Failure analysis e modelli di frattura su superfici metalliche: il SEM come migliore alleato per individuare le cause di rottura
I materiali metallici generalmente si rompono a causa dell’ambiente circostante. Nell’industria automobilistica, aerospaziale e in altri settori in cui la sicurezza è importante, è fondamentale indagare la causa di rottura, che può essere determinata solo dopo aver studiato il materiale con test meccanici e chimico-fisici e aver analizzato accuratamente la superficie fratturata.
La frattografia, in particolare, indaga il modo in cui i materiali metallici si sono fratturati attraverso l’osservazione della struttura (pattern di frattura) e cercando la correlazione tra le cause primarie e aspetti quali i metodi di produzione, la forma e le condizioni d’uso. L’osservazione macroscopica ad occhio nudo o con uno stereomicroscopio può essere condotta facilmente sul luogo in cui si è verificata la frattura e aiuta ad individuare sommariamente le possibili cause in base al tipo di frattura. Tuttavia, la sola osservazione macroscopica non è sufficiente per indagare nel dettaglio come si è verificata una frattura. L’osservazione microscopica utilizzando il Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) permette invece di studiare nel dettaglio la morfologia della frattura, sfruttando l’ampia profondità di campo e l’elevata risoluzione che caratterizzano questa tecnica.
I meccanismi e dunque i pattern di frattura sono classificati in base al grado di deformazione del materiale prima della rottura, e si possono suddividere in fratture duttili, fragili, fratture miste fragili e duttili, rotture da fatica e ambientali.
Frattura duttile
Una frattura duttile è un modello di frattura osservato in molti materiali metallici ed è caratterizzato da una significativa deformazione plastica (allungamenti e striature), fino al verificarsi della rottura. Attraverso l’osservazione al SEM (Fig. 1), è possibile riconoscerla dalle seguenti caratteristiche:
– microvuoti, crateri e alveoli microporosi – dimple isometrici (frattura da trazione) o allungati (frattura da taglio) – linee oblique (frattura per scorrimento)
Frattura fragile
La frattura fragile si verifica in maniera molto più rapida e con una minima deformazione plastica del materiale. È un tipo di frattura molto comune negli acciai e in genere presenta fessure che si estendono radialmente o seguendo i bordi dei grani con orientamenti diversi. Vista al Microscopio Elettronico, la frattura mostra una morfologia poliedrica a grani multipli, con grani evidenti e un forte senso di tridimensionalità. Quando i grani sono grossolani, la fattura prende il nome di “icing-sugar-like fracture”. Altre caratteristiche osservabili al SEM in questo tipo di frattura sono:
– superficie di frattura semi-clivaggio e sfaldature – river pattern – rottura granulare – frattura complessa
Rottura da fatica
Una frattura da fatica è un modello di frattura che mostra una graduale propagazione delle crepe sotto l’effetto di stress ripetuti. Quando un materiale è sottoposto a sollecitazioni o deformazioni cicliche alternate, i cambiamenti strutturali locali e i difetti interni peggiorano fino a portare alla frattura completa.
L’aspetto del materiale fratturato non mostra stiramento o necking, che è tipico delle fratture fragili, ma l’osservazione al microscopio rivela una significativa deformazione plastica. La superficie fratturata è generalmente liscia, rispetto alle superfici di altri modelli di frattura, e si osservano le cosiddette linee di spiaggia (“beach marks”) o linee concoidali (“conchoidal marks”) come caratteristica macroscopica. Dall’aspetto di queste linee si può risalire al punto di origine della frattura e in che direzione è proceduta la cricca. Al SEM (Fig. 3) si osserva tipicamente un motivo a strisce chiamato striatura. Le strisce di fatica sono perpendicolari alla direzione di avanzamento della fessura e leggermente concave rispetto al punto dell’innesco. Ciascuna striscia rappresenta un ciclo di carico, ed è possibile pertanto risalire a quanti cicli di estensione della fessura si sono verificati prima del cedimento definitivo.
Riassumendo le caratteristiche principali di questo tipo di frattura sono:
– linee di spiaggia – cricche a diffusione radiale – striatura (correlata ai cicli di sollecitazione) – cricche secondarie, segni di sfregamento
Fratture influenzata dall’ambiente
Una frattura ambientale, infine, è un modello di frattura che si verifica con la formazione di cricche in un materiale esposto ad un ambiente corrosivo, anche per azione di una sollecitazione esterna molto piccola. Tipiche fratture ambientali sono l’infragilimento da idrogeno (detta anche frattura ritardata e generalmente osservata su materiali a base di acciaio, si manifesta con rottura granulare, segni filiformi “hairline patterns” e zampe di gallina “crows-feet markings”) e la tensocorrosione (Stress Corrosion Cracking, SCC, caratterizzata da rottura granulare e segni a forma di piuma “feather marking”).
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