Importanza dell’esame metallografico per la sicurezza e la qualità dei componenti metallici

Struttura cristallina e caratteristiche meccaniche

L’utilizzo dei materiali metallici in applicazioni pericolose come le costruzioni di strutture critiche, le centrali nucleari, la produzione di energia, i mezzi di trasporto e molto altro richiede una grande attenzione e precauzione.
Questi materiali sono soggetti a fattori esterni come la corrosione, la fatica, la flessione e la torsione che possono influire sulla loro integrità strutturale. Per garantire la sicurezza e la qualità dei componenti metallici utilizzati in queste applicazioni, è essenziale effettuare un esame metallografico.

Cos’è l’esame metallografico?

L’esame metallografico è un processo di analisi che consente di determinare la qualità e la struttura del materiale metallico. Questo esame è importante perché fornisce informazioni sulle proprietà meccaniche, la composizione chimica, la presenza di inclusioni estranee e la distribuzione delle inclusioni, determinando la sua resistenza all’usura e alla rottura.

Il processo di esame metallografico comporta la preparazione di una sezione del materiale o componente metallico, che viene quindi osservata al microscopio. La preparazione di una sezione sottile richiede l’utilizzo di tecniche specifiche che consentono di preservare la struttura del materiale e di evidenziare eventuali difetti o anomalie. Queste tecniche possono comprendere la levigatura, la lucidatura, un trattamento termico.

Questo esame può essere integrato con altre tecniche di analisi da svolgere in uno specifico laboratorio di prove sui materiali metallici come la spettroscopia di emissione ottica (OES) e la microscopia elettronica a scansione (SEM). Queste tecniche possono fornire informazioni più dettagliate sulla composizione chimica del materiale e sulle proprietà meccaniche.

L’esame metallografico è quindi un processo di analisi importante, anzi fondamentale, per la valutazione della qualità dei materiali metallici utilizzati in applicazioni pericolose. Questo esame fornisce informazioni cruciali sulle proprietà meccaniche e chimiche del materiale e sulla presenza di eventuali difetti, consentendo così di prevedere anomale rotture. Per garantire la sicurezza e la qualità dei componenti metallici utilizzati in queste applicazioni, è importante che l’esame metallografico sia effettuato da personale qualificato.

La preparazione del provino

Le prove metallografiche sono un importante strumento per l’analisi delle proprietà dei metalli e dei loro composti. Queste prove consentono di studiare la struttura microscopica dei materiali, il loro grado di purezza, la presenza di eventuali difetti o inclusioni e altre informazioni che possono essere utilizzate per valutare la qualità dei materiali e per determinarne le prestazioni in diverse condizioni d’uso.

Questo tipo di prove sono spesso utilizzate nell’industria metalmeccanica, nella produzione di componenti per l’edilizia e per l’ingegneria, nell’industria aerospaziale e navale e in molti altri campi. Ad esempio, possono essere utilizzate per identificare eventuali difetti nella struttura del metallo dopo lavorazioni come saldatura o taglio al plasma.

Le prove metallografiche possono essere eseguite su campioni di metallo di varie dimensioni, dai piccoli frammenti ai grandi pezzi, ed è possibile analizzare sia i metalli ferrosi che quelli non ferrosi.
La tecnica consiste nel preparare una sezione sottile del campione, che viene quindi colorata con diversi reagenti chimici per evidenziare le varie componenti del metallo. La sezione viene poi esaminata al microscopio per ottenere informazioni sulla sua struttura e composizione.

Per preparare un provino, è necessario innanzitutto prelevare un campione di materiale dalla zona di interesse, che può essere una lamina, una barra o un altro tipo di forma. Il campione viene quindi sezionato e lavorato per ottenere una superficie pianeggiante a specchio che possa essere facilmente osservata al microscopio.

La preparazione dei provini può essere fatta a mano o con l’ausilio di apparecchiature automatiche. In entrambi i casi, è importante seguire attentamente le istruzioni delle norme tecniche relative alla preparazione dei provini (norme UNI 3137 – l’esame microscopico dei materiali ferrosi), in modo da garantire che il campione sia rappresentativo del materiale di partenza e che la sua superficie sia adeguatamente liscia e pulita. Una volta che il provino è stato preparato, può essere sottoposto al microscopio ottico o elettronico per studiare la struttura microscopica del materiale e di identificare la presenza di eventuali difetti o inclusioni, come porosità, cavità o cricche.

Struttura cristallina dell’acciaio

L’acciaio è una lega di ferro e carbonio, che viene utilizzata in numerose applicazioni industriali grazie alle sue proprietà meccaniche e chimiche. La struttura cristallina dell’acciaio gioca un ruolo fondamentale nel definire le sue proprietà fisiche e chimiche.

I diversi stati ne cambiano decisamente sia la lavorazione che la sua destinazione d’uso a causa delle diverse caratteristiche meccaniche.

L’acciaio è costituito da diverse strutture cristalline:

• Ferrite
• Austenite
• Martensite
• Perlite
• Bainite

Ora non staremo qui a descrivere le particolarità di ogni fase, per questo vi rimandiamo ad una lettura più approfondita che tratta meglio il diagramma di stato ferro-carbonio, ma vediamo qui velocemente una sintesi:

• La ferrite è una struttura cubica a corpo centrato formata da atomi di ferro ed è caratteristica degli acciai molto duttili.
• La cementite è una struttura composta da tre atomi di ferro ed uno di carbonio, ed è molto dura e fragile.
• L’austenite è una struttura cubica a facce centrate che si forma solo a temperature molto elevate, ed è instabile a temperatura ambiente. Attraverso dei trattamenti termici ci consente però di ottenere diverse strutture dell’acciaio a seconda della velocità di raffreddamento, come martensite,perlite e bainite.
• La martensite è una struttura tetragonale a corpo centrato che si forma raffreddando rapidamente l’acciaio dalla temperatura di austenitizzazione, ed ha caratteristiche di durezza elevate.
• La perlite si forma raffreddando l’acciaio più lentamente della sua velocità di raffreddamento critica, ed è composta da ferrite e cementite, con buone proprietà meccaniche.
• La bainite si forma raffreddando l’acciaio un po’ più lentamente della sua velocità di raffreddamento critica, ed è composta da aghi di ferrite e cementite molto fini.