Lo snervamento nelle assicurazioni tecnologiche

INDICE

1. INTRODUZIONE
2. SNERVAMENTO

2.1 Classificazione

2.2 Caratteristiche

2.3 Aspetti

2.3.1 Macroscopio

2.3.2 Microscopio

2.4 Teoria del meccanicismo

2.5 Misure di prevenzione

3. SNERVAMENTO DA CORROSIONE
4. INTACCATURE
5. SNERVAMENTO NEI MATERIALI PLASTICI

Il guasto da snervamento è probabilmente la causa più comune di rottura di tipo meccanico in molti settori dell'ingegneria: si genera in condizioni di carico ciclico con una variazione costante di sforzo. Dopo un periodo di incubazione di lunghezza variabile, che dipende dalle proprietà del materiale utilizzato e da un numero elevato di altri fattori, una crepa da snervamento, e qualche volta varie crepe, si propaga progressivamente all'interno del componente. Se la sezione del componente che rimane a sostenere il carico non riesce più a sopportare la sollecitazione crescente, avviene una rottura forzata. Questa rottura, dovuta a sovraccarico, viene normalmente chiamata frattura residua.
A seguito della riduzione della sezione residua del componente che regge il carico, non è necessario un carico esterno superiore al carico di progetto per dare luogo alla frattura finale. Il guasto dovuto a snervamento può normalmente essere identificato dall'aspetto caratteristico della superficie di frattura.

L'insidia della rottura per snervamento, sta nella sua comparsa spontanea ed imprevista. Anche difetti estremamente piccoli della superficie possono costituire il punto iniziale delle crepe (ad es. striature dovute alla rotazione e tracce di bruciatura dovute ad elettrodi per saldatura).
Queste col tempo generano una frattura che, nella maggior parte dei casi, ha come risultato un danno estremamente grave. Inoltre non ci si può aspettare di riconoscere le crepe iniziali, dovute a snervamento, mediante test visivi: l'ampia gamma di test non distruttivi prevede varie procedure di accertamento delle crepe, ma questi esami vengono in pratica effettuati solo per sezioni critiche di componenti essenziali. Molti componenti, infatti, non sono assoggettabili ad un esame approfondito, o lo sono solo con sforzi addizionali di costo assai elevato.
Di conseguenza, anche per ragioni economiche, durante le verifiche di manutenzione, le sezioni "non critiche" non vengono normalmente assoggettate ad un esame non distruttivo.
Vi sono altri due tipi di avaria strettamente correlati al guasto classico dovuto allo snervamento: a) lo snervamento per corrosione e b) il fenomeno delle intaccature.
In particolare il limite tra lo snervamento classico e quello per la corrosione non è ben definito e lascia un'ampia "zona grigia".
Data la loro importanza, due diverse sezioni di questa relazione verranno dedicate a questi temi. Tradizionalmente soltanto i materiali metallici sono stati correlati con l'espressione snervamento, anche se il fenomeno dello snervamento esiste anche per i materiali plastici; a causa della macrostruttura molto differente rispetto ai metalli, questo argomento verrà trattato in un apposito capitolo.

In generale il tipo di carico cui un materiale viene sottoposto viene accettato come criterio principale per la classificazione di crepe o fratture. Le tre categorie tipiche sono:

1. crepe dovute a carico meccanico
2. crepe dovute a carico termico
3. crepe dovute a corrosione.

La frattura classica per snervamento, dovuta a un carico meccanico che porta alla frattura e alla temuta rottura forzata, è definita dalle seguenti caratteristiche:

• Carico meccanico ciclico (tensione, flessione, torsione in quantità e/o direzione).
• Sviluppo lento o graduale.

La crepa inizia, dopo un periodo di incubazione, con superficie transgranulare senza alcuna deformazione plastica. La superficie della crepa è perpendicolare allo sforzo principale più importante. La propagazione della crepa prosegue poi invisibilmente e lentamente all'interno del componente sottoposto a snervamento, fino a che la sezione restante non è più in grado di sopportare lo sforzo. Segue poi un'improvvisa frattura residua con una superficie ruvida, di solito collegata alla deformazione plastica.
Un guasto da snervamento inizia di norma su superfici sottoposte a tensioni concatenate (ad es. settori trasversali a gradini, tutti i tipi di tacca, punti difettosi delle superfici ecc.); può però anche iniziare da crepe interne (inclusioni non metalliche, porosità e simili).

La formazione di una crepa da snervamento è principalmente influenzata da:

• carico (valore, tipo, frequenza, temperatura circostante)
• materiale

Durante la progettazione di un nuovo componente, è di fondamentale importanza per il tecnico conoscere le proprietà specifiche del materiale, cioè lo sforzo ammissibile con carichi sia statici che ciclici. Il comportamento della maggior parte dei materiali sotto carico statico è ben conosciuto (vi è ampia disponibilità di diagrammi di sforzo a tensione ottenuti sperimentalmente). Il carico ciclico sufficiente a indurre crepe da snervamento è, nella maggior parte dei casi, notevolmente inferiore allo sforzo sostenibile per carico statico. Per valutare il comportamento del materiale sottoposto a sforzo ciclico, sono necessarie prove che richiedono tempi lunghi e costi notevoli.

I risultati di ciascun test, con un carico e una frequenza predeterminati, vengono sviluppati in un diagramma detto di Woehler. Questo diagramma mostra quanti cicli può sopportare un campione portato a rottura. Naturalmente l'accuratezza dei risultati ha una certa tolleranza all'interno dell'ampiezza della banda mostrata. La curva è tipica dei metalli con struttura cubica a corpo centrato (bcc), cioè la maggior parte dei materiali comunemente utilizzati nell'ingegneria meccanica (acciaio perlitico, ferritico e trattato).
I due fattori di carico importanti sono lo sforzo medio e l'ampiezza dello sforzo ciclico agenti sul componente. Se uno dei due viene ridotto, il campione può sopportare un numero maggiore di cicli. Se un componente bcc è in grado di sopportare un certo numero di cicli, di solito un milione, viene considerato resistente a snervamento e non si dovrebbe verificare come conseguenza alcuna rottura.
É pertanto possibile ottenere con una certa precisione da questo diagramma la resistenza a snervamento.

I metalli a struttura cubica a faccia centrata (fcc), come l'alluminio e gli acciai austenitici, non mostrano alcun comportamento asintotico a snervamento.
Se il progettista desidera utilizzare, per qualche ragione, un materiale fcc, il progetto deve tenere in considerazione dieci milioni di cicli di carico. In questo caso, naturalmente, la vita di progetto del componente stesso diviene parte integrante del dimensionamento dello sforzo a fatica.

I risultati dei test di numerosi diagrammi di Woehler sono raccolti nel diagramma di Smith. Questo diagramma indica le ampiezze relative allo sforzo medio di differenti componenti. Per ogni materiale e tipo di carico (cioè tensione, compressione, flessione e torsione) esiste un diagramma di Smith specifico.

É importante ricordare che i risultati sperimentali di varie prove sono validi solamente per uno specifico campione e in condizioni ben definite. Leggere variazioni, ad esempio nella superficie del campione, possono variare considerevolmente i risultati. Altri fattori come la progettazione (ad es. gradini trasversali), incisioni (ad es. sedi per chiavette, fori), le dimensioni del componente, la temperatura e l'atmosfera circostanti possono influenzare i risultati molto al di là dei limiti accettabili e rendere pertanto inutili i test effettuati.

Durante il progetto vengono presi in considerazione differenti parametri, tenendo conto della resistenza a fatica del materiale prescelto e introducendo il relativo fattore di sicurezza. Permangono comunque moltissimi fattori, che limitano la possibilità di un preciso calcolo di dimensionamento, dovuti alle forme spesso estremamente complesse dei componenti e alla troppo limitata conoscenza dei carichi. Esistono inoltre ulteriori influenze, pressoché imprevedibili o difficili da tenere in considerazione durante i calcoli, come le imperfezioni durante la produzione e la fabbricazione (cioè disomogeneità nel materiale, difetti nelle superfici, ecc.), cui si aggiungono condizioni operative non sufficientemente note.

La crepa dovuta a snervamento inizia da uno o più punti della superficie e successivamente converge in una linea comune delle crepe. La superficie della crepa è normalmente un piano liscio e uniforme, perpendicolare allo sforzo principale.
La sezione della struttura si fa più sottile e, se la sezione trasversale residua è troppo piccola per sopportare lo sforzo, avviene la cosiddetta frattura residua o frattura forzata. A seconda delle proprietà del materiale (duttile o fragile) e del tipo di carico, si possono osservare aspetti individuali e tipici delle fratture (frattura tranciata o sfaldata). In rari casi non esiste una zona di frattura residua. Questo comportamento si ha quando, per esempio, un altro componente è assoggettato alla maggior parte del carico in modo tale che la crepa dovuta allo snervamento si può propagare attraverso l'intera sezione trasversale.

E' tipica delle rotture per snervamento la presenza di linee con segni granulari sulla superficie della crepa.
I segni granulari visibili macroscopicamente non devono essere confusi con le linee di snervamento, che possono essere rilevate unicamente mediante l'osservazione con un microscopio elettronico.
Studiando l'aspetto dei segni granulari, si può determinare la direzione di propagazione della crepa (punto di partenza e di arrivo) e il tipo di carico che l'ha causata. La dimensione della superficie residua della frattura consente di determinare le forze che hanno agito sul componente al momento dell'avaria improvvisa: sforzi elevati generano aree residue di frattura grandi, sforzi minori piccole aree. In caso di un'area di frattura molto piccola si può ritenere che la causa della frattura residua sia uno sforzo di picco.

In alcuni casi la superficie di innesco della crepa può venire distrutta dagli sforzi di compressione o flessione avvenuti prima o in concomitanza con la frattura residua. In molti casi la superficie è anche incrinatat per effetto della corrosione, specialmente se il periodo di sviluppo della crepa è lungo e vi sono nelle vicinanze agenti corrosivi.

Utilizzando un microscopio elettronico sono facilmente identificabili le caratteristiche tipiche di un guasto dovuto a snervamento: linee di snervamento e striature, numerosi percorsi della frattura e crepe adiacenti. Nel punto di partenza della frattura non è inusuale vedere crepe isolate in diversi stadi di avanzamento che, successivamente, si combineranno a formare un'unica crepa. Quanto è maggiore la resistenza a snervamento del materiale, tanto meno chiaramente identificabili sono gli aspetti caratteristici.

In materiali con alta duttilità le crepe corrono tra i granuli. I materiali a bassa duttilità (ad es. fusioni di acciaio, ghisa sferoidale, lamierini ad alto tenore di silicone, leghe di nichel, cobalto e titanio) presentano, invece, fratture di snervamento intragranulari.

L'avanzamento dello snervamento si divide in tre stadi caratteristici: l'inizio della crepa, la sua propagazione e la frattura residua.

Lo snervamento è dovuto alla deformazione plastica locale in alcuni punti del materiale, ad es. al contorno della grana o nei punti di non omogeneità. La combinazione di sforzo normale e sforzo ciclico per tutta la sezione trasversale è al di sotto del punto di cedimento e perciò appare solo una deformazione elastica. La spiegazione dei meccanismi fisici legati allo snervamento sono tutti basati sugli effetti della deformazione plastica e perciò sull'elemento che comporta la deformazione stessa, le posizioni e il loro movimento nella struttura del metallo.

Le crepe da snervamento iniziano preferibilmente nei punti seguenti: bande di scivolamento, contorni dei grani, contorni doppi e inclusioni. Le bande di scivolamento si producono durante il processo di snervamento e rappresentano perciò uno stadio precedente alla formazione delle crepe. Altri possibili punti sono le non omogeneità che sono presenti prima che il processo abbia inizio, quali intagli o cambiamenti improvvisi delle sezioni trasversali.

Le bande di scivolamento si formano sulla superficie a causa della deformazione plastica ciclica.
Le bande di scivolamento, le estrusioni e le intrusioni si possono osservare sulla superficie di campioni di prova ben levigati.
Durante il primo stadio del processo di snervamento si formano varie crepe e tacche. Le crepe si propagano secondo un angolo di 45 gradi rispetto all'orientamento dello sforzo principale e perciò della superficie. Queste crepe iniziali colpiscono normalmente una piccola regione, cioè uno o due grani. Nelle leghe resistenti ad alta temperatura, costituite principalmente da nichel e cobalto, si possono facilmente osservare queste aree iniziali del processo. Benché la mancanza di omogeneità faciliti il formarsi di crepe da snervamento, si possono osservare dei cedimenti anche su componenti di superfici levigate.
Questo stadio iniziale delle crepe è seguito da un secondo stadio con una propagazione delle crepe secondo un piano perpendicolare alla direzione dello sforzo principale. Durante questo stadio la crepa procede di un certo tratto ad ogni ciclo di carico. Sul fronte della crepa esistono notevoli sforzi locali che portano ad una deformazione plastica: questo meccanismo genera la formazione di linee di snervamento sulla superficie della crepa. Il terzo stadio è costituito dalla improvvisa frattura forzata.

Le misure di prevenzione risiedono principalmente nella progettazione, produzione, montaggio, gestione e sono riassunte nella frase: "Evitare la concentrazione degli sforzi e i difetti relativi alla superficie". Le misure sono:

Progettazione:

• Scegliere un materiale adeguato
• Evitare brusche variazioni di sezione come gradini negli alberi
• Evitare fori di trapano, filettature di viti, serrature di chiavette, perforazioni
• Evitare segni di punzonatura

Produzione/montaggio/gestione:

• Evitare segni di tornitura o molatura
• Evitare le particelle estranee intruse
• Evitare le pieghe di laminazione e forgiatura
• Evitare i difetti nei giunti saldati e i segni di bruciatura dovuti agli elettrodi
• Evitare i difetti di colata (inclusioni, scorie, precipitati grezzi, porosità)
• Evitare gli accoppiamenti in pressione con altri componenti, segni di pressione o abrasione dovuti alle sedi
• Evitare le crepe dovute a sabbiature sbagliate o martellamenti
• Evitare i segni di corrosione e la corrosione da sfregamento.

Nel caso di snervamento da corrosione l'effetto del carico ciclico è accompagnato da un effetto di corrosione. Secondo le DIN 50 900, la corrosione viene definita come "la formazione nel metallo di crepe transgranulari a bassa duttilità, generata dall'effetto simultaneo di carichi meccanici di tipo alternativo e corrosione". La linea di demarcazione fra lo snervamento classico e lo snervamento da corrosione non è ben definita, le fratture vengono classificate basandosi sull'ampiezza del carico ciclico e/o sul contributo dovuto agli agenti corrosivi, pertanto si può osservare uno snervamento classico puro unicamente in condizioni di vuoto.
Nel caso di carichi alternativi di alta frequenza e grande ampiezza, l'aspetto della crepa assomiglia a quello dello snervamento classico, mentre per valori bassi delle variabili precedenti, l'aspetto è maggiormente simile agli effetti delle crepe da corrosione. Contrariamente allo snervamento per sforzo, lo snervamento per corrosione non richiede alcuna specifica condizione per quanto riguarda l'ampiezza del carico o gli agenti di corrosione.

Lo snervamento da corrosione può generarsi con il materiale in fase sia attiva che passiva. Le crepe si propagano perpendicolarmente allo sforzo principale. Nel caso di materiale in fase attiva la crepa presenta una superficie scabra con numerose crepe indotte in precedenza. La superficie in condizioni passive è invece normalmente liscia.

Nel caso della corrosione attiva del materiale, le crepe si creano nei punti di concentrazione degli sforzi (ad es. tacche, incavi da corrosione, bruschi gradini nella sezione trasversale).
Nella corrosione passiva le crepe sono in generale create sulle superfici per effetto del disgregamento locale del materiale (ad es. bande di scivolamento emergenti o strati di protezione ripetutamente distrutti).

E' difficile distinguere, a livello microscopico, tra le caratteristiche tipiche dello snervamento puro e quelle dello snervamento da corrosione. In entrambi i casi le crepe sono transgranulari. Sulla superficie però si possono talvolta riscontrare gli effetti prodotti dalla corrosione, che possono essere di rientamento per la classificazione della causa della corrosione stessa. Nel caso di predominanza del carico meccanico, si possono osservare delle linee di snervamento. In caso di carico prevalentemente corrosivo, l'aspetto è simile a quello delle crepe dovute a snervamento da corrosione.

Un tipo particolare di snervamento è costituito dal fenomeno delle intaccature. In questo caso il danneggiamento del materiale ha origine nella regione prossima alla superficie dei componenti del macchinario, cioè ruote dentate o cuscinetti a rulli.

Le superfici vengono assoggettate a carichi alternati rotanti e slittanti. Lo sforzo nella zona di contatto con la forza di trasmissione genera sforzi di taglio al di sotto della superficie (ad es. a una profondità tra 0,1 e 0,7 mm). Quando questi sforzi raggiungono un livello sufficientemente alto, atto a generare una deformazione plastica locale (ad es. in caso di problemi di lubrificazione o sovraccarico), si sviluppano nella zona delle microcrepe.
Cambiamenti micro strutturali, detti farfalle, possono essere riscontrati nella microsezione. Questo tipo di microfratture inizia perlopiù qualora siano presenti inclusioni non metalliche. È possibile stabilire una relazione fra la purezza del materiale e la sua predisposizione ad intaccature. Lo sviluppo completo della crepa porta alla rottura del materiale, cioè all'intaccatura. La direzione di sviluppo principale è nello stesso senso dello sforzo. Le crepe sulla superficie presentano incrinature piatte, a cratere o a forma di conchiglia; molte piccole incrinature si possono poi combinare e creare un'ampia zona danneggiata. Con l'aiuto di un microscopio elettronico, si possono rilevare sulla superficie tracce di sforzi di taglio, depressioni e, qualche volta, zone di frattura da snervamento.

Dato che la struttura molecolare dei materiali plastici (termoplastici, termoindurenti, plastiche da elastomeri, ecc.) ha comportamenti e caratteristiche molto specifiche e fondamentalmente differenti e, inoltre, può anche essere profondamente influenzata da un'ampia gamma di riempitivi, in questo capitolo si fanno soltanto alcune osservazioni di carattere generale, per quanto riguarda il cedimento per snervamento della plastica.

I materiali plastici non differiscono dagli altri materiali se non per il fatto che sono in grado di sopportare sforzi ciclici inferiori rispetto a quelli generati da carichi statici. Diminuendo gli sforzi di tipo alternato, aumenta il numero dei cicli ammissibili.

Nel caso dei materiali plastici è necessario fare una distinzione tra le fenditure dovute a puro snervamento e le fenditure delle crepe generate da carico statico. Le fessure delle crepe indotte dalle vibrazioni, hanno un meccanismo simile a quello delle ben note crepe a fessura continua sotto carico statico.

I materiali con bassa elasticità, sottoposti a carichi ciclici, formano una vera e propria punta di rottura. Infatti, a causa della rigidità tridimensionale dell'intelaiatura molecolare, le catene molecolari, dopo un breve allungamento, vengono tagliate, si forma un fronte di fessura con un'incisione a V acuta e questa può propagarsi attraverso il materiale allorchè è assoggettato a carico ciclico.
I cedimenti per puro snervamento dovuto a fragilità hanno come risultato linee di snervamento con profili piatti e gradini a bordo squadrato. In mezzo ai percorsi delle fratture si possono inoltre osservare delle crepe nelle adiacenze; questo tipo di propagazione dello snervamento è molto simile a quello che si può osservare nei metalli. Il cedimento per snervamento dovuto a pura duttilità, ha come risultato fratture residue ripiegate e arrotondate a forma di lingua. Le linee parallele di snervamento sono a forma di lingua e arrotondate e, nello stadio della fessurazione, sono messe in evidenza le inclusioni.

Le crepe/fessure indotte da vibrazioni si generano nei punti di non omogeneità all'interno dei materiali o sulle superfici caratterizzate da processi di allungamento irreversibile delle macromolecole. Lo sviluppo simultaneo del calore incrementa il movimento delle catene molecolari. Questo effetto è simile al processo continuo di crepatura/fessurazione dei materiali plastici ed ha come risultato la formazione di moltissime cavità. Queste, a causa del processo di allungamento, avranno una forma sferica. Dopo la separazione, sulla superficie della fessura rimangono canali o emisferi a bordo granulare. Tenuto conto delle limitate resistenze al calore dei materiali plastici, le fessure delle crepe indotte da vibrazioni dipendono in modo importante dal valore del carico e dalla frequenza: frequenze alte e carichi elevati possono portare ad un ammorbidimento locale o alla fusione nel centro di una sezione trasversale.