a base dente dell’estremità scanalata: 400÷450 HV1.

Per la diagnosi di difetto furono pianificate le seguenti prove: analisi chimica; prove di durezza; esame macroscopico e macrofrattoscopico; esame microfrattografico in microscopia elettronica a scansione (SEM) e microanalisi con microsonda elettronica RX; esami micrografici; gradiente di microdurezza; prova di temprabilità Jominy, eseguite su entrambi i campioni e che diedero risultati sostanzialmente identici.

L’analisi chimica dimostrò che il pezzo fu costruito con acciaio conforme al richiesto (17NiCrMo6-4 UNI EN 10084), di corretta composizione.

Anche la durezza in superficie e a base dente risultò conforme alle prescrizioni.

L’esame macroscopico evidenziò che la cricca si estendeva su tutta la lunghezza del semiasse, con andamento quasi rettilineo, interessando anche la parte dentata e penetrava lungo un piano radiale, propagandosi fino al foro di contropunta dell’estremità del semiasse (figura 2).

In superficie la cricca era più aperta, soprattutto in prossimità dello spallamento di variazione del diametro da 50 a 60 mm, dove si è presupposto potesse giacere la regione d’innesco, mentre era molto sottile verso l’asse di simmetria del semiasse. Per queste caratteristiche macroscopiche la frattura era riconducibile a una cricca tensionale da raffreddamento rapido. Si verificò che la superficie, nella zona di presunto innesco, non conteneva imperfezioni macroscopiche, quali rigature o incisioni di lavorazione meccanica, potenziali intensificatrice di sforzi che favoriscono le fratture in tempra.

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Figura 2. Cricca del semiasse

Semiasse Criccato

L’esame visivo della frattura del semiasse, intenzionalmente aperta a cura del Laboratorio, evidenziò linee di propagazione che divergevano dal punto d’innesco, situato a circa 7 mm sotto il raccordo dello spallamento, dove appariva palese una discontinuità macroscopica longitudinale, leggermente inclinata, lunga 6 mm circa (figure 3 e 4); discontinuità poi identificata con microanalisi EDS, come segregazione di inclusioni d’allumina. La superficie di frattura non era affatto ossidata ed evidenziava due aree morfologicamente diverse: la prima di forma tendenzialmente ellittica e colore più chiaro, a tratti brillante; la seconda, molto più estesa, d’aspetto più scuro e fibroso.

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Figura 3: Aspetto macroscopico della superficie di frattura del semiasse, con linee di propagazione divergenti dal punto d’innesco. Si riconoscono bene due regioni di propagazione morfologicamente diverse. 1 x circa.

Semiasse Criccato

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Figura 4. Aspetto della superficie di frattura del semiasse, innescata presso una discontinuità della matrice (1 x circa).

Semiasse Criccato

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Figura 4. Particolare della discontinuità, poi identificata come macroinclusione d’allumina (SEM. 17 x circa).

Semiasse Criccato

L’esame al microscopio elettronico a scansione (SEM) e le microanalisi semiquantitative in spettroscopia RX ad elettroni retro diffusi (EDS), confermarono che la discontinuità nel punto d’innesco della frattura corrisponde a una macro segregazione d’allumina, frammentata in numerosissime piccole particelle allineate (figura 5) in matrice non ossidata, né cementata o decarburata, di morfologia prevalentemente transgranulare (clivaggio), cioè fragile, nell’area ellittica di prima propagazione della frattura, e mista, cioè di coalescenza di microvuoti (duttile) e di clivaggio, nella restante area di propagazione (figura 6).

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Figure 5. Immagini SEM della macroinclusione d’allumina (150 e 250 x circa) con indicate le posizioni delle microanalisi EDS e relativi tabulati.

Semiasse Criccato

risultati-della-microanalisi
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Figura 6. A sinistra: microfrattografia SEM dell’area di prima propagazione della frattura, prevalentemente intragranulare o di clivaggio (frattura fragile). A destra: microfrattografia SEM dell’area di seconda propagazione della frattura, prevalentemente di coalescenza di microvuoti (duttile). Entrambe 700 x circa.

Semiasse Criccato

L’esame micrografico di una sezione trasversale, secante la discontinuità presente nel punto d’innesco della frattura, confermò la presenza della segregazione di inclusioni d’allumina. La microstruttura dello strato cementato, osservata in una sezione trasversale della zona dentata del semiasse era martensite cubica, fine ed omogenea, priva di significativi difetti, quali ipercementazione, decarburazione e/o ossidazione interna. A cuore era martensitico-bainitica, relativamente fine, come s’addice all’attuale acciaio correttamente cementato, temprato e disteso (figura 7).

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Figura 7. Sezione trasversale del semiasse in zona dentata. A sinistra: microstruttura della superficie cementata e temprata. Martensite distesa fine ed omogenea. A destra: microstruttura a base dente in zona non cementata. Bainite e martensite relativamente fini ed omogenee. Attacco Nital 2 %. 500 x.

Semiasse Criccato

La prova di temprabilità Jominy, eseguita secondo UNI EN ISO 642, dimostrò che l’acciaio possedeva la corretta temprabilità, essendo la sua curva situata nella banda Jominy ristretta +HH, come prescritto (vedi tabella seguente e figura 8).

Figura 8. Curva Jominy dell’acciaio del semiasse, tracciata nella banda Jominy +HH dell’acciaio 17NiCrMo6-4 UNI EN 10084.

Semiasse Criccato

Il gradiente di microdurezza HV0,5, misurato sul fianco dente all’altezza del diametro primitivo della sezione trasversale del semiasse, confermò la conformità della profondità dello strato indurito efficace (1,15 mm) a quanto prescritto (1,1 mm), come desumibile della seguente tabella che ne riassume i risultati.

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CONCLUSIONI La diagnosi stabilì che la rottura del semiasse dipese dalla presenza di macro inclusioni d’allumina nell’acciaio di partenza, tali da generare la prima propagazione della frattura per l’alta concentrazione di sforzi durante il raffreddamento post cementazione e poi ulteriormente propagata durante o subito dopo la tempra differita. Nessuna responsabilità poteva essere attribuita alle lavorazioni di stampaggio, d’asportazione di truciolo, o al trattamento termico di cementazione e tempra, perché tutti condotti correttamente e tali da conferire le caratteristiche di progetto a livelli di qualità medio alti.

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