Tensioni residue intergranulari negli acciai bifasici

Le tensioni residue intergranulari rappresentano un grave pericolo per la materia. Unica tecnica ingegneristicamente efficace per la loro individuazione risulta essere la diffrazione dei raggi X (XRD – X Ray Diffraction), grazie alla caratteristica capacità di monitorare separatamente le diverse fasi cristalline. Ne parliamo approfonditamente nel presente articolo.

Le tensioni interne: un breve richiamo

Partendo dalla definizione, ricordiamo come le “tensioni interne” altro non sono che le tensioni presenti all’interno di un corpo quando questo sia in condizioni di completo equilibrio con l’ambiente circostante.

In maniera assolutamente equivalente vengono indicate anche come “tensioni residue”, in quanto costituiscono il “residuo” della sequenza di trasformazioni meccaniche, chimiche e fisiche a cui il materiale è stato sottoposto prima di assumere la sua forma finale di prodotto finito. Dalla fisica dello stato solido sappiamo che le tensioni residue si instaurano ogni qual volta all’interno di un corpo siano presenti elementi di disomogeneià, dove la disomogeneità può essere del tipo più disparato: il caso più comune è costituito dalla presenza contemporanea di zone di materiale deformate plasticamente e altre ancora in campo elastico, ma cause realisticamente frequenti possono essere anche la presenza contemporanea di diverse fasi (ad esempio, austenite e martensite in un acciaio), di diversi stati cristallografici (come la zona termicamente alterata di una saldatura), di diversi coefficienti di espansione termica o modulo elastico (materiali compositi).

Analizzando le tensioni residue a prescindere dalla causa che le abbia indotte, la categorizzazione prende in considerazione l’ordine di grandezza della zona entro cui le tensioni residue si bilanciano reciprocamente, definita come “lunghezza caratteristica”. In base alla suddetta lunghezza caratteristica, le tensioni residue vengono suddivise in tre categorie (Figura 1).

– Tensioni residue I tipo: sono le tensioni residue la cui lunghezza caratteristica e’ di ordine superiore a quella del grano, fino ad arrivare a coincidere con le dimensioni dell’intero componente. Si tratta di tensioni il cui andamento si presenta comunque omogeneo su porzioni di materiale dimensionalmente significative, e la cui analisi può essere svolta utilizzando i tradizionali modelli continui, ossia senza tenere in considerazione le caratteristiche cristalline o multifasi del materiale.
– Tensioni residue II tipo: sono le tensioni residue la cui lunghezza caratteristica è dello stesso ordine di grandezza del grano. Sono quindi stati tensionali residue sostanzialmente generati da fenomeni di interfaccia o da disomogeneità fisica o metallurgica tra grani adiacenti (ad esempio, coesistenza di fasi nell’acciaio, orientamenti casuali di grani a comportamento anisotropo…).
– Tensioni residue III tipo: sono le tensioni residue la cui lunghezza caratteristica è inferiore alla dimensione del grano. Sono quindi stati tensionali generati da disomogeneità interne al grano (come dislocazioni, vacanze, imperfezioni del reticolo…) e che si equilibrano all’interno di esso.

In Figura 2 è riportato un esempio di scomposizione delle tensioni interne lungo una sezione del materiale in funzione del tipo.

Da un punto di vista operativo (cioè per quelli che sono gli effetti e le modalità di misurazione) gli stati tensionali del primo tipo vengono comunemente indicati come “macro tensioni residue”, mentre gli stati tensionali del secondo e terzo tipo sono accomunati sotto l’indicazione di “micro tensioni residue”.

In generale si può dire che gli stati tensionali del primo tipo vengono generati da qualunque processo che causi una disomogenea distribuzione di deformazioni elastiche o a fini industriali plastiche in un materiale: quindi in pratica ogni processo meccanico di tipo industriale.

Gli stati tensionali del secondo tipo nascono sostanzialmente da fenomeni di interazione intergranulare, e sono tipiche di sistemi multifasici, come ad esempio gli acciai inossidabili martensitici in cui è pur sempre presente una quota di austenite residua. Dato il diverso volume specifico della martensite rispetto all’austenite (1.8 contro 1.18), la mancata trasformazione completa comporta la nascita di sollecitazioni tensionali nate dalla diversa trasformazione volumica dei grani austenitici e martensitici.

Gli stati tensionali del terzo tipo sono riconducibili a difetti del reticolo cristallino, vacanze e soprattutto dislocazioni. In ambito ingegneristico, quando si affronta il tema delle tensioni residue di solito l’interesse si concentra su gli stati tensionali del primo tipo, considerati gli unici in grado di influire effettivamente sulle prestazioni meccaniche del componente, considerando invece gli stati tensionali del secondo e del terzo tipo come un indice dello stato proprio del materiale. In realtà questo approccio non è corretto, in quanto se è vero che la resistenza di un materiale è un fenomeno di tipo macroscopico, è altrettanto vero che sono molti i fenomeni macroscopici (fatica e tensio-corrosione su tutti) che hanno una fase di innesco che si “gioca” negli spazi integranulari, e pertanto tensioni residue di secondo e terzo tipo possono giocare un ruolo fondamentale nella enucleazione di una cricca di fatica o nell’innesco di una stress corrosion.

La verità è che la poca attenzione di cui godono le tensioni residue microscopiche deriva non tanto dalla loro scarsa influenza sulle prestazioni dei componenti, quanto sulla difficoltà di andarle a misurare: mai come in questo caso è valida l’aurea definizione di Lord Kelvin:Noi possiamo dire di conoscere solo cio che sappiamo misurare”. E la risposta a questa necessità puo essere solo la diffrazione dei raggi X.

 

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