Modelli di frattura su superfici metalliche e soluzioni per problemi nell'analisi dei guasti metallurgici
I materiali metallici, utilizzati in una varietà di prodotti, si rompono comunemente a causa dell'ambiente circostante. È possibile identificare le cause di rottura solo dopo aver osservato i materiali metallici e analizzato accuratamente le superfici fratturate (frattografia).
Nell'industria automobilistica, aerospaziale e in altri settori in cui la sicurezza è importante, i materiali utilizzati sono la componente di base che garantisce la qualità del prodotto.
In questa sezione vengono descritti i metodi di analisi dei guasti metallurgici, nonché le caratteristiche dei modelli di frattura e delle superfici fratturate. Saranno inoltre introdotti esempi di come utilizzare il microscopio digitale 4K per risolvere problemi nell'analisi dei guasti metallurgici.
- Cause di rottura rivelate dalle superfici di frattura del metallo
- Tipi di frattografia
- Modelli di frattura di materiali metallici
- Problemi nell'analisi dei guasti metallurgici e loro soluzioni
- Come rendere l'analisi dei guasti metallurgici più avanzata e più efficiente
Cause di rottura rivelate dalle superfici di frattura del metallo
I materiali metallici come acciaio, rame e leghe di alluminio sono utilizzati in un'ampia gamma di prodotti, dagli elettrodomestici e giocattoli alle infrastrutture e alle apparecchiature elettriche.
Negli ultimi anni, molte industrie, tra cui quella automobilistica e aerospaziale, hanno lavorato per sviluppare materiali con prestazioni sempre migliori. Queste innovazioni mirano a produrre materiali sempre più piccoli e leggeri, pur essendo più rigidi, al fine di ottenere efficienza energetica e ridurre i costi di produzione e lavorazione. Su un'auto, un aereo, una nave, un carro o una navetta spaziale con equipaggio, la rottura di un materiale metallico può mettere in pericolo vite umane. Sono quindi essenziali una rigorosa selezione dei materiali e una progettazione della sicurezza basata su calcoli affidabili e accurati.
Quando si selezionano materiali metallici, vengono eseguiti vari test per testarne la resistenza.
I metodi di prova più comuni sono i seguenti.
- Prove meccaniche:
- Test di trazione, test di flessione, test di compressione, test di taglio, test di scorrimento, test di usura, ecc.
- Prove di durezza:
- Test di durezza di penetrazione, test di durezza dinamica
- Prove chimiche:
- test di corrosione
Questi test, così come l'osservazione della struttura (frattografia) delle superfici di frattura dei materiali metallici dopo l'uso del prodotto finale, vengono utilizzati per identificare le cause di rottura e le proprietà di base dei materiali per la valutazione, la selezione o il miglioramento.
Tipi di frattografia
La frattografia studia come il materiale metallico si è rotto (modello della superficie fratturata o forma della frattura) attraverso l'osservazione della sua struttura per determinare le cause primarie considerando diversi aspetti, come la natura del materiale, il metodo di fabbricazione, il profilo e le condizioni di utilizzo. Tra i vari metodi disponibili per osservare la struttura di una superficie di frattura, ecco i metodi di frattografia più comuni per i materiali metallici.
Osservazione macroscopica
L'osservazione macroscopica è un metodo di analisi effettuato, ad esempio, ad occhio nudo (naked eye analysis), con una lente d'ingrandimento a basso ingrandimento o con un microscopio stereoscopico. L'osservazione può essere facilmente effettuata direttamente sul posto non appena appare la rottura e consente di determinare approssimativamente la causa dal tipo di rottura, dalla presenza di "beach marks", ecc. Tuttavia, l'osservazione macroscopica da sola non è sufficiente per determinare con precisione la causa della rottura.
Osservazione microscopica
L'osservazione microscopica studia le caratteristiche microscopiche osservando la struttura di una superficie di frattura, ad esempio mediante un microscopio ottico o un microscopio elettronico a scansione (SEM). Questa osservazione consente di esaminare la morfologia della frattura in dettaglio catturando diverse caratteristiche della superficie della frattura, come depressioni e striature.
Modelli di frattura di materiali metallici
I modelli di frattura (forme di frattura) sono classificati in fratture duttili (plasticità), fratture fragili, fratture da fatica e fratture influenzate dall’ambiente. Per ogni modello, è possibile osservare le caratteristiche di una superficie fratturata attraverso l'osservazione macroscopica e l'osservazione microscopica per indagare la causa della rottura. Di seguito la descrizione e le caratteristiche di ogni modello di frattura.
Frattura duttile (plasticità)
Una frattura duttile (plasticità) è un modello di frattura osservato in molti materiali metallici e mostra una grande deformazione come allungamento e strizione fino al verificarsi della frattura. Attraverso l'osservazione della struttura, è possibile visualizzare le seguenti caratteristiche e modelli di frattura dettagliati.
- Caratteristiche della superficie di frattura
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- Osservazione macroscopica:
- Shear-lip (frattura inclinata), bianco grigiastro opaco
- Osservazione microscopica:
- Microvuoti, crateri o dimples isometrici (frattura da trazione), crateri allungati (frattura da taglio), linee oblique (frattura per scorrimento)
Frattura fragile
Una frattura fragile è un modello di frattura in cui la fessurazione si è diffusa rapidamente mentre mostra una piccola deformazione plastica. Man mano che la fessurazione procede, non si verifica alcuna deformazione plastica intorno alla superficie fratturata. In generale, si verificano fratture fragili in molti materiali in acciaio durante il normale utilizzo. In molti casi, la superficie fratturata è costituita da superfici di frattura quasi di clivaggio (o di schianto) , che si osservano su grandi acciai trattati termicamente e acciaio strutturale generale situati in ambienti estremamente freddi.
- Caratteristiche della superficie di frattura
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- Osservazione macroscopica:
- Riflessione bianco-argento lucido, linee a lisca di pesce o chevron pattern (rapida rottura transgranulare), crepe di propagazione radiale
- Osservazione microscopica:
- Superficie di frattura semi-clivaggio, river patterns, rottura granulare, frattura complessa
Rottura o danneggiamento da fatica
Una frattura da fatica è un modello di frattura che mostra una graduale propagazione delle crepe sotto l'effetto di stress ripetuti. Si dice che oltre il 70% dei modelli di frattura su strutture meccaniche rientri in questa tipologia.
L'aspetto del materiale fratturato non mostra stiramento o necking, che tipico delle fratture fragili, ma l'osservazione microscopica rivela una significativa deformazione plastica.
La superficie fratturata è generalmente liscia, rispetto alle superfici di altri modelli di frattura, e si osservano linee di spiaggia (beach marks) o linee concoidali (conchoidal marks) come caratteristica macroscopica. Dall'aspetto di queste linee di spiaggia si può risalire al punto di origine della frattura e in che direzione è proceduta la cricca.
Come caratteristica microscopica, si osserva tipicamente un motivo a strisce chiamato striatura. Questo motivo a strisce è verticale rispetto alla direzione in cui procede la cricca e si dice che si verifichi facilmente su leghe di alluminio e leghe di rame mentre non si verifica facilmente su leghe ferrose.
- Caratteristiche della superficie di frattura
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- Osservazione macroscopica:
- Beach mark o linee di spiaggia, ratchet mark (diversi punti di concentrazione delle sollecitazioni), fish eye (punto iniziale della frattura), cicche a diffusione radiale
- Osservazione microscopica:
- Striatura (corrispondente al ciclo di sollecitazione), andamento striato (non corrispondente al ciclo di sollecitazione), cricche secondarie, segni di sfregamento o fratture prive di caratteristiche
Frattura influenzata dall’ambiente
Una frattura ambientale è un pattern di frattura che si verifica con la formazione di cricche in un ambiente corrosivo. Pertanto, questa frattura può verificarsi anche sotto uno stress esterno estremamente piccolo.
Tipiche fratture ambientali sono l'infragilimento da idrogeno e la tensocorrosione (frattura per corrosione sottosforzo).
- Infragilimento da idrogeno
- L'infragilimento da idrogeno è anche chiamato frattura ritardata ed è generalmente osservato su materiali a base di acciaio. Questo fenomeno (infragilimento) è causato dalla penetrazione dell'idrogeno nel materiale. Questa penetrazione è spesso il risultato di un processo di produzione del materiale, come la saldatura e la galvanica, o di una reazione alla corrosione nell'ambiente operativo.
- Tensocorrosione (stress corrosion cracking, SCC)
- Questa rottura è solitamente accidentale e si verifica su acciai inossidabili austenitici. Le rotture transgranulari, in particolare, si verificano in ambienti carichi di ioni C1. D'altra parte, le fratture dei bordi di grano si verificano in materiali diversi dall'acciaio inossidabile come rame puro, ottone e leghe di alluminio.
- Caratteristiche della superficie di frattura
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- Infragilimento da idrogeno
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- Osservazione macroscopica
- Riflesso bianco argenteo lucido
- Osservazione microscopica
- Rottura granulare, segni filiformi (hairline patterns) e zampe di gallina (crows-feet markings)
- Tensocorrosione (stress corrosion cracking, SCC)
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- Osservazione macroscopica
- Riflessi parziali, ruggine/scolorimento
- Osservazione microscopica
- Rottura granulare, segni a piuma (feather marking)
- Frattura ad alta temperatura
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- Osservazione macroscopica
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- Osservazione microscopica
- Rottura granulare, cuspidi (dimple), avvallamenti (sinkage)
Problemi nell'analisi dei guasti metallurgici e loro soluzioni
Come spiegato in precedenza, osservando le superfici fratturate non solo attraverso l'osservazione macroscopica ma anche attraverso l'osservazione microscopica, è possibile visualizzare in maniera più dettagliatamente i modelli di frattura per comprendere le cause e le condizioni delle fratture.
Per una frattografia ancora più affidabile, è possibile acquisire vari modelli di frattura con alta definizione per garantire una analisi più affidabile e dettagliata utilizzando il nostro microscopio digitale 4K basato su tecnologia ottica all'avanguardia, un sensore di immagine (CMOS) e una tecnologia di elaborazione delle immagini.
Questa sezione introduce esempi di analisi dei guasti metallurgici utilizzando il microscopio digitale 4K ad altissima definizione Serie VHX di KEYENCE.
Eliminazione dei riflessi sulla superficie di rottura di una parte metallica
Con il microscopio digitale 4K serie VHX
La funzione di rimozione dell'abbagliamento può sopprimere i riflessi non necessari, catturando con precisione le più piccole crepe sulla superficie della frattura.
Messa a fuoco completa sull'intero target anche per superfici di frattura irregolari
Con il microscopio digitale 4K serie VHX
La funzione di composizione della profondità in tempo reale (real-time depth composition) permette di mettere a fuoco l'intera superficie di frattura del metallo. Questa funzione non solo riduce il tempo necessario per regolare ripetutamente la messa a fuoco, ma consente anche di osservare e valutare molte caratteristiche composite esistenti su una superficie fratturata.
Analisi dettagliata indipendentemente dall'inclinazione e dall'ombra
Con il microscopio digitale 4K serie VHX
La funzione multi-illuminazione, che acquisisce automaticamente i dati di illuminazione omnidirezionale con il semplice tocco di un pulsante, consente di selezionare l'immagine più adatta per l'osservazione della struttura.
Anche dopo aver selezionato o esportato un'immagine acquisita, i dati dell'immagine con ogni condizione di illuminazione vengono salvati sul PC. È possibile caricare un'immagine con diverse condizioni di illuminazione con pochi clic del mouse.
Osservazione chiara anche per fratture microscopiche
Con il microscopio digitale 4K serie VHX
La modalità Optical Shadow Effect Mode, un nuovo metodo di osservazione che combina un obiettivo ad alta risoluzione appositamente progettato, un sensore di immagine CMOS 4K e un'illuminazione avanzata, analizza il contrasto in un'immagine catturata variando l'illuminazione.
Questo metodo consente di osservare in dettaglio le più piccole irregolaritàf della superficie di frattura metallica .Le informazioni sull'irregolarità della superficie possono anche essere visualizzate in diversi colori componendo un'immagine ottenuta con l'Effetto ombra ottico con informazioni sul colore.
Come rendere l'analisi dei guasti metallurgici più avanzata e più efficiente
Come spiegato in precedenza, il microscopio digitale 4K ad alta definizione della serie VHX semplifica l'osservazione delle superfici di frattura del metallo.
Con la serie VHX, l'analisi dei guasti metallurgici viene eseguita in tempi record, contribuendo ad accelerare il ciclo di miglioramento della qualità e la fase di ricerca e sviluppo. Inoltre, la serie VHX consente di registrare i dati di immagine che mostrano in dettaglio le caratteristiche della superficie di frattura, consentendo di selezionare e migliorare il materiale mediante il confronto e l'analisi delle tendenze passate.
Dotata di molte altre funzioni avanzate, la serie VHX è un ottimo strumento per semplificare la frattografia e l'osservazione della struttura dei metalli, due passaggi essenziali per rimanere all'avanguardia nella ricerca e sviluppo. Per saperne di più, fai clic sul pulsante qui sotto per scaricare il catalogo. Per qualsiasi richiesta, clicca sull'altro pulsante per contattare KEYENCE.
