Per realizzare strutture robuste e evitare cedimenti in quelle esistenti, gli ingegneri devono conoscere approfonditamente la relazione che intercorre tra applicazione del carico e la degradazione correlata alla fatica. In questo caso di studio gli ingegneri dell'EWI hanno verificato e determinato che l'impiego dell'Acquisizione a matrice completa (FMC) e del Metodo a focalizzazione totale (TFM) per l'imaging possono permettere un'analisi approfondita dello sviluppo delle cricche causato da un carico di fatica.
I carichi ciclici consistono nel sottoporre ripetutamente delle strutture a forze meccaniche, sforzo, tensione e sollecitazione. Esempi classici di strutture sottoposte a carichi ciclici sono ponti, gru, longheroni di ali di aerei e turbine per la produzione energetica. All'EWI, i test standard di laboratorio sono realizzati su campioni costituiti da materiali usati per costruire queste strutture per studiare l'impatto dei carichi ciclici. I dati raccolti permettono di calcolare i tassi di sviluppo delle cricche in modo da poter essere utilizzati per le valutazioni di progettazione correlate alla residua durata di vita in servizio di una struttura.
Tuttavia questo caso di studio non è incentrato sui campioni ma sugli strumenti utilizzati per la loor valutazione. Per assicurare di avere a propria disposizione gli strumenti di valutazione più efficienti e efficaci, il team dell'EWI per i controlli non distruttivi analizzano nel proprio laboratorio anche gli ultimi progressi negli strumenti NDT. Il TFM è un metodo avanzato di imaging utilizzato nell'ambito dei controlli a ultrasuoni phased array (PAUT). L'EWI ha testato il TFM su una cricca da fatica simulata, confrontandolo al phased array convenzionale.
EWI
L'EWI è un fornitore di servizi ingegneristici avanzati con sede in Columbus (Ohio, Stati Uniti). Il suo gruppo di valutazione non distruttiva (NDE - nondestructive evaluation) si mantiene continuamente aggiornato per l'integrazione di tecniche all'avanguardia, in modo da sviluppare procedure di ispezione e valutazione di materiali sfusi e componenti, assicurando il più alto standard qualitativo.
Test di efficacia del Metodo di focalizzazione totale (TFM) per l'acquisizione di immagini di cricche
Nei test da fatica standard di laboratorio gli ingegneri misurano la propagazione di una cricca in un campione a distanza di specifici intervalli per acquisire e analizzare il tasso di sviluppo. L'analisi del tasso di sviluppo della cricca da fatica risulta complessa. È influenzata dal materiale del campione, dalla forma del campione, dai fattori ambientali come la corrosione, ecc. Pertanto è importante massimizzare l'accuratezza e la completezza dei dati in possesso degli ingegneri. L'obiettivo di questo esperimento è stato quello di determinare se il TFM potesse fornire informazioni utili per approfondire questa analisi.
Il clip gauge è un comune strumento usato per monitorare le cricche da fatica. Il clip gauge viene inserito nell'apertura della cricca e permette di misurare le variazioni in rapporto al campione. In questo esperimento, l'EWI ha usato un clip gauge come termine comparativo dei dati PA e TFM acquisiti. L'apparecchiatura usata per i test di fatica è riportata di seguito, inoltre la configurazione iniziale è illustrata nella Figura 1.
Configurazione dei test di fatica
Materiali e apparecchiatura richiesti
- Rilevatore di difetti OmniScan™ X3
- Sonda lineare array 7.5L60 PWZ1 da 7,5 MHz Olympus
- Zoccolo SPWZ1 N55S in Rexolite
- Sistema per test servoidraulica da 50 kip
- Controller FlexTest GT 35C 1815
- Clip gauge MTS da 5 mm modello 632.02F-21
- Campione per resistenza alla frattura con SENB (single-edge notched bend) (ASTM E1820)
Dimensioni del campione:
- 300 mm (11,8 in.) di lunghezza
- 40 mm (1,6 in.) di larghezza
- 45,9 mm (1,8 in.) di altezza
Intaglio di base generato da EDM (electro-discharge machining)
- 11,2 mm (0,44 in.) di profondità
- 1 mm (0,04 in.) di larghezza
Figura 1 — Campione SENB sul sistema per test di flessione servoidraulico a tre punti (nello specifico tre rulli: due nella parte inferiore e uno nella parte superiore) con il clip gauge MTS inserito nell'intaglio di base
Simulazione dello sviluppo delle cricche da fatica con carichi ciclici
Per iniziare il test per cricche da fatica è stato applicato un carico ciclico al campione SENB, con il carico concentrato nel rullo centrale sull'intaglio di base. I carichi sono stati applicati in un intervallo compreso tra 5 e 10 hertz, in base al calcolo da parte degli ingegneri della forza richiesta per generare il desiderato sviluppo di cricca da fatica, senza l'induzione di una deformazione indesiderata.
Durante il processo di applicazione dei carichi ciclici sono state acquisite delle misure dello sviluppo della cricca a intervalli compresi tra 20 e 30 minuti mediante il clip gauge e la configurazione con rilevatore di difetti OmniScan™ X3 sonda e zoccolo (Figura 2). Prima di iniziare con i carichi ciclici, sono state acquisite delle immagini dell'intaglio lavorato come termine di confronto (Figura 4 e Figura 5).
Per la valutazione e il confronto dell'efficacia del metodo di controllo a ultrasuoni sono stati adottati i approcci di acquisizione (Figura 3):
- Scansione settoriale phased array convenzionale
- Acquisizione della matrice completa (FMC) e TFM in modalità TT e in modalità TT-T
Figura 2 — Sonda array lineare Olympus installata su uno zoccolo in Rexolite sul campione SENB
Figura 3 — Scansione settoriale Phased array (in alto a sinistra e a destra) e scansione FMC/TFM (in basso a sinistra e a destra)
Gli ingegneri incaricati dei test si sono assicurati che la sensibilità impulso-eco del rilevatore di difetti OmniScan™ X3 fosse sufficientemente alta per rilevare in modo ottimale i deboli segnali di diffrazione provenienti dalla cricca da fatica.
Tabella 1- Misure delle lunghezze delle cricca a specifici intervalli durante la simulazione dei carichi ciclici
| Intervallo | Numero di cicli | Lunghezza della cricca con clip gauge (mm) | Lunghezza della cricca con TFM (mm) | Lunghezza della cricca Phased array (mm) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 44914 | 11,88 | @12.38 | 12,61 |
| 2 | 66953 | 14,05 | 16,94 | 17,03 |
| 3 | 109833 | 20,25 | 22,17 | 21,77 |
| 4 | 129476 | 23,12 | 25,02 | 24,09 |
| 5 | 150378 | 26,22 | 26,83 | 27,08 |
Nella Tabella 1 sono riportati i dati di misura delle lunghezze della cricca ottenute a ogni specifico intervallo per tutti i metodi. Mentre le immagini sono state acquisite a tutti gli intervalli, come riferimento sono illustrate in questa sezione (dalla Figura 6 alla Figura 9) solamente le immagini PA e TFM per il terzo e il quinto intervallo
Figura 4 — Immagini in modalità TT (a sinistra) e in modalità TT-T (a destra) per il ciclo 0
Figura 5 — Immagine a scansione settoriale PA per il ciclo 0
Figura 6 — Immagini in modalità TT (a sinistra) e in modalità TT-T (a destra) per il ciclo 109833
Figura 7 — Scansione settoriale PA per il ciclo 109833
Figura 8 — Immagini in modalità TT (a sinistra) e in modalità TT-T mode (a destra) per il ciclo 150378
Figura 9 — Immagine a scansione settoriale PA per il ciclo 150378
Quando i carichi ciclici sono stati completati, il campione è stato sezionato per misurare la cricca manualmente (Figura 10). Per assicurare una maggiore precisione sono state effettuate diverse misure calcolandone la media. Nella Tabella 2 è riportato un confronto delle misure finali della cricca da fatica generata.
Figura 10 — Sezione trasversale dell'intaglio e della cricca nel campione
Tabella 2 — Confronto tra TFM, PA e clip gauge per la misura visiva-manuale della cricca da fatica
| Lunghezza della cricca misurata manualmente (mm) | Lunghezza della cricca con clip gauge (mm) | Lunghezza della cricca con TFM (mm) | Lunghezza della cricca Phased array (mm) |
|---|---|---|---|
| 26,89 | 26,22 | 26,83 | 27,08 |
| Differenza % dalla misura manuale | −2.5 | −0.2 | +0.7 |
Conclusioni concernenti i vantaggi del TFM
In merito alla precisione gli ingegneri dell'EWI hanno concluso che il metodo TFM si è dimostrato affidabile in quanto si è rivelato quasi corrispondente al valore misurato manualmente (Tabella 2). Inoltre si è notato che il TFM è leggermente più preciso rispetto ai metodi PAUT e clip gauge come termine di confronto (Volf 2020). Questi risultati hanno dimostrato che, per determinare il tasso di sviluppo delle cricche, il TFM possiede un ottimo potenziale come alternativa al clip gauge. Tuttavia il vantaggio principale del TFM consiste nel fatto che rappresenta un approccio non distruttivo per visualizzare la cricca e acquisire informazioni valide in merito alla sua tipologia e orientazione (angolo, grado di ramificazione, ecc.). La rappresentazione grafica di facile interpretazione della cricca fornita dal TFM aiuta a ridurre la complessità di analisi dei dati (Figura 11), facilitando la comprensione.
Figura 11 — Foto dello sviluppo della cricca verso l'alto a partire dall'intaglio (a sinistra); Immagine del TFM dell'intaglio e della cricca (a destra)
Gli ingegneri dell'EWI hanno evidenziato l'esigenza di eseguire test più approfonditi del TFM su diverse forme di cricche come: cricche angolari, cricche ramificate e cricche riempite. È necessaria una sperimentazione supplementare per confermare questo potenziale percepito dello studio, in modo da migliorare il rilevamento, la misura e la caratterizzazione della cricca da fatica. Questo potrebbe essenzialmente migliorare la precisione nella valutazione della durata di vita in servizio di strutture sottoposte a carichi ciclici.
Riferimento
Volf, Oleg. Approfondimenti tecnici EWI. “Crack Growth Monitoring with Phased-Array Total Focusing Method (TFM).” Luglio 2020
