Come FILAB ha aiutato uno dei suoi clienti a determinare la causa della rottura di uno stelo di pistone in acciaio?
Un pistone è un componente meccanico cruciale in molte apparecchiature meccaniche in questo caso e anche nei sistemi di ingegneria. I pistoni consentono diverse applicazioni, in particolare: la conversione di energia, la creazione di pressione, il controllo dei fluidi, l’ammortizzazione ecc…
Il cliente si è rivolto a FILAB, laboratorio specializzato nella caratterizzazione dei materiali e nelle analisi chimiche, per determinare la causa della rottura di uno stelo di pistone in acciaio. Desidera innanzitutto verificare la qualità di questo pezzo e, in secondo luogo, realizzare uno studio frattografico.
Determinazione della qualità dell’acciaio
Quali sono le tecniche di analisi che il laboratorio FILAB ha deciso di mettere in atto per eseguire l’analisi chimica del pistone guasto?
Analisi mediante analizzatore elementare
L’analisi chimica mediante Analizzatore Elementare C/S ha l’obiettivo di determinare in modo specifico il contenuto di carbonio e zolfo del campione.
Analisi mediante ICP-AES
L’analisi mediante Spettroscopia di Emissione Atomica con Plasma ad Accoppiamento Induttivo (ICP-AES) per ricercare e quantificare gli elementi chimici presenti nel campione.
Queste analisi chimiche del pistone hanno permesso di evidenziare che i tenori ottenuti sono in linea con quelli di un acciaio da costruzione non legato.
Analisi frattografica del pistone
Osservazione con lente binoculare
La tecnica della lente binoculare consente di effettuare osservazioni macroscopiche. Le osservazioni effettuate con la lente binoculare hanno permesso di ottenere le seguenti informazioni:
- La zona di innesco della frattura segue una parte del perimetro del pezzo e misura alcuni millimetri di spessore.
- La maggior parte del facciale di frattura presenta un aspetto brillante e granuloso con la presenza di linee di propagazione e rilievi. Sono presenti zone scure che possono corrispondere a contaminazioni o a corrosione comparsa dopo la rottura del pezzo. Sono inoltre presenti, in misura minore, alcune zone di martellamento (zone deformate da urti dopo la rottura).
- La zona di fine strappo è stata osservata. Segue il perimetro del pezzo su una piccola porzione.
Osservazioni approfondite mediante SEM-EDX
- Nella zona di innesco della frattura sono state identificate microstriature. Potrebbero derivare da un fenomeno di fatica sul pezzo. Questa parte del facciale è ricca di carbonio (C), ma tale concentrazione proviene probabilmente da contaminazioni organiche superficiali
- La maggior parte del facciale di frattura corrisponde a una frattura fragile transgranulare con la presenza di fiumi di clivaggio, a testimonianza di una rottura brusca.
- La zona di fine strappo presenta coppelle coerenti con una frattura duttile. Come per la zona di innesco della frattura, sono presenti numerose contaminazioni organiche.
I risultati ottenuti...
Le analisi chimiche effettuate in questo studio hanno permesso di determinare la natura del pistone, che risulta essere un acciaio da costruzione non legato.
D’altra parte, per quanto riguarda l’analisi frattografica, è stato determinato che la zona di innesco della rottura è stata identificata su una parte del perimetro del pezzo. Presenta microstriature, che potrebbero derivare da un fenomeno di fatica (cicli di carico e scarico meccanico in flessione).
La maggior parte del faccino di rottura corrisponde a una rottura fragile transgranulare con la presenza di fiumi di clivaggio, a testimonianza di una rottura improvvisa.
Conclusione dello studio
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Domande frequenti
Come determinare la causa della rottura di uno stelo di pistone in acciaio?
L’indagine combina la verifica della composizione dell’acciaio con l’esame della superficie di frattura. In questo studio, FILAB ha utilizzato l’analisi elementare C/S, l’ICP-AES, la lente binoculare e la SEM-EDX. Questa combinazione ha permesso di identificare il materiale e di distinguere diverse fasi nel meccanismo di rottura.
Perché verificare la qualità dell’acciaio prima di interpretare la rottura di un pistone?
La composizione chimica consente di verificare la coerenza del materiale con la qualità prevista e di definire il perimetro dell’analisi. Per questa asta del pistone, i tenori misurati mediante analisi elementare e ICP-AES erano compatibili con un acciaio non legato da costruzione. Questo risultato completa lo studio frattografico, senza tuttavia spiegare da solo l’origine del cedimento.
Quali indizi possono suggerire l’innesco di una rottura per fatica?
La presenza di microstri nella zona di innesco può indicare un meccanismo di fatica dovuto a sollecitazioni ripetute. In questo studio, sono state osservate su una parte della circonferenza dello stelo. La loro interpretazione deve essere correlata alla geometria del pezzo e alla sua storia di carico, in particolare agli eventuali cicli di flessione.
Cosa significano i fiumi di clivaggio osservati su una superficie di frattura?
I fiumi di clivaggio sono indicativi di una modalità di frattura fragile transgranulare. Sul gambo analizzato, occupavano la maggior parte della facies e testimoniavano una propagazione improvvisa. Sono stati distinti dalle microstrie della zona di innesco e dalle cavità presenti nella zona finale di strappo.
Un’asta del pistone può presentare diverse modalità di rottura sulla stessa superficie?
Diverse modalità di rottura possono susseguirsi sullo stesso componente. In questo caso, l’analisi ha evidenziato un innesco compatibile con la fatica, una zona prevalentemente fragile e una fase finale di strappo duttile. Questa visione d’insieme consente di ricostruire lo scenario del cedimento con maggiore precisione rispetto a un esame limitato a una sola zona.