Durabilità | Tecniche d'indagine neutroniche

Caratterizzazione avanzata di materiali metallici per l’edilizia

Performance, resistenza e limite di fatica di materiali e componenti metallici per il settore edile, spesso sottomessi a elevati livelli di sollecitazione, sono peculiarità sempre più essenziali per cui una caratterizzazione a livello avanzato può rivelarsi notevolmente appropriata e vantaggiosa. Tecniche, basate sui neutroni, interessano la distribuzione interna e sub-superficie delle deformazioni e tensioni residue e quella dimensionale dei difetti si dimostrano vantaggiose per interpretare correttamente la base strutturale per la proprietà chimiche e/o fisiche, per perfezionare qualità, durabilità e sicurezza di materiali e componenti.

Le moderne strutture metalliche, specie riguardo all’edilizia a secco in acciaio, debbono assolvere appropriati standard di durabilità e sicurezza sismica legati alle performance, anche in caso d’eventi sismici d’elevate magnitudo.

Gli ultimi sviluppi tecnologici consentono di produrre acciai con alto grado di purezza, influendo significativamente su qualità e composizione: una quantità ridotta d’ossigeno e altri componenti non metallici indesiderati ha facilitato il progresso delle proprietà di tali acciai. Tali strutture possono subire importanti sollecitazioni, di conseguenza è importante approfondirne la caratterizzazione, soprattutto in zone critiche (per esempio, giunti saldati).

Saldature d’acciaio da costruzione Uni En 10025-2 laminato a caldo per profili.

Le descrizioni quantitative dei difetti in un dato volume di materiale di tali parti sono basilari, specie per lo sviluppo dei criteri di frattura: le proprietà, infatti, dipendono molto dalla morfologia dei difetti.

I parametri ottenuti dalle classiche metodologie d’indagine possono presentare, in tali casi, una mancanza di dati: soprattutto per applicazioni critiche e onde ottimizzare i processi coinvolti, perciò, è opportuna un’analisi volta a conoscere la distribuzione tensionale interna e sub-superficie e i fattori nano- e micro-strutturali tipo difetti (disomogeneità, porosità e precipitati).

Tale conoscenza può influenzare il comportamento dei materiali già in fase di pianificazione, svolgendo un ruolo decisivo nella messa a punto della loro selezione e dei requisiti di progettazione ingegneristica.

Le tecniche neutroniche, quali strumenti diagnostici non distruttivi, sono in grado di completare con informazioni originali e sostanziali le attività d’analisi, fornendo dati significativi sui parametri fondamentali responsabili della degradazione, della frattura e di altri fenomeni. I risultati ricavati hanno sempre fornito un supporto rilevante per arricchire la comprensione di performance e caratteristiche dei materiali [1, 2].

La diffrazione neutronica (Dn) [3] consente di valutare le deformazioni e tensioni residue (Tr) a partire da circa 50 μm sino a svariati cm di profondità dalla superficie esterna, con una risoluzione spaziale nell’intervallo da 0,1 a 2 mm, fornendo una mappa tridimensionale di tali deformazioni e tensioni [1].

L’effetto delle Tr può essere benefico o pregiudizievole, in dipendenza della loro distribuzione e intensità e degli altri carichi cui la parte è sottoposta. La diffusione neutronica a piccoli angoli (Dnpa) [4], complementare, consente d’ottenere importanti informazioni sui difetti del materiale e dei campioni considerati (provenienti da diverse forniture), inclusi i difetti che, sovrapposti allo stato tensionale, possono accelerare l’invecchiamento del componente.

La distribuzione delle forme delle disomogeneità può essere valutata nell’intervallo 100÷104Å. Lo Studio d’Ingegneria Rogante, per le applicazioni industriali delle tecniche neutroniche®, ha sviluppato appositi procedimenti di misurazione, modelli d’approssimazione e procedure d’elaborazione dati: i risultati ottenuti hanno un alto grado d’affidabilità, essendo mediati su volumi di materiale assai maggiori in paragone ad altre tecniche d’indagine come la microscopia elettronica.

Mappa delle tensioni residue in saldatura a V di acciaio inossidabile AISI 304 [5].
Variazione dei parametri dimensione (A), concentrazione (B), area d’interfaccia (C) e frazione volumica (D) dei carburi in acciaio NiCrMoV a differenti posizioni investigate mediante Dnpa.

I risultati sono impiegabili per ottimizzare le condizioni operative e/o modificare parametri costruttivi, nella prospettiva d’aumentare la sicurezza delle moderne costruzioni e favorire lo sviluppo di tecnologie avanzate di produzione.

di Massimo Rogante
Studio d’Ingegneria Rogante, www.roganteengineering.it

Bibliografia

[1] M. Rogante, Applicazioni Industriali delle Tecniche Neutroniche®, Atti 1° Workshop Nazionale per l’Industria AITN 2008, Rogante Engineering, Ed. (2008), 40-120.
[2] M. Rogante, L. Rosta, Proc. SPIE 5824 (2005), pp. 294-305.
[3] Determinazione delle tensioni residue mediante diffrazione neutronica, Studio d’Ingegneria Rogante, pagina web http://www.roganteengineering.it/pagine_servizi/servizi1.pdf.
[4] Caratterizzazione di materiali e componenti a livello di micro- e nano-scala mediante diffusione neutronica a piccoli angoli, Studio d’Ingegneria Rogante, pagina web http://www.roganteengineering.it/pagine_servizi/servizi2.pdf.
[5] M. Rogante et al., Lamiera, Tecniche Nuove, Ed., Milano, Vol. 10 (1997), 152-161.
[6] [12] M. Rogante, G. F. Ceschini, L. Tognarelli, E. Rétfalvi, V. T. Lebedev, J. Mat. & Design, 26/3 (2005), 191-195.

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