Rottura dei metalli per fatica

DI COLPO, senza preavviso, morte e distruzione si abbatterono su un eliporto situato in cima all’edificio di 59 piani della Pan Am, al centro di Manhattan, nella città di New York. Mentre i passeggeri salivano a bordo di un elicottero che li avrebbe trasportati all’Aeroporto Internazionale John F. Kennedy, l’aeromobile si capovolse. Nel giro di qualche secondo, i rotori, come gigantesche scimitarre, falciarono quattro passeggeri. Tre morirono sul colpo e il quarto all’ospedale. I frammenti volanti delle pale si sparsero in un vasto raggio. I pezzi caduti in Madison Avenue uccisero una donna e ne ferirono un’altra. Quale fu la causa del disastro? Un resoconto sull’inchiesta preliminare indicò che si era trattato di rottura per fatica, cioè per eccesso di sforzo.

Considerate un altro incidente verificatosi non molto tempo fa. Due donne viaggiavano in macchina sulla bella autostrada costruita sul cordone di isole di Florida Keys. All’improvviso l’auto sbandò finendo in mare. Per fortuna, si trovavano sul posto un sommozzatore e un medico e le donne furono salvate. S’era rotto un pezzo nel meccanismo dello sterzo. Perché? Un rapido esame rivelò i segni inconfondibili dell’eccesso di sforzo.

La tragedia dell’eliporto di New York, il crollo del famoso Silver Bridge, la misteriosa scomparsa dei primi Comet inglesi sul Mediterraneo sono tutti incidenti che si pensa siano stati causati da rottura per fatica.

Le conseguenze della rottura per fatica dei metalli, come il cancro nell’uomo, possono essere meno gravi se si scopre presto. E, come avviene col cancro, la guarigione è spesso difficile e talora incerta. Purtroppo, i segni di riconoscimento sono spesso cancellati dall’incidente. Il più delle volte non vengono riconosciuti per mancanza di personale specializzato.

La struttura dei metalli

Per capire il fenomeno della fatica nei metalli, dobbiamo osservarne la struttura. Dal tempo di Tubal-Cain, il primo lavoratore di metalli menzionato nella storia, fino al nostro tempo, non si è trovata una spiegazione soddisfacente della fatica in questi materiali. (Gen. 4:22) Solo nel recente passato si è ottenuta sufficiente conoscenza della basilare struttura dei metalli che offre una spiegazione plausibile. Ancor oggi, quando una molla a balestra o un asse si rompe, sentiamo dire che il pezzo è cristallizzato. Ma questa non poteva essere la causa della rottura, perché il materiale era già cristallizzato prima della rottura.

Quando i metalli fusi cominciano a raffreddarsi e a solidificarsi, si formano minuscoli cristalli. Questi aumentano di grandezza e di numero finché l’intera massa è cristallizzata. Tuttavia, salvo per i materiali ultrapuri, di solito sono presenti sostanze che non rientrano nella normale struttura cristallina. Alcune di esse sono respinte e tendono a localizzarsi tra i cristalli o grani. Altri materiali ancora restano distribuiti in tutta la struttura. Le particelle solide sono chiamate “inclusioni”. Restano anche fori o spazi vuoti. Il metallo raffreddato in questo modo è detto “struttura a getto”. Sebbene il metallo si possa usare in questa forma, spesso subirà un’ulteriore lavorazione. Tra le varie operazioni vi sono le seguenti: forgiatura, laminazione, stampaggio, lavorazione alla macchina e molatura. Questi passi possono essere solo l’inizio, dato che spesso sono necessarie molteplici operazioni. Ciascuna operazione può influire e di solito influisce sulla possibile durata del metallo, in termini di fatica.

Come ha inizio la rottura per fatica

Se una semplice sbarra di metallo è sottoposta a trazione da entrambe le parti, di solito si può portare il carico almeno una volta vicino al previsto carico di rottura. Tuttavia, se è ripetutamente sottoposta a carichi di trazione abbastanza elevati da produrre incrinature di fatica, può rimanere solo una parte inferiore di resistenza alla rottura, e i continui carichi provocheranno infine la rottura. La ragione di questa ridotta resistenza utile dipende in parte dalla natura fondamentale della struttura dei metalli. Sotto ripetuti carichi, in certi cristalli può formarsi uno scorrimento o uno spostamento da taglio, così che un piano atomico slitterà su un altro. Certi piani dei cristalli offrono meno resistenza a tale scorrimento di altri. Si potrebbero paragonare a minuscoli mazzi di carte che scivolano più facilmente su un piano. Di solito i cristalli sono disposti a caso, e lo scorrimento iniziale può essere provocato da qualche irregolarità nello schema della struttura atomica. Questa irregolarità può dipendere da un’inclusione, da un vuoto o da qualche altra cosa che fa superare il limite di taglio. Ripetuti carichi fanno accumulare questi scorrimenti o spostamenti. Essi continuano ad accumularsi finché il cristallo si frammenta. Questa frammentazione modifica altri cristalli, e il processo continua finché si forma un’incrinatura. L’incrinatura o le incrinature continuano ad aumentare finché la parte metallica non può più sostenere il carico, e ne risulta una rottura per fatica.

Il metallo può cominciare ad affaticarsi anche per altri motivi. Per esempio, le microincrinature possono cominciare nel materiale estraneo ai cristalli. Le incrinature possono essere accelerate da qualche azione chimica. Sono state identificate pertanto varie cause di fatica, sebbene ci sia ancora molto da imparare. Il risultato generale, comunque, è il progressivo indebolimento della struttura metallica a opera di qualche processo di microincrinatura durante il carico.

Come scoprire se si tratta di rottura per fatica

In certi casi ci vuole notevole esperienza per stabilire se la rottura è dovuta a fatica, ma esistono certe caratteristiche generali che possono essere utili. Si ammette che la fatica è un processo graduale. Inoltre, le incrinature si formano in modo intermittente. Questo si vede a volte nelle superfici fratturate dei pezzi rotti. Tale schema di aumento intermittente tende a somigliare a semicerchi concentrici irregolari, essendo l’origine della rottura al centro dei semicerchi. Se nelle superfici fratturate è presente lo schema a “guscio d’ostrica”, la causa è probabilmente la fatica.

Identificazione della fatica nel progetto della macchina

Con la rivoluzione industriale, si cominciarono a costruire potenti macchine e locomotive a vapore. Quindi si cominciarono a notare in certe parti meccaniche rotture inspiegabili. August Wöhler, in Germania, fu uno dei primi a riconoscere che si trattava di rotture per fatica e a registrare le sue scoperte. Fece di più e dimostrò come avvenivano le rotture, servendosi di campioni di materiale degli assi delle locomotive. Sebbene il fenomeno dell’affaticamento dei metalli venisse ammesso, fu al tempo della prima guerra mondiale e della costruzione delle prime automobili che la persona comune venne a conoscenza di questo problema. In quelle automobili si verificavano spesso guasti nell’albero a gomiti, negli assi e nelle molle per eccesso di sforzo.

Durante la seconda guerra mondiale, il problema si fece più acuto. Il largo impiego di aeroplani accentrò l’attenzione su resistenza, peso e sicurezza. Oggi, con l’accresciuto impiego di macchine, elicotteri inclusi, sono cresciute le esigenze in quanto a progettazione e sicurezza. Governi e società stanno studiando a fondo il problema. Sono state costruite complesse apparecchiature che vengono ora impiegate per studiare i progetti e i prototipi.

Un risultato di tutto questo lavoro è che i manuali di progettazione sono migliorati. Questi manuali provvedono, fra l’altro, limiti di resistenza a fatica per determinati materiali per cui si possono utilizzare con una certa sicurezza. Si chiamano “limiti di fatica”. Nel grafico della pagina accanto ne è fornita una semplice descrizione. Potrebbe sembrare che, con queste informazioni, in linea di massima il problema sia stato risolto. Basta far funzionare la macchina entro i limiti di sicurezza e non ci sono preoccupazioni di rottura per fatica.

Ma purtroppo i dati e le informazioni provvedute non possono includere tutte le condizioni di funzionamento. Forse non è possibile prevedere accuratamente tutti i carichi a cui può essere sottoposta una parte metallica durante l’effettivo impiego. Le sollecitazioni spesso sono complesse e includono combinazioni di tensione, compressione e taglio. È pure importante conoscere l’ordine in cui avvengono i carichi bassi e alti, se si deve stimare la probabile durata di vita in termini di fatica. Gran parte delle informazioni sono state ottenute lavorando con materiali che si potrebbero definire “semplici”. In questi materiali non sono presenti punti di maggiore sollecitazione, come fori, tacche, rivetti o saldature. Tutte queste cose tendono in genere a ridurre i basilari limiti di fatica. Tuttavia, anche nei materiali semplici, esistono variazioni di qualità praticamente infinite. Tutte queste variazioni in grandezza dei cristalli, numero e tipo delle inclusioni, durezze e sollecitazioni interne complicano i problemi di progettazione e fabbricazione.

Risolti i problemi di progettazione e fabbricazione

Molte macchine e apparecchi che compriamo sono progettati e fabbricati tenendo presente che alcune loro parti si romperanno durante l’uso. Per esempio, c’era l’abitudine di progettare certi pezzi di automobile perché durassero per 160.000 chilometri. A quel punto la tappezzeria poteva essere logora e la carrozzeria arrugginita e danneggiata. D’altra parte, il peso impone un limite alla durata dei pezzi degli aerei. Può essere vantaggioso utilizzare più materiale. Tuttavia, il peso eccessivo limita seriamente la quantità di carico pagante e di carburante che si può trasportare.

Quando sono in gioco vite e proprietà è d’obbligo evitare gravi incidenti nell’uso delle macchine, se è possibile. Perciò, si seguono due criteri generali nella progettazione: evitare guasti e perdita di vite umane.

Col primo criterio, per sostenere un dato carico si usano vari pezzi paralleli. Così, se uno di essi si rompe, gli altri possono sostenere il carico in attesa delle riparazioni. Un altro metodo seguito è quello di progettare il pezzo con una parte più grossa per ridurre la sollecitazione. Se possibile si impiega un robusto rinforzo, a cui trasferire il carico. Con questo criterio, è importante la verifica.

Spesso non è possibile seguire questo criterio nella progettazione. Non è possibile fabbricare un albero o un ingranaggio con pezzi paralleli per sostenere il carico. Per questo tipo di pezzo si segue il secondo criterio: viene progettato in modo che funzioni anche in caso di guasto, e si fanno accurati collaudi. Per quanto riguarda queste parti, bisogna prestare speciale attenzione a tutta la produzione e al montaggio.

A volte si seguono entrambi i criteri. Di nuovo è importante la verifica, se possibile. Il pezzo che si ruppe nell’elicottero sull’edificio della Pan Am doveva essere a quanto si afferma ispezionato dopo 9.900 ore. Tuttavia, pare che avesse registrato solo 7.000 ore. Quindi, anche quando le verifiche previste non sono abbastanza frequenti può accadere un disastro.

Speciali precauzioni

A volte si possono seguire speciali procedimenti per prevenire incidenti dovuti a rottura per fatica. Non sempre sono seguiti a causa del costo addizionale, della mancanza di conoscenza o di impianti, o perché non sono attuabili. E sono disponibili certi mezzi per prevedere la rottura.

Uno dei più importanti procedimenti spesso impiegati è la pallinatura o la pulitura a getto dolce. Essa fornisce ciò che può essere considerato un rivestimento compressivo per il pezzo. Dato che le rotture per fatica avvengono in genere quando la parte è sottoposta a ripetuti carichi di tensione, la pallinatura serve a tenere in compressione almeno la parte superficiale.

Un altro procedimento è chiamato a volte “autofrettage”. Sebbene questo procedimento sia stato impiegato per i fucili, il principio ha molte applicazioni. Si tratta di sovraccaricare in modo eccessivo la parte in modo che certe aree sottoposte a forte tensione cedano. Quindi, liberate del carico, queste aree vanno in compressione. Tali aree in compressione localizzata forniscono una protezione riducendo la tensione durante il normale funzionamento.

Il sovraccarico può avere anche altri effetti utili, se effettuato prima che il pezzo entri in funzione. Questo se nel pezzo si impiegano certi dispositivi di fissaggio. Un esempio è quello dei giunti chiodati. Dato che i buchi non corrispondono alla perfezione, certi rivetti possono sostenere la maggior parte del carico. Sovraccaricando l’assemblaggio, comunque, le parti più cariche cedono, distribuendo così il carico.

Sono impiegati altri metodi per prevenire rotture per fatica dei metalli, e di solito questi sono molto utili. Fra questi ci sono ricottura di distensione dopo la saldatura, e levigatura per eliminare fori e cavità.

Che cosa potete fare?

Che dire degli incidenti dovuti a rottura per fatica?

Si possono prevenire gli incidenti causati da rottura per fatica dei metalli? Sì, un giorno questo sarà possibile.

Gli incidenti possono essere causati da forme di egoismo, ignoranza e negligenza. A volte lo smodato desiderio di profitto, conoscenza lacunosa del progetto e negligenza da parte di coloro che fabbricano e usano la macchina ci rendono vulnerabili alle rotture per fatica dei metalli. Tuttavia, un nuovo sistema di cose è alle porte. In quel sistema promesso dal Creatore dell’uomo, ogni forma di egoismo sarà eliminata. La conoscenza aumenterà, inclusa quella che riguarda la progettazione. E coloro che allora faranno e useranno le macchine terranno presente l’incolumità di tutti.

[Grafico a pagina 19]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Carico di rottura, kg per cm²

Rottura prevista

Limite di fatica

Sicurezza di funzionamento

500.000

1.000.000

Cicli di rottura

Un metodo per organizzare i dati.

[Immagine a pagina 19]

SCHEMA A OSTRICA