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Materiali e Tecnologie

Un’attrezzatura deve garantire durante tutta la vita in servizio le prestazioni desiderate nelle condizioni di esercizio previste dal progetto e deve farlo senza mai mettere a repentaglio la sicurezza di persone o cose. La scelta del materiale da utilizzare per la sua fabbricazione riveste grande importanza in fase di progettazione: le prestazioni di un dato componente sono infatti ascrivibili al suo disegno progettuale, ma vengono decisamente influenzate anche dalle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche del materiale scelto per la sua fabbricazione.  La scelta di un opportuno materiale invece di un altro può fare la differenza quando un’attrezzatura deve operare in condizioni di servizio severe quali ad esempio possono essere temperature molto alte o molto basse, alta pressione o vuoto spinto, ambiente corrosivo, presenza di sostanze velenose, infiammabili, esplosive o radioattive. Questa estrema varietà e variabilità di condizioni di esercizio ha fatto sì che nel tempo siano stati sviluppati materiali in grado di garantire sicurezza e prestazioni elevate in moltissimi ambiti industriali e civili. Questo processo di ricerca e sviluppo è tuttora molto attivo e viaggia di pari passo con la sempre più impellente necessità di aumentare prestazioni e rendimenti riducendo costi, dimensioni e ovviamente i rischi.

Se si pensa ai  materiali metallici non si può non vedere quanto la tecnologia sia progredita negli ultimi decenni: nel solo settore dei materiali ferrosi hanno visto la luce leghe ad alte prestazioni come gli acciai duplex, quelli al 9% cromo, gli acciai per criogenia e quelli refrattari; continue migliorie e aggiunte di elementi alliganti portano allo sviluppo e alla messa in commercio di materiali sempre più innovativi anche nel campo delle leghe di nichel;  leghe leggere a base di alluminio e magnesio si stanno diffondendo con crescente successo nella motoristica, mentre materiali a base titanio trovano impiego come leghe leggere e biocompatibili.

Un altro universo, parimenti in espansione, è quello delle materie plastiche, che spazia dall’ubiquitario polietilene alle resine termoplastiche o termoindurenti, che stanno rimpiazzando in più di una applicazione sia i metalli che i ceramici (basti pensare infatti alle condutture degli acquedotti o agli isolatori elettrici).

A far da ponte tra questi due mondi, infine, i compositi rappresentano una delle sfide più intriganti per progettisti e fabbricanti, poiché in essi convivono, non senza criticità, sia le caratteristiche tipiche dei materiali metallici, sia quelle delle materie plastiche.

In ragione della loro crescente varietà e disponibilità sul mercato, la caratterizzazione chimico-fisica e lo studio delle proprietà meccaniche dei materiali sono ambiti di ricerca estremamente importanti, che divengono addirittura imprescindibili quando vengono condotti su materiali da esercire in condizioni ambientali e/o di processo del tutto nuove o conosciute solo in parte (si pensi ad esempio all’impiego di acciai al 9% cromo nella produzione di vapore in impianti ultrasupercritici).

Un’approfondita conoscenza delle proprietà di un materiale richiede che di esso siano ben caratterizzate la composizione, la struttura, le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche e i trattamenti subiti durante i processi di produzione, lavorazione, e finitura. Lo studio del materiale prosegue poi durante la vita in servizio, analizzandone la capacità di mantenere proprietà e prestazioni inalterate nel tempo, negli ambienti e nelle condizioni in cui viene utilizzato, caratterizzandone parimenti l’invecchiamento e ogni forma di deterioramento eventualmente sopraggiunta.

Conoscere a fondo le caratteristiche e le proprietà dei materiali consente al progettista di scegliere quello che meglio degli altri risponderà ai requisiti di qualità e sicurezza dell’attrezzatura da fabbricare e fornirà inoltre agli utilizzatori gli elementi utili a definire un dettagliato piano di controlli e verifiche di funzionalità e sicurezza dell’attrezzatura durante la vita in servizio, evitando o minimizzando il verificarsi di condizioni potenzialmente in grado di generare eventi incidentali.

Un determinato materiale, individuato per la costruzione di una certa tipologia di componenti di attrezzature, può infatti modificare nel tempo le sue proprietà divenendo non più idoneo per gli scopi cui era stato destinato: la conoscenza delle cause che ne determinano il degrado e dei meccanismi con cui quest’ultimo si palesa è uno strumento importante per la valutazione dei rischi e la prevenzione dei fenomeni incidentali. I materiali sono soggetti a fenomeni di degrado e di invecchiamento a causa di reazioni chimiche che si innescano nell’ambiente in cui viene immagazzinato e/o utilizzato: ne è un noto esempio, il processo ossidativo causato dalla presenza di aria (e in particolare di ossigeno) e umidità, in seguito al quale il materiale si trasforma, perdendo nel tempo le caratteristiche peculiari che lo rendevano eleggibile per una specifica attrezzatura e rendendo quest’ultima non più utilizzabile. Oltre a ciò, variabili come temperatura, pressione, forze applicate, cicli di carico e scarico e termici determinano trasformazioni a carico della struttura interna del materiale stesso: in conseguenza di ciò, si ha molto frequentemente una perdita delle proprietà meccaniche originariamente possedute, che porta al verificarsi di rotture indesiderate, sovente repentine e inaspettate.

La conoscenza della struttura interna (in gergo “microstruttura”) del materiale e di come le proprietà dello stesso siano ad essa legate, rappresentano una risorsa sia nelle fasi di progettazione quanto nella fase del corretto impiego delle attrezzature, nella programmazione di controlli periodici che permettano di monitorare lo stato di “salute” del materiale e fare valutazioni indicative della “vita residua” ossia una stima del periodo di tempo in cui tale materiale conserva le caratteristiche meccaniche prerogativa dell’impiego a cui è destinato.

Nell’ambito delle attività del Dipartimento Innovazioni Tecnologiche, sono numerosi gli obiettivi di ricerca incentrati sulla caratterizzazione dei materiali. Le tematiche più approfondite riguardano lo studio della microstruttura, la sua evoluzione durante la vita in servizio del materiale, l’identificazione di forme e meccanismi di danno a carico del materiale durante l’esercizio e la stima della vita residua dopo prolungata attività. Tali studi sono condotti su alcune classi di materiali utilizzati in un’ampia gamma di attrezzature e componenti di impianto. Sono oggetto di ricerche, ad esempio, materiali e componenti che operano in ambienti corrosivi, in regime di scorrimento viscoso, in condizioni estreme (temperatura e/o pressione elevata in ambiente aggressivo) oppure con una vita in servizio che è andata ben oltre il limite di progetto: si tratta in maggioranza di leghe metalliche (acciai, superleghe di nichel, alluminio), tuttavia alcune attività di ricerca condotte dal Laboratorio III si estendono ben oltre questo campo, andando ad interessarsi del complesso e ancora poco esplorato mondo delle materie plastiche, con l’obiettivo di individuare i meccanismi di degrado che possono comprometterne l’affidabilità in impieghi che negli ultimi anni le vedono protagoniste, come ad esempio il trasporto di fluidi mediante tubazioni (polietilene) e l’isolamento elettrico di conduttori ad alta e media tensione (resine epossidiche con o senza rinforzo di fibre).

Un secondo approccio di studio riguarda l’analisi dei guasti (failure analysis): in questo caso ad essere studiato è il materiale di un componente che durante l’esercizio si è danneggiato a tal punto da rompersi o da richiederne la sostituzione. Una serie di esami, mediante opportune procedure operative, conduce all’identificazione delle cause di rottura e dei meccanismi di propagazione del danno che hanno interessato il materiale. Analisi di questo tipo sono richieste spesso in occasione di contenziosi, ma sono anche condotte in collaborazione con gli utilizzatori di un impianto o di un’attrezzatura, per prevenire nuovi eventi incidentali e migliorare quindi affidabilità e prestazioni.

Dal punto di vista sperimentale, sono numerose le indagini che vengono effettuate su un materiale al fine di caratterizzarlo. Un breve e non esaustivo elenco di quelle attualmente eseguite presso il laboratorio III è qui di seguito riportato:

  • Analisi chimica con metodi ottici e spettrali (spettroscopia ad emissione ottica), analisi per combustione/evaporazione, calorimetria a scansione differenziale, analisi ad umido: si tratta di metodologie atte a determinare la composizione chimica del materiale e la presenza di impurità o di altre sostanze;
  • Determinazione della microstruttura con osservazioni in microscopia ottica ed elettronica, caratterizzazione delle fasi con analisi EDX: usate soprattutto per i materiali metallici, sono tecniche di indagine atte a determinare la struttura cristallina del materiale, identificandone le fasi costituenti e la loro distribuzione ed evidenziando parimenti, nel caso di materiali eserciti, l’evoluzione delle fasi durante la vita in servizio e la presenza di forme di danno;
  • Prove meccaniche e tecnologiche: le comunissime e altrettanto utili prove di trazione, flessione, durezza e impatto forniscono indicazioni immediate e direttamente riconducibili alle prestazioni del materiale studiato. Durante la vita in servizio tali proprietà possono cambiare anche notevolmente e il loro andamento nel tempo può essere utilizzato per stimare il tempo di vita utile di un’attrezzatura prima che il materiale di cui è composta perda le caratteristiche che lo rendono affidabile per l’impiego e si deteriori irreparabilmente. Oltre a tali test, il laboratorio esegue anche prove miniaturizzate di small punch creep test, per studiare la resistenza dei materiali metallici allo scorrimento viscoso su campioni miniaturizzati.