I materiali. I materiali. Introduzione al corso. Tecnologia di produzione I materiali La misura della durezza. Le prove meccaniche distruttive

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1 I materiali I materiali Introduzione al corso Tecnologia di produzione I materiali La misura della durezza Le prove meccaniche distruttive La meccanica dei materiali Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi della lezione Comprendere le possibilità e i limiti delle prove non distruttive e il loro campo di applicazione Capire i principi fisici che vengono utilizzati nelle principali prove non distruttive Essere in grado di associare ad ogni processo tecnologico la prova più opportuna 3 Bibliografia per la lezione Manufacturing processes for engineering materials S. Kalpakjian Addison-Wesley Publishing Company, 1991 capitolo 4 paragrafo Politecnico di Torino 2

3 PND: caratteristiche comuni Liquidi penetranti (PT) Magnetoscopia (MT) Ultrasuoni (UT) Radiografia (RT) Politecnico di Torino 3

4 Le Prove Non Distruttive (PND) Consentono di valutare difettosità o struttura dei materiali senza alterare lo stato fisico del pezzo 7 Le Prove Non Distruttive (PND) Consentono di valutare difettosità o struttura dei materiali senza alterare lo stato fisico del pezzo Sono procedimenti indiretti: valutano le criticità attraverso la loro influenza sulle proprietà fisiche del materiale in esame Politecnico di Torino 4

5 Le Prove Non Distruttive (PND) Consentono di valutare difettosità o struttura dei materiali senza alterare lo stato fisico del pezzo Sono procedimenti indiretti: valutano le criticità attraverso la loro influenza sulle proprietà fisiche del materiale in esame Risultano utili per la verifica al 100% della produzione o per il monitoraggio dello stato del componente durante tutta la sua vita operativa 9 Precauzioni di impiego I benefici economici delle prove superano i costi ma il loro uso indiscriminato porta ad un aumento improduttivo dei costi Politecnico di Torino 5

6 Precauzioni di impiego I benefici economici delle prove superano i costi ma il loro uso indiscriminato porta ad un aumento improduttivo dei costi Metodi che distinguono discontinuità molto piccole non sono sempre necessari (es. prodotti in ghisa) 11 Precauzioni di impiego I benefici economici delle prove superano i costi ma il loro uso indiscriminato porta ad un aumento improduttivo dei costi Metodi che distinguono discontinuità molto piccole non sono sempre necessari (es. prodotti in ghisa) La scelta del momento in cui applicare le prove ha significativi risvolti economici Politecnico di Torino 6

7 Scelta della prova Per operare una scelta corretta delle tecniche da applicare è necessario considerare: proprietà fisiche (ferromagnetismo,conducibilità) stato del materiale (fusione, laminato, saldato) grado di finitura superficiale tipo, posizione ed entità dei difetti 13 L affidabilità delle PND L affidabilità di una tecnica non distruttiva è la probabilità che la prova riveli difetti di dimensioni e forma specificate Politecnico di Torino 7

8 L affidabilità delle PND L affidabilità di una tecnica non distruttiva è la probabilità che la prova riveli difetti di dimensioni e forma specificate Lo scopo delle prove è di garantire con un certo livello di confidenza l assenza del difetto dal pezzo 15 L affidabilità delle PND L affidabilità di una tecnica non distruttiva è la probabilità che la prova riveli difetti di dimensioni e forma specificate Lo scopo delle prove è di garantire con un certo livello di confidenza l assenza del difetto dal pezzo Ogni tecnica non distruttiva deve permettere l identificazione dei difetti pericolosi trascurando quelli accettabili Politecnico di Torino 8

9 Applicazione delle PND Collaudi di accettazione controlli di qualità sui semilavorati presso i fornitori o all arrivo in magazzino (liquidi penetranti e ultrasuoni) 17 Applicazione delle PND Collaudi di accettazione Controlli in processo sostituiscono i collaudi finali sono controlli automatici Politecnico di Torino 9

10 Applicazione delle PND Collaudi di accettazione Controlli in processo Controlli in servizio controlli effettuati durante la vita della macchina, in funzionamento o in manutenzione (industria nucleare) Politecnico di Torino 10

11 PND: caratteristiche comuni Liquidi penetranti (PT) Magnetoscopia (MT) Ultrasuoni (UT) Radiografie (RT) 21 Prova a liquidi penetranti Analisi dello stato della superficie del materiale Politecnico di Torino 11

12 Prova a liquidi penetranti Analisi dello stato della superficie del materiale I difetti vengono messi in risalto con liquidi speciali a bassa viscosità e tensione superficiale che penetrano per capillarità nelle discontinuità 23 Prova a liquidi penetranti Analisi dello stato della superficie del materiale I difetti vengono messi in risalto con liquidi speciali a bassa viscosità e tensione superficiale che penetrano per capillarità nelle discontinuità Si rimuove il liquido dalla superficie Politecnico di Torino 12

13 Prova a liquidi penetranti Analisi dello stato della superficie del materiale I difetti vengono messi in risalto con liquidi speciali a bassa viscosità e tensione superficiale che penetrano per capillarità nelle discontinuità Si rimuove il liquido dalla superficie Il liquido penetrato nelle fessure rimane intrappolato e viene evidenziato da un agente assorbente 25 Esame con liquidi penetranti Politecnico di Torino 13

14 Liquidi a contrasto di colore A contrasto di colore osservazione mediante luce visibile si rilevano cricche larghe fino a 0,1 mm 27 Liquidi fluorescenti A contrasto di colore A liquidi fluorescenti osservazione con radiazione ultravioletta (lampada di Wood) sono rilevabili cricche larghe fino a 0,01 mm migliori risultati su superfici rettificate Politecnico di Torino 14

15 Limiti della prova Non rivela difetti sotto pelle o chiusi in superficie Non applicabile su superfici rugose o porose L interpretazione dei risultati va fatta esclusivamente da personale autorizzato L esame è limitato a zone facilmente accessibili Politecnico di Torino 15

16 PND: caratteristiche comuni Liquidi penetranti (PT) Magnetoscopia (MT) Ultrasuoni (UT) Radiografie (RT) 31 La magnetoscopia Rilevazione di difetti superficiali o appena sotto la superficie Tecnica di controllo molto sensibile fino a una profondità di 4 5 mm Applicazione solo a materiali ferromagnetici Politecnico di Torino 16

17 Fisica del processo Il riconoscimento dei difetti avviene perché le particelle si dispongono lungo le linee di flusso del campo magnetico 33 Fisica del processo Il riconoscimento dei difetti avviene perché le particelle si dispongono lungo le linee di flusso del campo magnetico Viene generato un flusso magnetico che si chiude all interno del pezzo Politecnico di Torino 17

18 Fisica del processo Il riconoscimento dei difetti avviene perché le particelle si dispongono lungo le linee di flusso del campo magnetico Viene generato un flusso magnetico che si chiude all interno del pezzo Alcune particelle magnetiche sulla superficie del pezzo vengono attratte dal flusso; dalla loro distribuzione si deduce la presenza di difetti 35 Direzione dei flussi magnetici e cricche Politecnico di Torino 18

19 Direzione dei flussi magnetici e cricche Cricca superficiale rilevabile anche con liquidi penetranti 37 Direzione dei flussi magnetici e cricche Difettosità sotto pelle Politecnico di Torino 19

20 Direzione dei flussi magnetici e cricche Discontinuità interna non rilevabile con magnetoscopia 39 Prova ad induzione magnetica circolare I Politecnico di Torino 20

21 Induzione per avvolgimento magnetico Politecnico di Torino 21

22 PND: caratteristiche comuni Liquidi penetranti (PT) Magnetoscopia (MT) Ultrasuoni (UT) Radiografie (RT) 43 Esame non distruttivo ad ultrasuoni Il fascio ultrasonoro viene generato da trasduttori che trasmettono all'interno del pezzo impulsi riflessi dal materiale e rielaborati da un oscilloscopio Impiego di onde elastiche dette ultrasonore perché a frequenze comprese tra 250 khz e 25 MHz Politecnico di Torino 22

23 Onde elastiche Onde longitudinali (o di compressione) si eccita un solido elastico con sollecitazione alternata piana: fasi alterne di compressione e dilatazione 45 Onde elastiche Onde longitudinali (o di compressione) Onde trasversali (o di taglio) vibrazione del solido in direzione perpendicolare al moto perché soggetto a forze di taglio Politecnico di Torino 23

24 Onde elastiche Onde longitudinali (o di compressione) Onde trasversali (o di taglio) Onde superficiali propagazione dell onda lungo uno strato superficiale 47 Onde elastiche Onde longitudinali (o di compressione) Onde trasversali (o di taglio) Onde superficiali Onde flessurali si verificano in lamiere con spessore pari alla lunghezza d onda Politecnico di Torino 24

25 Onde longitudinali λ Velocità (v) di propagazione Dilatazione Compressione 49 Onde longitudinali Pressione (p) Tempo (t) T Politecnico di Torino 25

26 Onde longitudinali Frequenza f = 1 T Lunghezza d onda λ = x ( t + T ) x ( t ) Velocità v λ = = λ T f Impedenza acustica Z = ρ v 51 Proprietà acustiche dei materiali Materiale ρ [t/m 3 ] v [m/s] Z [s t/m 2 ] Acciaio 7,8 5, Alluminio 2,7 6, Rame 8,9 4, Vetro 2,5 5, Acqua 1,0 1, Politecnico di Torino 26

27 Grafico delle onde dell oscilloscopio Ampiezza d onda Periodo Tempo 53 Grafico delle onde dell oscilloscopio Ampiezza d onda Onda trasmessa Tempo Politecnico di Torino 27

28 Grafico delle onde dell oscilloscopio Ampiezza d onda Onda di ritorno Tempo 55 Grafico delle onde dell oscilloscopio Ampiezza d onda Onda riflessa dalle discontinuità Tempo Politecnico di Torino 28

29 PND: caratteristiche comuni Liquidi penetranti (PT) Magnetoscopia (MT) Ultrasuoni (UT) Radiografia (RT) Politecnico di Torino 29

30 Tecnica radiografica Rilevamento su pellicola della variazione di attenuazione che un fascio a raggi X subisce in funzione degli spessori attraversati Le discontinuità emergono come zone annerite 59 Tecnica radiografica Per spessori maggiori (fino a 150 mm) si usano radiazioni γ con esposizione panoramica Per spessori oltre i 10 cm si usano acceleratori lineari Si possono rilevare difetti dell ordine di 1 2 % dello spessore del pezzo, per sensibilità maggiori si usa il metodo ad ultrasuoni Politecnico di Torino 30

31 La radiografia 61 Applicazione delle radiografie Controllo di saldature Getti in ghisa, in acciaio, in alluminio Materiali compositi Materie plastiche Politecnico di Torino 31

32 Vantaggi delle radiografie Costo contenuto Contenitore piccolo e facilmente trasportabile Sorgente molto piccola che può passare in aperture strette Nessuna alimentazione elettrica 63 Svantaggi delle radiografie È possibile non rilevare difetti bidimensionali (cricche) se il loro orientamento rispetto all'asse del cono radiante è inclinato Politecnico di Torino 32

33 Svantaggi delle radiografie È possibile non rilevare difetti bidimensionali (cricche) se il loro orientamento rispetto all'asse del cono radiante è inclinato Nelle radiografie si ha poco contrasto quindi non è immediato riconoscere i difetti 65 Svantaggi delle radiografie È possibile non rilevare difetti bidimensionali (cricche) se il loro orientamento rispetto all'asse del cono radiante è inclinato Nelle radiografie si ha poco contrasto quindi non è immediato riconoscere i difetti Si possono analizzare pezzi di spessore massimo 180 mm Politecnico di Torino 33

34 Svantaggi delle radiografie È possibile non rilevare difetti bidimensionali (cricche) se il loro orientamento rispetto all'asse del cono radiante è inclinato Nelle radiografie si ha poco contrasto quindi non è immediato riconoscere i difetti Si possono analizzare pezzi di spessore massimo 180 mm Elevati costi di sostituzione della sorgente radioattiva 67 Sommario della lezione Le prove non distruttive sono prove che non alterano i pezzi Le prove forniscono indicazioni indirette sulla salute del pezzo ma occorre esperienza per distinguere i difetti dagli artefatti Le principali prove sono: liquidi penetranti, magnetoscopia, ultrasuoni, radiografia Domande di riepilogo Politecnico di Torino 34