Quali sono le proprietà più significative valutate durante le prove sui materiali?

Quali sono le proprietà più significative valutate durante le prove sui materiali?

Una spiegazione dettagliata dei test non distruttivi sui materiali.

Nell'industria automobilistica, ad esempio, i processi produttivi vengono monitorati per garantire che escano dalla finestra di processo specificata solo in situazioni estreme. L'indice di capacità del processo rivela se un processo raggiunge gli obiettivi stabiliti nella specifica. Questo indice, chiamato anche cpk, misura la ripetibilità e la precisione del processo.

È necessario monitorare i processi con una ripetibilità inferiore a quella desiderata e che non rispettino in modo adeguato la tolleranza. Per la produzione in linea, è fondamentale determinare l'integrità di un pezzo, impedendogli di continuare il processo di produzione se non rispettata. In questo modo si evita di aggiungere ulteriori costi di produzione a un pezzo che potrebbe già non soddisfare i requisiti di qualità. Sono molti i componenti critici per la sicurezza e la funzionalità che compongono un'automobile, un'attrezzatura pesante o un treno. Le loro prestazioni possono essere garantite solo se il materiale e i processi di produzione soddisfano requisiti specifici. Ad esempio, tecniche di tempra inadeguate possono causare l'usura precoce e la rottura degli ingranaggi di una trasmissione automobilistica o la fragilità di un accoppiatore per rimorchi. Anche l'utilizzo di una materia prima sbagliata può far sì che il componente si comporti in modo diverso nell'applicazione di serie e portare a un grave malfunzionamento. Quando si vogliono evitare danni gravi o si rischia la vita umana, è necessario condurre e implementare test durante il rpocesso. In questo modo, è possibile garantire e mantenere i parametri specificati. I test sui materiali elencati di seguito possono essere eseguiti in parallelo al processo o come parte di un'ispezione al 100%:

1. Composizione del materiale
2. Variazioni di durezza dei materiali, tra cui:
   • Profondità del caso
   • Durezza superficiale (HB, HRC, HV)
   • Rilevamento hard e soft
3. Misura della conduttività
4. Misura della permeabilità
5. Test per la ricerca di punti duri e morbidi
6. Ispezione del vuoto.
   

1. Composizione del materiale

Esistono centinaia di leghe metalliche diverse, che si differenziano per la loro composizione e per il modo in cui vengono prodotte. Molti produttori hanno le loro ricette segrete, che vengono compilate individualmente per ogni prodotto finale. Generalmente alcune fluttuazioni nei componenti della lega sono normali e ammissibili, purché rimangano all'interno delle specifiche.

A seconda della struttura della catena di fornitura, si può o meno fare affidamento sulla qualità. Pertanto, la composizione dei materiali deve essere controllata regolarmente. Questo vale, ad esempio, per l'industria automobilistica e aeronautica ed è regolato dalle norme corrispondenti.

L'ispezione può avvenire su campioni in entrata o, se necessario, come ispezione al 100% direttamente nella linea di produzione. Esistono vari metodi per testare la miscela di materiali: o si esegue il test con uno spettrometro di massa in laboratorio per campionare il contenuto di carbonio in modo casuale, o ci si affida a un'ispezione magnetico-induttiva.

Spettometro di massa

Il metodo magnetico-induttivo funziona con correnti parassite. I componenti di prova di solito passano attraverso una bobina di prova contenente unavvolgimento primario e uno secondario per esaminare le proprietà del materiale. Così le correnti parassite a bassa frequenza vengono introdotte nel materiale. La tensione di prova registrata dal sensore deriva dalle proprietà magnetiche ed elettriche del componente in esame e il valore viene visualizzato graficamente come punto di misura. I diversi componenti della lega o gli stati strutturali modificano le correnti riceventi e consentono quindi di trarre conclusioni sulle proprietà del materiale del pezzo in esame. Ogni materiale lascia una propria "impronta digitale", per così dire, unica, che cambia a seconda della frequenza di misura utilizzata.

Questa impronta digitale viene inserita nello strumento di prova a correnti parassite per identificare in modo univoco un materiale. È importante assicurarsi che le variabili ambientali rimangano stabili. Per ridurre al minimo le pseudo indicazioni, solitamente si cerca di effettuare il test con una frequenza ottimizzata per il pezzo in analisi. Se i produttori devono esaminare diverse proprietà del materiale, possono farlo con diverse frequenze fondamentali. In alternativa, o in aggiunta alle frequenze fondamentali, si possono valutare anche quelle armoniche per identificare il materiale ed eliminare i componenti difettosi.

Le dimensioni dei componenti di prova devono essere identiche a quelle del materiale per il quale si è ottimizzato. Questo perché dimensioni diverse fanno sì che i campi magnetici della sonda di prova si propaghino in modo diverso, modificando così il segnale. Molte linee di produzione utilizzano con successo il test di identificazione magnetico-induttivo dei materiali. Tuttavia, si possono trovare applicazioni anche al di fuori delle linee di produzione, ad esempio per differenziare l'alluminio di alta qualità da quello di bassa qualità.

2. Variazioni della durezza del materiale

A seconda del materiale di cui è fatto un componente, si utilizzano diversi processi di tempra, tra cui la tempra a induzione o la tempra in forno. Può accadere che un pezzo non abbia la durezza desiderata dopo la procedura di tempra; ciò può essere causato da un contenuto di carbonio non corretto o da una lega difettosa.

Nella tempra a induzione, anche la corrente necessaria per riscaldare il componente deve essere della giusta entità. Di conseguenza, è necessario garantire che la temperatura superficiale del componente sia corretta. Una temperatura superficiale imprecisa può portare a una trasformazione errata della microstruttura. I controlli ottici di solito non sono possibili, poiché le differenze tra i componenti non sono visibili a occhio nudo. Pertanto, sono necessari metodi di controllo non distruttivi per segnalare all'utente i processi difettosi.

Poiché le proprietà magnetiche dei materiali sono correlate alla loro durezza, i test magnetico-induttivi possono essere utilizzati per registrare una specifica "impronta digitale" sul componente. Le proprietà magnetiche dei materiali che contribuiscono alle interazioni sono la permeabilità magnetica, la remanenza e la coercitività. Un altro fattore che influenza la prova di durezza magnetico-induttiva è la conduttività elettrica. Lo stesso metodo può essere utilizzato per le prove di miscela di materiali e per le prove di durezza.

3. Misura della conducibilità con un sistema a correnti parassite

Oltre al materiale giusto e alla sua durezza, anche la conducibilità elettrica gioca un ruolo importante. Nella costruzione di aerei, ad esempio, la conduttività dei materiali è strettamente specificata in molte applicazioni. Uno degli obiettivi è garantire la conduzione e la dissipazione dell'energia in caso di fulminazione. La conducibilità elettrica è definita come la costante di proporzionalità tra la densità di corrente e l'intensità del campo elettrico. Un'impostazione tipica per misurare la conducibilità elettrica dei metalli è la misurazione a quattro punti. In questo caso, una corrente viene immessa su una distanza definita attraverso due punte di misura e la caduta di tensione viene misurata al di sopra di questa.

Questo metodo di misura è molto accurato e riconducibile a grandezze di misura standardizzate. Tuttavia, è difficile da implementare in un ambiente di produzione, poiché ogni componente da testare deve essere contattato. Sporco, olio o differenze di superficie possono influenzare in modo significativo il contatto delle sonde di prova con il componente in esame e quindi la misura stessa. Per questo motivo, da anni si è affermato sul mercato un altro metodo: la misura della conducibilità con correnti parassite. A differenza delle prove di cricca e di microstruttura con correnti parassite, la misura della conduttività elettrica non è un test comparativo, ma una misura pura. Ciò significa che le sonde possono essere calibrate secondo uno standard nazionale. La conducibilità elettrica provoca lo sviluppo di correnti parassite nel materiale, che interagiscono con il campo primario generato nella sonda. Questa interazione viene registrata e valutata nell'hardware di misura. Se questa interazione è impostata in relazione alla conduttività di un corpo di riferimento, è possibile stabilire un collegamento con la conduttività in base alle informazioni sull'interazione delle correnti parassite. Va notato, tuttavia, che l'intensità del campo magnetico accoppiato dipende dalla distanza tra la sonda di prova e il pezzo. Se la distanza cambia durante la misurazione o se la distanza è diversa rispetto alla calibrazione su uno standard, si possono verificare errori di misurazione.

Per ridurre questi errori di misura, il segnale di ampiezza viene utilizzato per compensare l'effetto della distanza (per la misurazione della conducibilità elettrica si valuta principalmente il segnale di fase). La misura viene solitamente eseguita su campioni casuali, motivo per cui si preferiscono dispositivi di misura mobili. Allo stesso modo, è possibile utilizzare il metodo di misura in una prova in serie con uno strumento di misura di linea. Inoltre, è possibile eseguire un'ispezione dell'intera superficie di piastre o barre per verificare la presenza di fluttuazioni nella conduttività.

4. Misura della permeabilità del materiale

La permeabilità magnetica è una misura della permeabilità della materia ai campi magnetici (analoga alla conducibilità elettrica nei campi elettrici). Ad esempio, gli acciai ferritici o martensitici hanno una buona permeabilità magnetica. Il contrario vale per gli acciai austenitici. Nel caso dei motori elettrici, la funzionalità e l'efficienza sono fortemente influenzate dalla permeabilità magnetica; di conseguenza, la misurazione e la verifica di questa proprietà del materiale stanno diventando sempre più importanti. Il motivo è che alcuni componenti per gli azionamenti elettrici devono essere realizzati con materiali facilmente magnetizzabili, in modo che il sistema elettromagnetico possa funzionare rapidamente e con la minore energia possibile.

Componente elettromagnetico Induttore

Tuttavia, esistono anche applicazioni in cui i materiali devono avere una permeabilità nulla o molto bassa. Ad esempio, solo i componenti amagnetici sono adatti all'installazione in una tomografia a risonanza magnetica (RM), in modo da non influenzare il campo magnetico generato. Per lo stesso motivo, gli impianti possono essere costituiti solo da materiali amagnetici se il paziente necessita di una risonanza magnetica.

Esistono due modi per misurare la permeabilità di un materiale:

• Misura della permeabilità in corrente alternata, cioè la misura della permeabilità magnetica in campi alternati;
• Misura della permeabilità in corrente continua, ovvero misurare la permeabilità magnetica aumentando successivamente il flusso magnetico.
  

La permeabilità è definita come la pendenza della curva caratteristica B/H. La sua misurazione è un prerequisito per un circuito magnetico chiuso come in quello per campionamento anulare (DC) o in un telaio di Epstein (AC).

La permeabilità o la curva di misurazione B/H possono essere registrate utilizzando una bobina primaria (che misura il campo H) e una bobina secondaria (che misura il campo B). Il rapporto tra la corrente impressa e la tensione di induzione misurata come integrale rappresenta la curva caratteristica B/H e la sua pendenza rappresenta la permeabilità magnetica. Con la bobina primaria si genera un campo definito con una corrente impressa. Il campo magnetico H indotto dalla corrente produce un flusso magnetico nella parte in esame.

La bobina secondaria è disposta parallelamente alla bobina primaria. Il flusso magnetico provoca una tensione di induzione nel pezzo in prova. Particolarmente impegnativo è realizzare la relazione tra B/H il più vicino possibile alla geometria del componente esistente, per poter misurare con questo metodo pezzi di prova di forme diverse. A tal fine, diventa fondamentale sviluppare un modello che possa essere applicato da un pezzo standard alla geometria del pezzo in prova. La misura in corrente continua è comunemente utilizzata negli ambienti industriali, ma la misura in corrente alternata è interessante per le applicazioni in cui le frequenze di lavoro sono in una gamma di kHz più elevata.

5. Test di punti duri, punti morbidi e cavità

I cosiddetti punti duri o morbidi sono differenze locali nella microstruttura (disomogeneità) dovute al processo di fabbricazione. Esse si manifestano con diverse durezze, conduttività o composizioni del materiale. Per trovare queste disomogeneità si utilizzano gli stessi metodi dei test sulla miscela di materiali o sulla durezza. Mentre in questi casi il risultato viene mediato sull'intero componente, per testare i punti è necessario eseguire una scansione precisa del componente. L'impostazione per il test dei punti duri è quindi analoga, contrariamente al classico test delle cricche con correnti parassite. La formazione di soffiature è inoltre limitata a un'area molto locale. Il test a ultrasuoni è tipicamente utilizzato per il rilevamento. In questo caso, è necessario muovere la testa ultrasonica lungo il pezzo in prova o, analogamente, il pezzo in prova insieme alla testa ultrasonica. La metodologia per questo è spiegata nella sezione sui metodi di rilevamento delle cricche.

Come può apparire un tipico test sui materiali?

FOERSTER ha sviluppato un dispositivo particolare per le attività di prova nel campo dei materiali e della durezza. Il MAGNATEST D è particolarmente adatto alle applicazioni in serie. L'hardware del dispositivo di prova è stato progettato in modo tale da poter testare più componenti in un tempo molto breve, ossia con un'elevata frequenza di cicli. Questa configurazione di prova richiede una bobina di prova, un dispositivo di prova e l'alimentazione dei componenti. L'alimentazione dei componenti può avvenire manualmente o automaticamente. Il tipo di alimentazione dei componenti e il livello di automazione influenzano i costi di acquisizione di un sistema di test.

Di norma, il MAGNATEST D è appositamente configurato per rilevare automaticamente quando un oggetto di prova viene inserito nella bobina. Il riconoscimento del componente innesca l'inizio del test vero e proprio e il successivo ordinamento buono/cattivo. I risultati del test vengono restituiti sotto forma di segnale di I/O e di informazioni dirette sullo schermo. Il test si svolge con una bobina passante, attraverso la quale passa l'oggetto da testare, o con sonde fisse, alle quali l'oggetto da testare viene alimentato manualmente o automaticamente. Oltre a questo, il MAGNATEST D può essere integrato direttamente nella produzione. Inoltre, può essere controllato direttamente dopo il processo di finitura per verificare che sia stato eseguito correttamente. Nel caso di un processo difettoso e del conseguente spreco di produzione, un feedback tempestivo permette di prendere le contromisure in modo tempestivo.

Analisi di regressione nelle prove di durezza

I valori misurati durante le prove di durezza non distruttive con uno strumento a correnti parassite sono valori adimensionali che contengono una dichiarazione sulla parte reale e immaginaria dei segnali nella bobina di misura secondaria. Mediante un'analisi di correlazione, cioè una regressione di un metodo di misurazione fisica della durezza assoluta con i valori adimensionali del controllo a correnti parassite, questi valori possono essere parametrizzati, il che significa che lo strumento di prova può essere utilizzato per la misurazione durante il processo di serie. Come si presenta questa analisi di regressione e come può essere implementata è trattato in un'altra sezione.