PROCEDURE GENERALI PER LA DIAGNOSI DEI DIFETTI METALLURGICI

Transcript

1 Capitolo primo PROCEDURE GENERALI PER LA DIAGNOSI DEI DIFETTI METALLURGICI L obiettivo di tutti i produttori è quello d assicurare la funzionalità dei propri prodotti, quali che siano (automobili, aeroplani, trattori o tostapane). La qualità del prodotto è legata indissolubilmente con la soddisfazione del consumatore, che oggi richiede molta più affidabilità rispetto al passato. Se l obiettivo è quello di dare al prodotto la maggior affidabilità, che lo faccia preferire a quello della concorrenza, non si può trascurare la metodologia d analisi degli inevitabili difetti che possono manifestarsi durante la verifica e validazione della progettazione e durante l uso. Questo primo capitolo si occuperà principalmente delle procedure generali, tecniche e precauzioni da attuare per le indagini e l analisi dei difetti metallurgici che si manifestano nei prodotti in esercizio. Saranno discusse le fasi e le caratteristiche delle più comuni cause dei difetti e spiegati i meccanismi fondamentali coinvolti. Nei successivi capitoli saranno considerate le tecniche e le procedure specifiche della diagnosi dei difetti metallurgici dovuti a varie cause e meccanismi correlati a fattori ambientali, alla geometria e forma, ai difetti di fabbricazione o d uso dei prodotti. FASI DELLA DIAGNOSI DI DIFETTI Benché la sequenza sia soggetta a variazioni secondo la natura del difetto, le principali fasi che costituiscono l insieme dell indagine o diagnosi dei difetti sono tipicamente le seguenti: 1. raccolta dei dati di base e selezione dei saggi e campioni; 2. esame preliminare delle parti danneggiate (esame visivo e registrazione); 3. prove non distruttive; 4. prove meccaniche (durezza e resilienza incluse); 5. selezione, identificazione, pulizia e conservazione di ogni campione prelevato; 6. esami macroscopici e analisi delle fratture, cricche primarie e secondarie e di altre caratteristiche delle superfici; 7. esami microscopici in microscopia ottica (stereoscopia) ed elettronica (SEM), con analisi dei risultati; 8. selezione, preparazione ed esame macro e micrografico di opportune sezioni metallografiche; 9. analisi chimica del materiale base o in zone particolari; 10. microanalisi elettronica di fasi o di prodotti superficiali di corrosione, di incrostazioni o di rivestimenti; 11. analisi dei meccanismi di frattura, basata sulla teoria della meccanica della frattura; 12. prove di simulazione delle condizioni d esercizio o prove speciali mirate a riprodurre il difetto; 13. analisi critica di tutte le informazioni raccolte, formulazione dell ipotesi di guasto e stesura della relazione finale, che includa le raccomandazioni per evitare altri danni analoghi in futuro Va subito sottolineato che il tempo speso per raccogliere le informazioni disponibili sulla storia del componente o della struttura di cui s intraprende la diagnosi di difetto non è mai sprecato, ma sempre impiegato molto bene, perché consente di pianificare l indagine e di giungere più agevolmente alla meta col minore dispendio di tempo e risorse economiche. La tentazione di sottoporre immediatamente a prove, magari distruttive, un saggio rotto, prima ancora d aver definito un piano di lavoro, è assai diffusa. Tale pratica va assolutamente bandita, perché può vanificare l intera indagine distruggendo importanti prove o evidenze oggettive. In ogni caso fa perdere tempo, soprattutto quando è più prezioso. Talvolta può essere poco pratico o impossibile per l analista visitare il luogo o la struttura dove s è verificato il difetto o l avaria. In questo caso tutte le informazioni e i saggi disponibili possono essere raccolti da chi lavora sul posto, che si dovrebbe attenere scrupolosamente ai consigli dell analista. A tal scopo è sempre raccomandabile dare all incaricato una lista di riscontro generale e la procedura per la raccolta e conservazione dei saggi, per avere la certezza che nulla sarà dimenticato e che le operazioni siano eseguite correttamente. RACCOLTA DELLE INFORMAZIONI E DEI SAGGI All inizio della diagnosi di difetto, l analista deve raccogliere tutte le informazioni disponibili su quanto si conosca del saggio o della struttura difettosa e delle circostanze in cui si verificò il danneggiamento. Egli deve raccogliere tutte le informazioni disponibili sulla progettazione, sul ciclo di fabbricazione, sui trattamenti termici e di finitura superficiale e sulle condizioni d uso del componente o della struttura difettosa. Deve inoltre ricostruire per quanto possibile la successione degli eventi che hanno portato all avaria o al danneggiamento. La raccolta delle informazioni sulla progettazione e fabbricazione d un componente o struttura deve iniziare dalle specifiche tecniche e dai disegni; deve comprendere tutti gli aspetti del progetto del componente difettoso e tutti i dettagli sulla fabbricazione (lavorazioni alle macchine utensili, saldature, trattamenti termici, trattamenti di finitura superficiale, ecc.). Registrazione della storia dei componenti L istituzione di un servizio di manutenzione aziendale che registri la storia e il comportamento delle strutture, impianti, macchine, attrezzature e dei componenti in dotazione all organizzazione semplificherebbe enormemente il lavoro dell analista. Gli addetti dovrebbero registrare le caratteristiche di progetto e le condizioni d esercizio, quali: il carico nominale, i sovraccarichi accidentali, i carichi ciclici, le variazioni di temperatura, i gradienti di temperatura, le caratteristiche dell ambiente specie se corrosivo, ecc. Purtroppo tale situazione è molto rara soprattutto nelle piccole e medie imprese italiane, perché manca la cultura della manutenzione a salvaguardia del proprio patrimonio. Tanto meno esiste un servizio di raccolta dati e generalmente non sono disponibili informazioni complete. Ciò costringe l analista a lavorare con informazioni frammentarie, spesso basate su ricordi approssimativi. Egli è dunque costretto a dedurre le condizioni di servizio basandosi sulla propria esperienza. Pertanto diventa utilissimo il dialogo con chi ebbe in uso il componente o la struttura, per quanto

2 inesperto. Il successo della diagnosi dipende soprattutto dall esperienza e conoscenza metallurgica dell analista, che deve giudicare quali, fra le informazioni ricevute, siano degne d essere considerate e ricostruire quanto più fedelmente possibile le condizioni di servizio. Dare peso a informazioni errate o dedurre erroneamente le condizioni di servizio è fuorviante e può essere talvolta più dannoso della totale mancanza d informazioni. L analista deve essere un giudice imparziale, perciò deve valutare ogni informazione ricevuta, ma non deve per nessuna ragione lasciarsi influenzare dalla pressante insistenza di chi è parte in causa o abbia interesse a incanalare l indagine per ragioni economiche o di prestigio. Non deve crearsi preconcetti. Durante l indagine deve verificare se le informazioni ricevute trovino riscontro nei risultati delle prove pianificate e condotte, scartando definitivamente soltanto le informazioni che siano chiaramente smentite dai risultati sperimentali. Documentazione fotografica La documentazione fotografica è un mezzo d eccezionale valenza per spiegare e trasferire ai committenti i risultati dell indagine. L analista dovrebbe sempre fotografare la struttura o il componente esaminato, cercando di riprenderne l insieme e i particolari. Quante e quali fotografie siano necessarie deve essere deciso dopo un attento esame visivo. È meglio scattare qualche fotografia in più e poi non utilizzarla nel rapporto finale, piuttosto che rimanere sprovvisti della documentazione di un particolare importante. Infatti, una caratteristica che all inizio poteva sembrare irrilevante può diventare determinante durante l indagine o alla fine della diagnosi, cioè quando può esser troppo tardi per poterla documentare fotograficamente. Perciò la completezza della documentazione fotografica è molto importante. Le fotografie dei componenti o delle strutture in cantiere dovrebbero esser fatte da un professionista, ma ciò spesso non è possibile. Pertanto l analista dovrà dotarsi di una macchina fotografica digitale, possibilmente professionale, attrezzata con vari obiettivi e sistemi d illuminazione adeguati, per scattare personalmente le fotografie, di cui dovrà controllare subito il risultato. In alternativa dovrà istruire il cliente o un suo incaricato di eseguirle nel modo più completo e corretto possibile. Le fotografie dei saggi ricevuti in laboratorio possono essere scattate su banco ottico e con ogni mezzo fotografico disponibile. La qualità delle immagini digitali è oggi abbastanza buona e generalmente sufficiente per gli scopi prefissati. Quando è necessaria una documentazione accurata a colori, il saggio deve essere fotografato contro uno sfondo grigio o di colore appropriato, previa corretta illuminazione (se possibile usare la luce del sole). La fotografia digitale si presta alla correzione postuma delle dominanti cromatiche, per cui non è più così importante l uso di adatti filtri nel caso d illuminazione artificiale. Un campione dello sfondo servirà come guida per la correzione delle dominanti cromatiche prima della stampa della fotografia. Scelta dei saggi Prima di cominciare lo studio, che potrebbe essere lungo e complicato, l analista deve scegliere i saggi rappresentativi del difetto e adatti allo scopo dell indagine. Egli deve cercare anche altre tracce di danneggiamento, oltre a quelle immediatamente visibili, per evitare di scegliere saggi non completamente rappresentativi o di numero insufficiente. Spesso è utile paragonare componenti difettosi con altri simili integri, per meglio capire se il difetto sia dovuto alle condizioni d esercizio o a un errore di progetto, di fabbricazione o di fornitura. Per esempio: se un tubo di una caldaia s è danneggiato per sospetto surriscaldamento e l esame micrografico rivela una struttura con perlite globulare (generalmente indicativa di questo fenomeno), il paragone con un tubo non usato, oppure prelevato in una zona non danneggiata e lontana dalla fonte di calore, può definitivamente eliminare il dubbio che il tubo sia stato o meno fornito allo stato ricotto globulare. Nel caso di diagnosi di difetto su bulloni è necessario esaminare oltre alle viti anche i dadi e le altre parti a contatto (flange, travi, ecc.) che possono aver favorito il danneggiamento. Analogamente per i difetti correlati alla corrosione è necessario analizzare un campione del fluido di contatto col metallo, o qualsiasi deposito si sia formato sulla superficie nei pressi del difetto. Condizioni d esercizio anomale Nell indagare sulla storia della struttura o del componente danneggiato, è consigliabile insistere nella verifica delle eventuali condizioni anomale d esercizio; cioè verificare se durante l uso sono accaduti eventi eccezionali che possano aver innescato il difetto e se tali eventi si siano ripetuti e con quale frequenza; se di recente siano stati condotti interventi di manutenzione ordinaria o straordinaria, riparazioni o revisioni e come gli interventi siano stati eseguiti. Bisogna anche capire se il difetto sia un caso isolato o se ne siano avvenuti altri analoghi in passato, nella struttura o nel componente sotto inchiesta, o in altri casi simili. Accertata la presenza di una frattura fragile con l esame frattografico, è importante sapere se il componente si sia rotto a bassa temperatura, o sia stato sollecitato d impulso o in condizioni di bi o triassialità, perché in queste condizioni si possono propagare fratture fragili anche in componenti di normale o d elevata tenacità. Nelle analisi dei difetti di alberi a gomito, o di alberi rotanti in generale, è necessario conoscere le caratteristiche dei cuscinetti e verificare se esistano condizioni di disallineamento, che spesso sono la causa di precoce usura. Nell esame dei rottami di un incidente stradale, di un disastro aereo o ferroviario, del crollo di un edificio, o altro ancora, è assolutamente necessario registrare la posizione di ciascun pezzo prima di toccare o muovere qualsiasi cosa. Tale documentazione richiede numerose fotografie estese all insieme e ai particolari, la redazione di schizzi e la misura delle dimensioni dei pezzi e delle distanze, con tabulazione dei risultati. Inoltre è necessario redigere un inventario dettagliato, per assicurarsi che tutti i pezzi o frammenti siano presenti sul luogo dell incidente o del disastro. L esame di un disastro aereo richiede un inventario di grande mole, comprendente il numero dei motori, i flaps, i carrelli e le varie parti della fusoliera e delle ali. Ovviamente è essenziale verificare se tutte le parti dell aereo fossero a - 2 -

3 bordo al momento del disastro, confrontando la lista di riscontro con l inventario, che se ben redatto e molto accurato è spesso risolutivo. Infatti, accadde di risolvere una difficile ricerca su un disastro aereo quando un esperto notò che una porzione della punta di un ala mancava dai rottami. Questo frammento fu successivamente localizzato molte miglia lontano dal luogo dell impatto, lungo la rotta dell aereo e fornì la prova del danneggiamento per fatica di quella struttura, spiegando la caduta. Il problema più comune che si pone all analista nella diagnosi di difetto di una struttura a più componenti o dei rottami di un incidente o di un disastro è quello di stabilire la successione delle fratture e trovare il difetto iniziale. Di solito la direzione di propagazione della frattura può essere rivelata dalle caratteristiche corrugazioni della superficie di frattura, come le chevron marks, che convergono verso il punto d innesco (figura 1.01). fu danneggiato in conseguenza della rottura fuori dal giunto della spina. Quando i frammenti sono stati ricomposti e fatti combaciare si è dedotto che la frattura A avvenne prima delle B e C, per la macrodeformazione subita dal giunto. Figura Supporto di un giunto a spina rotto. La frattura A è avvenuta prima della B e C, come dimostra la macro deformazione rilevabile dalla ricomposizione dei frammenti. Figura Linee di propagazione della frattura (chevron marks) convergenti nel punto d innesco, indicato dalla freccia. Quando due fratture s intersecano è possibile definirne la successione, come illustrato in figura Se la direzione di propagazione della frattura B, che termina sulla frattura A, è quella indicata dalla freccia, la frattura A non può che essersi propagata per prima, perché limita e ferma la propagazione della frattura B. Questo metodo delle sequenze è chiamato procedimento della giunzione a T ed è una tecnica d indagine importante nell analisi frattografica. B A ESAMI PRELIMINARI Le parti difettose, compresi tutti i frammenti, devono essere sottoposte a un esauriente esame visivo prima di qualsiasi manipolazione e pulizia. Spesso la terra o detriti trovati sulle superfici del componente forniscono informazioni utili per identificare le cause o la sequenza degli eventi che portarono alla rottura. Per esempio, tracce di pittura trovate su parte della superficie di frattura possono indicare che una cricca, in cui della vernice s è inserita, poteva esser presente prima che avvenisse la rottura completa del componente, come nel caso di seguito descritto. Tale evidenza deve essere assolutamente registrata e ricordata, perché fondamentale ai fini della definizione del meccanismo e cause della frattura. Vari radiatori di un impianto di riscaldamento civile mostrarono perdite e furono tutti sostituiti. Erano costruiti con tubi d acciaio uniti ai collettori e pitturati a polvere con due strati: primer e pittura bianca (figura 1.04). Durante l indagine si scoprì che i tubi erano saldati (figura 1.05) e che la pittura in alcuni casi era penetrata nelle fessure di saldature aperte (figura 1.06), che ovviamente lo erano prima della pitturazione. Figura Schema della sequenza di propagazione di due cricche mediante la tecnica della giunzione a T. La cricca A precede la B in quanto la blocca e ne impedisce l ulteriore propagazione. A patto che le superfici di frattura dei frammenti d un componente rotto non vengano a contatto fra loro (per questo è necessario interporre un film di carta velina prima di accostarle), può esser utile far combaciare i due frammenti, per trovare la sequenza di propagazione di fratture multiple. La figura 1.03 mostra il supporto di un giunto a spina, che Figura Radiatore difettoso e sostituito perché perdeva. -3-

4 Figura Sezione trasversale di un tubo del radiatore presso una perdita. Zona termicamente alterata della saldatura longitudinale rotta. Si osservi la penetrazione della pittura nella fessura. Attacco nital 2 %. 50 x. la caratteristica. Non va mai dimenticato che nel saggio esaminato possono essere presenti piccoli indizi importanti, che sarebbero trascurati in un osservazione poco attenta. Completato l esame a occhio nudo è necessario avvalersi di lenti d ingrandimento per riesaminare i particolari più piccoli degli indizi che hanno attratto l attenzione durante la prima osservazione. Infine è opportuno esaminare ancora con un microscopio stereoscopico a basso ingrandimento (6 25 x), avendo cura d orientare la luce sequenzialmente in più direzioni per evitare di male interpretare le immagini. La figura 1.07 dimostra come la luce, generando le ombre, possa modificare l aspetto tipico di un buco in un apparente rilievo e viceversa. Essa rappresenta alcuni pianeti con crateri e satelliti. Se la capovolgete vedrete i crateri diventare satelliti e viceversa. Lo stesso accadrà, pur mantenendo ferma la figura, se vi convincerete che la luce proviene dal basso anziché dall alto. Figura Particolare della figura precedente. Penetrazione del primer e della pittura nella fessura della saldatura rotta. Attacco nital 2 %. 200 x. Esame visivo Il primo esame visivo deve essere condotto a occhio nudo. L occhio possiede eccezionale profondità di campo e la capacità d esaminare rapidamente grandi superfici scoprendo cambiamenti di colore e di morfologia. Alcune di queste caratteristiche si perdono usando mezzi ottici (lenti, microscopi, endoscopi) od elettronici (telecamere). Particolare attenzione deve essere posta nell esame delle superfici di frattura e alla direzione di propagazione della frattura. Deve essere osservata e valutata l importanza di qualsiasi indicazione o caratteristica d usura o di danneggiamento meccanico o chimico. È necessario valutare le caratteristiche del progetto in generale e le procedure seguite per la realizzazione del prodotto. Tutte le caratteristiche più importanti, comprese le misure delle dimensioni, devono essere registrate in forma tabulare oppure su schizzi o con fotografie, non dimenticando di porre in primo piano, a margine dell immagine, un righello o un metro per riferimento. L esame deve dapprima considerare l oggetto nel suo insieme e poi deve analizzare ogni dettaglio nel modo più minuzioso possibile e va ripetuto con illuminazione orientata in varie direzioni, per mettere in evidenza ogni più picco- Figura Pianeti con crateri e satelliti, reciprocamente sostituibili ruotando la figura o convincendo il cervello sulla direzione della luce. Studio della frattura Quando la diagnosi di difetto coinvolge le fratture, per prima cosa bisogna fotografare l intero componente o struttura rotta, ivi compresi i pezzi o frammenti, per documentare le dimensioni, le condizioni e la giacitura della frattura in relazione ai vari frammenti. Poi deve seguire un attento esame della frattura, le cui superfici vanno osservate anche attraverso la macchina fotografica. L osservazione andrebbe condotta con illuminazione diretta, su fondo scuro, usando vari angoli d incidenza, per evidenziare le caratteristiche della frattura. Ciò consente anche di stabilire quali aree della frattura siano di maggior interesse e di definire l ingrandimento più idoneo per evidenziarne i dettagli più fini. Quando l esame è concluso, bisogna fotografare la frattura, registrando per ogni fotografia: la data; i riferimenti del saggio fotografato; i riferimenti dei particolari ripresi; l ingrandimento; le eventuali condizioni particolari d illuminazione usate e la correlazione con altre fotografie. Per informazioni sulla strumentazione, sul materiale e sulle tecniche fotografiche si rimanda all articolo: Photo- -4-

5 graphy of fractured parts and fracture surfaces, Metals Handbook, 8a edizione, vol