La comprensione dei meccanismi di frattura dei metalli è fondamentale per i professionisti dei controlli non distruttivi (CND). Questa guida tecnica copre sei tipi principali di frattura con strategie di prevenzione per applicazioni industriali.
Frattura da corrosione sotto tensione
Caratteristiche
La frattura da corrosione sotto tensione è una frattura che si verifica sotto l'azione combinata di sollecitazione di trazione e specifici mezzi corrosivi. Il processo di frattura di solito non presenta segni premonitori evidenti ed è improvviso. La superficie di frattura mostra generalmente caratteristiche di frattura fragile, ma a volte può essere accompagnata da una leggera deformazione plastica.
In mezzi corrosivi, si forma un film di prodotto di corrosione sulla superficie del metallo. Quando il metallo è sottoposto a sollecitazione di trazione, il film di prodotto di corrosione si rompe, esponendo la superficie del metallo fresco. La superficie del metallo fresco viene rapidamente corroso, formando un nuovo film di prodotto di corrosione. Questo ciclo si ripete, causando la continua propagazione delle cricche all'interno del metallo, innescando infine la frattura.
Fattori influenti
Stato di sollecitazione, mezzi corrosivi e sensibilità del materiale sono i principali fattori che influenzano la frattura da corrosione sotto tensione. La sollecitazione di trazione è una condizione necessaria per l'innesco della frattura da corrosione sotto tensione; diversi mezzi corrosivi hanno diversi effetti di corrosione su diversi materiali metallici; alcuni materiali metallici hanno un'elevata sensibilità a specifici mezzi corrosivi.
Misure di prevenzione
Selezionare correttamente i materiali, scegliendo materiali insensibili alla corrosione sotto tensione;
ridurre i livelli di sollecitazione dei componenti, utilizzando la ricottura e altri processi per eliminare le sollecitazioni residue;
migliorare le condizioni ambientali, come la riduzione della concentrazione dei mezzi corrosivi e il controllo della temperatura;
utilizzare misure di protezione superficiale come rivestimenti ed elettrodeposizione.
Metodo CND suggerito
Prove con liquidi penetranti, rilevamento delle cricche a ultrasuoni
Frattura da creep
Caratteristiche
La frattura da creep è la lenta deformazione plastica e la frattura che si verificano nel tempo sotto alta temperatura e sollecitazione costante. Il processo di creep di solito consiste in tre fasi: fase di creep iniziale, fase di creep allo stato stazionario e fase di creep accelerato. La superficie di frattura da creep è generalmente ruvida con un evidente colore di ossidazione.
In ambienti ad alta temperatura, l'attività atomica all'interno del metallo aumenta e le dislocazioni si arrampicano e scivolano facilmente. Sotto sollecitazione costante, le dislocazioni si muovono continuamente, causando una lenta deformazione plastica del metallo. Nel tempo, la deformazione si accumula e, quando raggiunge un certo livello, innesca la formazione e la propagazione delle cricche, portando infine alla frattura.
Fattori influenti
Temperatura, sollecitazione e tempo sono i principali fattori che influenzano la frattura da creep. Temperature più elevate aumentano i tassi di creep del metallo; sollecitazioni maggiori provocano una deformazione da creep più evidente; tempi più lunghi aumentano la possibilità di frattura da creep. Inoltre, la composizione chimica e la microstruttura del materiale influenzano anche le proprietà di creep.
Misure di prevenzione
Selezionare materiali resistenti alle alte temperature e al creep;
controllare razionalmente la temperatura di esercizio e i livelli di sollecitazione, evitando stati prolungati di alta temperatura e alta sollecitazione;
ottimizzare la microstruttura del materiale per migliorare la resistenza al creep.
Metodo CND suggerito
Misurazione dello spessore a ultrasuoni, analisi metallografica
Frattura da fatica
Caratteristiche
La frattura da fatica è una frattura che si verifica dopo un certo numero di cicli sotto sollecitazione alternata. Il processo di frattura di solito consiste in tre fasi: innesco della cricca, propagazione della cricca e frattura finale. La superficie di frattura da fatica è generalmente costituita da zone lisce e ruvide, dove la zona liscia è l'area di lenta propagazione della cricca e la zona ruvida è l'area di frattura rapida finale.
Sotto sollecitazione alternata, alcune aree deboli sulla superficie del metallo, come i bordi dei grani e i bordi delle inclusioni, producono minuscole cricche - innesco della cricca. All'aumentare del numero di cicli, le cricche si espandono continuamente sotto sollecitazione, formando cricche macroscopiche. Quando le cricche si propagano fino a un certo punto, la sezione rimanente non può resistere alla forza esterna, con conseguente frattura finale.
Fattori influenti
Ampiezza della sollecitazione, sollecitazione media, numero di cicli e limite di fatica del materiale sono i principali fattori che influenzano la frattura da fatica. Un'ampiezza di sollecitazione e una sollecitazione media più elevate accelerano la propagazione delle cricche e riducono la durata a fatica; più cicli aumentano la possibilità di frattura da fatica; un limite di fatica del materiale più elevato indica una maggiore resistenza alla frattura da fatica.
Misure di prevenzione
Progettare razionalmente le strutture dei componenti per ridurre la concentrazione delle sollecitazioni; selezionare materiali con elevati limiti di fatica;
eseguire trattamenti di rinforzo superficiale come pallinatura e laminazione per migliorare la resistenza a fatica superficiale;
controllare l'entità del carico e il numero di cicli per evitare di superare i limiti di fatica del materiale.
Metodo CND suggerito
Test a correnti parassite, ispezione con particelle magnetiche
Frattura fragile
Caratteristiche
La frattura fragile è una modalità di frattura in cui il metallo non subisce quasi nessuna deformazione plastica evidente prima della frattura. Il processo di frattura si verifica improvvisamente, con una superficie di frattura piatta e liscia, che spesso mostra motivi cristallini o a spina di pesce, con lucentezza metallica.
La frattura fragile è causata principalmente dalla presenza di cricche o difetti all'interno del metallo. Sotto la forza esterna, la concentrazione delle sollecitazioni si verifica alle punte delle cricche. Quando la concentrazione delle sollecitazioni raggiunge la tenacità alla frattura del materiale, le cricche si propagano rapidamente, portando alla frattura del metallo. Questa modalità di frattura è solitamente correlata alla struttura cristallina del materiale, al contenuto di impurità e allo stato di sollecitazione.
Fattori influenti
La fragilità del materiale è influenzata da vari fattori. Un contenuto di carbonio e un contenuto di impurità più elevati riducono la tenacità del metallo e aumentano la fragilità; gli ambienti a bassa temperatura modificano la struttura cristallina del metallo, riducendo la tenacità; anche gli stati di sollecitazione di trazione triassiale promuovono la frattura fragile.
Misure di prevenzione
Controllare rigorosamente la composizione chimica del materiale e ridurre il contenuto di impurità;
eseguire un trattamento termico appropriato per migliorare la microstruttura e aumentare la tenacità;
progettare razionalmente le strutture dei componenti per evitare stati di sollecitazione di trazione triassiale;
implementare misure di preriscaldamento quando utilizzato in ambienti a bassa temperatura.
Metodo CND suggerito
Test di emissione acustica, ultrasuoni a matrice phased array
Frattura duttile
Caratteristiche
La frattura duttile è una modalità di frattura in cui il metallo subisce un'evidente deformazione plastica prima della frattura. Durante il processo di frattura, il materiale metallico sperimenta prima il fenomeno dello strangolamento, in cui la sezione locale si riduce in modo significativo, seguito dalla frattura nella posizione dello strangolamento. La superficie di frattura appare solitamente fibrosa o a forma di coppa e cono, con un colore opaco e senza lucentezza evidente.
La frattura duttile è causata principalmente dal movimento e dalla moltiplicazione delle dislocazioni all'interno del metallo. Quando il metallo è sottoposto a forza esterna, le dislocazioni scivolano sui piani di scorrimento, causando la deformazione plastica dei cristalli. Man mano che la deformazione continua, le dislocazioni si aggrovigliano e si accumulano, formando pareti di dislocazione e bordi di sottograni. Quando la concentrazione locale delle sollecitazioni raggiunge un certo livello, innesca la formazione e la crescita di microvuoti. L'interconnessione dei microvuoti porta infine alla frattura del metallo.
Fattori influenti
La composizione chimica, la microstruttura e la temperatura dei materiali hanno effetti significativi sulla frattura duttile. Ad esempio, l'acciaio contenente appropriati elementi di lega ha solitamente una migliore tenacità;
una struttura a grana fine può migliorare la tenacità del metallo;
mentre in ambienti a bassa temperatura, la tenacità del metallo diminuisce in modo significativo, rendendo più probabile la frattura duttile.
Misure di prevenzione
Selezionare correttamente i materiali per garantire una buona tenacità;
ottimizzare la microstruttura del materiale e raffinare i grani attraverso processi di trattamento termico;
evitare l'uso di materiali metallici sensibili alle basse temperature in ambienti a bassa temperatura.
Metodo CND suggerito
Analisi di desorbimento termico, test a ultrasuoni
Tabella riassuntiva dei tipi di frattura dei metalli
| Tipo di frattura |
Caratteristiche |
Meccanismo di formazione |
Metodi di prevenzione |
Metodi di prova CND |
| Criccatura da corrosione sotto tensione (SCC) |
Aspetto fragile, specifico per l'ambiente, imprevedibile |
Rottura del film di corrosione → attacco localizzato → propagazione delle cricche |
Selezione del materiale, scarico delle sollecitazioni, controllo ambientale |
Prove con liquidi penetranti, rilevamento delle cricche a ultrasuoni |
| Frattura da creep |
Superficie ruvida ossidata, deformazione dipendente dal tempo |
Arrampicamento delle dislocazioni → scorrimento dei bordi dei grani → formazione di vuoti |
Leghe per alte temperature, riduzione delle sollecitazioni, valutazione della vita utile |
Misurazione dello spessore a ultrasuoni, analisi metallografica |
| Frattura da fatica |
Zone lisce + ruvide, segni di spiaggia, cedimento progressivo |
Innesco della cricca → crescita stabile → frattura rapida |
Indurimento superficiale, riduzione delle sollecitazioni, selezione del materiale |
Test a correnti parassite, ispezione con particelle magnetiche |
| Frattura fragile |
Superficie piatta, cristallina, minima deformazione plastica, cedimento improvviso |
Propagazione delle cricche dalla concentrazione delle sollecitazioni nei difetti |
Riduzione delle impurità, preriscaldamento, ottimizzazione dello stato di sollecitazione |
Test di emissione acustica, ultrasuoni a matrice phased array |
| Frattura duttile |
Superficie fibrosa/a cono, strangolamento visibile, aspetto scuro |
Movimento delle dislocazioni → nucleazione dei vuoti → coalescenza → cedimento |
Raffinazione dei grani, ottimizzazione delle leghe, controllo della temperatura |
Test a ultrasuoni, ispezione radiografica |
Riferimento:
Zhou, Hongyu & Li, Jian & Liu, Jie & Yu, Peichen & Liu, Xinyang & Fan, Zhiyang & Hu, Anqing & He, Yinsheng. (2024). Riduzione significativa della durata di creep del gomito del tubo del vapore P91 causata da una microstruttura anomala dopo un breve periodo di servizio. Scientific Reports. 14. 10.1038/s41598-024-55557-w.
https://nte.mines-albi.fr/SciMat/en/co/SM6uc1-4.html
https://www.nde-ed.org/Physics/Materials/Mechanical/NotchToughness.xhtml
https://eengineerkey.com/creep-and-creep-fracture
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