2.1 Caratteristiche dei controlli non distruttivi

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1 I controlli non distruttivi 2.1 Caratteristiche dei controlli non distruttivi In questo capitolo sono descritte in generale le caratteristiche dei controlli non distruttivi, con particolare attenzione alle applicazioni sui materiali compositi ad uso aeronautico. Sono inoltre descritti i metodi principali d indagine non distruttiva, i principi fisici su cui si basano e le modalità con cui vengono applicati. I CND sono tecniche di indagine che permettono di controllare organi meccanici o manufatti senza alterare le loro caratteristiche fisiche e geometriche; per questo sono denominati non distruttivi. Essi consentono di individuare e valutare le imperfezioni presenti, in termini di discontinuità geometriche (porosità, fessure o cricche) o di inclusioni di impurità, capaci di declassare le qualità strutturali del pezzo in esame. In campo industriale l evolversi dei CND ha permesso di effettuare indagini sempre più raffinate sui prodotti finiti e di adottare margini di sicurezza meno gravosi, incrementando le funzionalità ed abbassando i costi di produzione. Il limite principale di questo tipo di controlli è legato alla loro elevata selettività nei confronti dei materiali su cui devono essere effettuate le indagini ed al tipo di difetto riscontrabile. Questo richiede spesso l uso di più controlli combinati sullo stesso prodotto finito, con conseguente aggravio economico. Inoltre, si deve tenere conto che, per particolari tecniche di indagine, è richiesta una grande esperienza da parte del personale addetto al controllo, poiché i risultati ottenuti sono difficilmente interpretabili, rendendo così più complessa la certificazione di alcuni manufatti. Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.24

2 2.2 Utilizzo dei CND sui materiali compositi Essendo i materiali compositi non omogenei, la filosofia con cui devono essere eseguiti i controlli è diversa rispetto ai classici materiali omogenei, quali i metalli. Nei compositi la presenza dei difetti è un inevitabile conseguenza della loro eterogeneità. Questo dà origine ad una diversa classificazione dei difetti secondo la loro gravità. Esistono, infatti, difetti come delaminazioni e microfratture, estremamente pericolose per la loro presenza, mentre ne esistono altri, come porosità od inclusioni, preoccupanti solo se assumono dimensioni notevoli. L applicazione dei CND sui compositi deve permettere di individuare il tipo di difetto e la sua estensione, al fine di rendere più precisa l analisi e l eventuale scarto del manufatto. Nei materiali omogenei, invece, lo scopo di un indagine non distruttiva è finalizzato alla sola individuazione delle discontinuità e delle loro dimensioni, ma non alla classificazione delle stesse, poiché l omogeneità non è fonte d imperfezioni intrinseche del materiale. E sufficiente dunque fissare delle soglie di sicurezza per i difetti, senza preoccuparsi di definirne il tipo. La presenza nei compositi di fasci di fibre, disposti in strati sovrapposti ed uniti da una matrice di resina, è già di per sé fonte di discontinuità. Per questo motivo risulta difficoltoso discriminare le discontinuità intrinseche di tali materiali dai difetti veri e propri. 2.3 Generalità sulle principali tecniche di CND Le tecniche di CND maggiormente impiegate in ambito industriale, produttivo ed universitario di ricerca, sono le seguenti: Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.25

3 Raggi X, radioscopia e stereo radiografia La radiografia standard impiega i raggi X per effettuare una radiografia del pezzo, al quale è stato fatto assorbire come contrasto un liquido opaco agli stessi raggi, che può penetrare all interno sia per assorbimento che per capillarità. La tecnica utilizza raggi X prodotti dall impatto di elettroni accelerati contro atomi pesanti, per ottenere su una pellicola sensibile un immagine per trasparenza dell organo controllato. Gli eventuali difetti sono rilevati attraverso un esame dell immagine, spesso ricavata per confronto con rappresentazioni campione su provini predifettati. La qualità dell immagine dipende principalmente dall intensità della radiazione, dal tempo d esposizione e dalla scelta della pellicola, proprio come nella fotografia. Il controllo ai raggi X è stato il primo ad essere utilizzato e resta uno dei più diffusi, anche perché consente un controllo incrociato delle difettologie con altri metodi d indagine. Inoltre gode di una gran versatilità d utilizzo, poiché, secondo le esigenze, possono essere fatte variare sia la lunghezza d onda sia l intensità della radiazione emessa. Questo metodo è considerato statico, poiché si esegue fissando i parametri d indagine all inizio della prova e fornisce un unico e conseguente risultato. La radioscopia, pur eseguita con le stesse modalità della radiografia, realizza invece un indagine dinamica, con visualizzazione su monitor. Essa permette di variare i parametri durante l esame, in funzione del risultato già ottenuto, consentendo d avere molte più informazioni rispetto all esame radiografico. Questa tecnica consente inoltre una riduzione dei costi d esame, poiché non fa uso di materiale sensibile e di camera oscura. La stereo radiografia è un evoluzione della radiografia standard. Consiste nell effettuare due radiografie da angolazioni diverse, confrontando le quali è possibile ricavare informazioni sulla profondità dei danneggiamenti. Gammagrafia La gammagrafia usa le stesse modalità della radiografia, sostituendo il tubo generatore dei raggi X con delle capsule contenenti degli isotopi radioattivi. Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.26

4 Sono generalmente usati il Cs 137, il Co 60, il Tm 170 e l Ir 192. La qualità dell immagine è inferiore rispetto a quella ottenuta ai raggi X. In particolare si hanno più forti sfumature e un più basso contrasto. L utilizzo di radioisotopi richiede il rispetto di particolari norme di sicurezza e di protezione dalle radiazioni. Spettroscopia chimica Questa classificazione comprende svariate tecniche, alcune in uso anche in campo medico, delle quali non entriamo nello specifico: o Nuclear Magnetic Resonance (NMR) o Electron Spin Resonance (ESR) o Raman Spectroscopy o Fourier trasform infrared spectroscopy (FTIR) o Ultraviolet Spectroscopy (UV) o Luminescence o Fracto Emission (FE) Metodi con particelle magnetiche Magnetizzando il pezzo in esame, in corrispondenza delle imperfezioni superficiali e sub-superficiali, si manifesta una strozzatura delle linee di forza magnetiche nel suo interno ed una fuoriuscita in aria. Nasce così, nella zona del difetto, un fenomeno di magnetismo locale. L applicazione di polveri metalliche, sensibili ai flussi dispersi, favorisce la visualizzazione delle discontinuità. Questa tecnica fornisce informazioni su eventuali cricche longitudinali e trasversali, utilizzando rispettivamente una magnetizzazione a campo trasversale ed a campo longitudinale. Sono disponibili inoltre apparecchiature in grado di operare entrambi i metodi per una migliore caratterizzazione dei difetti. Naturalmente il limite di questa tecnica è l applicabilità ai soli materiali magnetici per rilevazioni superficiali dell ordine di qualche millimetro. Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.27

5 Correnti di Focault Questo metodo sfrutta i principi dell elettromagnetismo attraverso l uso di correnti indotte, generate da un campo magnetico applicato da bobine esterne su di un materiale magnetico. Tali correnti generano a loro volta un campo indotto, che contrasta quello eccitatore, modificando l impedenza delle bobine. La presenza di difetti produce, nel pezzo, un alterazione delle linee di correnti parassite, che inducono nella sonda una variazione d impedenza e di corrente che, opportunamente amplificata, serve per la segnalazione del difetto. L apparecchiatura usata si compone di un oscillatore a diverse frequenze, di sonde e di bobine in cui si introduce il pezzo da esaminare. Le dimensioni minime del difetto dipendono dal diametro della bobina. Questa tecnica è utile nei compositi sia per rilevare fratture nelle fibre, poiché si verifica un interruzione di corrente, sia per rilevare la quantità di matrice presente, in quanto, essendo la resina non conduttrice, si genera un effetto capacitivo trasversale. Termografia La termografia si basa sulla constatazione che la presenza di difetti perturba il flusso di calore nei materiali. Queste perturbazioni sono rilevabili mediante rivestimenti fotocromatici o mediante il monitoraggio agli infrarossi. Il limite di questa tecnica consiste nell individuazione dei soli difetti superficiali. Liquidi penetranti colorati e fluorescenti Questa tecnica sfrutta il principio fisico della capillarità, per fare penetrare, in fessure a volte molto sottili, dei liquidi scelti in funzione del particolare materiale o resina che si vuole esaminare. I liquidi utilizzati devono avere le seguenti caratteristiche: o Elevata tensione superficiale e bassa viscosità, anche a temperatura ambiente, per poter penetrare nelle fessure per capillarità Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.28

6 o o Costanza nella penetrazione, quindi indipendenza sia dalla quantità di liquido versato sia dal tempo di esposizione Buona visibilità sia per liquidi a colorazione normale sia per quelli fluorescenti La fase di penetrazione del liquido è seguita dal lavaggio del liquido rimasto in superficie. Un limite di questa tecnica consiste nell impossibilità di fornire informazioni quantitative sull estensione in profondità del difetto, nonché sui difetti interni al materiale. E pertanto un buon metodo per evidenziare i difetti che presentano delle aperture in superficie, come ad esempio le cricche, le incrinature etc. Liquidi filtranti I liquidi filtranti sono utilizzati per evidenziare cricche superficiali in materiali porosi come la porcellana, la ceramica non vetrificata, il cemento, il carbone, la grafite, il carburo di tungsteno, il titanio etc. Il metodo si basa sull assorbimento differenziato di liquidi tra la superficie porosa e le incrinature. I difetti sono evidenziati attraverso linee di colore visibili o fluorescenti con luce di Wood. Polveri elettrizzanti Questa tecnica è utilizzata per rilevare le cricche e le incrinature su materiali isolanti non porosi come la porcellana smaltata, il vetro, la ceramica vetrificata e la plastica. Il pezzo da esaminare è immerso in un liquido penetrante conduttore che entra nelle discontinuità. Dopo aver essiccato la superficie, si soffia attraverso un apposito ugello una particolare sostanza polverizzata che, nell attraversare l ugello stesso, si carica elettrostaticamente per strofinio. Sfruttando la conducibilità del liquido penetrato, si provoca l attrazione delle cariche, le quali si addensano sui difetti rendendoli visibili. Questa tecnica è usata specialmente per evidenziare i difetti presenti nelle saldature tra vetro e metallo. Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.29

7 Interferometria olografica Questo metodo utilizza un raggio laser coerente e monocromatico, con il quale è illuminato il pezzo da indagare. Consiste nell impressionare una pellicola sensibile alle frange di interferenza che si creano tra il fascio di luce originario e quello riflesso dal provino. Se il pezzo non presenta difetti, le frange risultano con variazioni uniformi. L esistenza di discontinuità provoca invece delle cuspidi che rompono l uniformità nella loro spaziatura. Questa tecnica permette di individuare grossi danneggiamenti ed inclusioni. Tecnica delle vibrazioni Si eccita dinamicamente il provino per determinare la frequenza di risonanza e lo smorzamento. Il risultato ottenuto è confrontato con un campione, constatando l eventuale scostamento delle caratteristiche. Questo metodo non permette né la localizzazione né la catalogazione del difetto. Emissioni acustiche Questa tecnica utilizza delle emissioni acustiche, dette anche onde di sforzo, che si sviluppano e si propagano all interno di un provino quando questo è soggetto a cicli di carico. Tali onde possono essere rilevate mediante l uso di trasduttori piezoelettrici. Solamente parte dell energia rilasciata dalle onde di sforzo è convertita in emissioni acustiche. Le frequenze tipiche del fenomeno sono intorno ai 75 Khz. Un vantaggio di questa tecnica è l uso simultaneo durante una prova di fatica. Per la visualizzazione del risultato occorre trattare numericamente il segnale acquisito. Ultrasuoni La tecnica d indagine ad ultrasuoni è descritta in dettaglio nel capitolo 3, poiché costituisce argomento del presente lavoro di tesi. Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.30

8 Microscopia ad ultrasuoni Questa tecnica costituisce un evoluzione della precedente e permette indagini più accurate sul materiale: essa utilizza frequenze dell ordine dei Ghz, consentendo una migliore definizione spaziale sia per il difetto sia per la profondità cui si trova. La risoluzione è dell ordine dei micron. Per contro, operare ad alte frequenze, comporta una serie di problemi, come l enorme mole di dati da elaborare e la difficoltà di propagazione dei segnali US nei materiali compositi a causa dell elevata attenuazione. Tesi di Laurea di De Leo Corrado - Ferrero Paolo Pag.31