Proposta di verifica automatizzata dello stato di
danneggiamento da creep da repliche metallografiche
digitalizzate
G. Augugliaro(1), M. Biancolini(2), F. Ciuffa(3), C. De Petris(1), D. Lega(3), S. Porziani (2)
(1)
ISPESL – DTS – Laboratorio Controlli non Distruttivi - Centro Ricerche Monte Porzio Catone (RM)
[email protected] – tel: 06 94181494
[email protected] – tel: 06 94181492
(2)
Università degli Studi Roma Tor Vergata – Dipartimento Ingegneria Meccanica– tel: 06 72597124
[email protected]
[email protected]
(3)
ISPESL – DTS – Laboratorio Chimico e Tecnologico dei Materiali – Centro Ricerche Casilino
[email protected]
[email protected]
Lo scorrimento viscoso o scorrimento plastico permanente (creep) è la deformazione di un
materiale sottoposto, ad alta temperatura, a sforzo costante, e si manifesta al di sopra della
temperatura di scorrimento (Ts).
Il fenomeno non è costante nel tempo, ma può essere diviso in differenti fasi, che
corrispondono a sempre maggiore danneggiamento, a seconda delle velocità di
deformazione; a queste fasi è associata una differente evoluzione microstrutturale.
Negli acciai al carbonio e basso legati, per individuare la stato di danneggiamento da creep
si verifica la formazione o allineamento di microvuoti, o la loro trasformazione in micro e
macro cricche.
La valutazione del danneggiamento da creep è realizzata da un operatore esperto, tramite
l’osservazione al microscopio ottico della replica metallografica del pezzo in esame.
In questo lavoro si propone una metodologia di verifica del danneggiamento da creep
tramite analisi dell’immagine digitalizzata della replica. Questa metodologia proposta è
stata automatizzata grazie all’applicazione di algoritmi tipici dell’analisi delle immagini
per cercare di ottenere una valutazione il più possibile oggettiva, per agevolare l’operatore
nella sua valutazione.
Parole chiave: scorrimento viscoso, danneggiamento, analisi immagini.
Key words: creep, damage, image analysis
1. Lo scorrimento viscoso
Lo scorrimento viscoso è un fenomeno attivato a temperature tali da favorire il movimento
delle dislocazioni o fenomeni di diffusione nelle matrici metalliche. La temperatura che
sancisce il limite oltre il quale si verifica scorrimento viscoso viene convenzionalmente
fissata a valori superiori a circa un terzo della temperatura assoluta di fusione (Tf). In molti
casi si può verificare scorrimento viscoso anche per temperature più basse, tuttavia per la
maggior parte dei materiali metallici tale limite si può comunque considerare compreso fra
0,3·Tf e 0,4·Tf. A queste temperature i materiali metallici iniziano a comportarsi come
materiali viscosi, deformandosi nel tempo anche sotto un carico costante inferiore a quello
di snervamento.
Si può dunque scrivere ε=ε(σ,θ,t). Le prove a scorrimento viscoso si conducono
generalmente mantenendo temperatura θ e carico monoassiale o sforzo monoassiale
σ costanti. In queste condizioni ε=ε(t).
Le caratteristiche di scorrimento viscoso di un materiale metallico ferritico vengono
indicate mediante un grafico del tipo di quello illustrato in figura 1, nel quale la
deformazione ε viene espressa in funzione del tempo di prova t.
Figura 1: curva di scorrimento a temperatura e sforzo nominale costante
Tali diagrammi evidenziano generalmente tre fasi che seguono la deformazione istantanea
ε0 (somma di una parte elastica e di una plastica).
Una fase primaria, detta creep primario, caratterizzata da una velocità di deformazione
decrescente; nel tempo il materiale si deforma con velocità che diminuisce col tempo fino
ad un valore costante che caratterizza la fase successiva.
Una fase secondaria, detta creep secondario, caratterizzata da un valore di velocità di
deformazione (dε/dt) minima e costante, dando generalmente luogo ad una considerevole
deformazione del materiale. Al termine di tale stadio la velocità di deformazione tende
nuovamente ad aumentare.
Una fase terziaria, detta creep terziario, con deformazioni molto rapide (l’allungamento
percentuale cresce sempre più rapidamente nel tempo) fino a portare a rottura il provino.
Questo periodo può essere ricollegabile sia ad una riduzione della sezione resistente (a
livello macroscopico o microscopico) che a fenomeni di addolcimento.
Ovviamente aumentando lo sforzo, l’ampiezza delle tre fasi diminuisce e la rottura
avviene ad un tempo inferiore.
La frattura da creep avviene a seguito dell’evoluzione dei difetti nel materiale, in
particolare dislocazioni (a bassa temperatura) e precipitati (ad alta temperatura). Se lo
scorrimento viscoso avviene a temperature basse o con elevate sollecitazioni, il moto delle
dislocazioni viene favorito dalla sollecitazione, mentre la temperatura non è tale da
favorire la coalescenza dei difetti. La rottura in questo caso avviene per impilaggio delle
dislocazioni, tipicamente in corrispondenza dell’intersezione di tre bordi grano, con la
formazione di microcricche a cuneo che inducono la decoesione intergranulare. Se invece
lo scorrimento viscoso avviene ad alte temperature o con sollecitazioni basse (creep
diffusivo), prevale il fenomeno della cavitazione a bordo grano, specialmente in presenza
di microprecipitati. In questo caso le condizioni sono tali da permettere la coalescenza
delle dislocazioni e la condensazione di vacanze a bordo grano, specialmente sui bordi
trasversali alla direzione dello sforzo principale, fino alla formazione di punti critici per la
rottura.
2. Il danneggiamento da scorrimento viscoso
Negli acciai ferritici, esistono vari aspetti che possono essere considerati validi per
valutare il danneggiamento da creep, ed in particolare:
L’evoluzione microstrutturale
La formazione di microvuoti a bordo grano
L’evoluzione dei carburi
La distanza interparticellare.
L’evoluzione microstrutturale è dovuta principalmente agli effetti della temperatura e non
è così strettamente connessa all’applicazione del carico [1].
È comunemente accettato come un indice di degradazione termica qualitativo
evidenziabile attraverso:
- tendenza a sferoidizzazione della perlite/bainite,
- crescita dei precipitati nella matrice ferritica e a bordo grano,
- ampliamento delle zone vuote (assenza di precipitati) lungo i bordi di grano.
La formazione di micro vuoti a bordo grano è generalmente rilevata mediante le repliche
metallografiche; questa metodologia è stata studiata e sviluppata inizialmente negli anni
’70 ed è nota ed applicata come la classificazione di Neubauer.
Il principio si basa sul fatto che l'evoluzione da creep di acciai resistenti ad alte
temperatura è legata alla comparsa di cavità e alla loro evoluzione prima della rottura.
Queste cavità successivamente si allineano e gradualmente, tramite coalescenza, formano
microcricche che portano ad avviare la rottura. Dimensione e densità della cavità aumenta
quando il creep progredisce dallo stadio secondario a quello terziario. La dimensione delle
cavità è in gran parte dipendente dal tipo di materiale, ma è dell’ordine dei micron (spesso
anche valori più bassi), quindi di solito queste sono chiamate "microvoids" o "microcavità". A causa delle loro dimensioni ridotte, i microvuoti non possono essere rilevati
dalle tecniche non distruttive convenzionali come PT, UT, MT, RT, e gli esami
metallografici sono obbligatori.
Un approccio semplificato alla classificazione di Neubauer è stata introdotta nelle Linee
Guida ISPESL “Valutazione della vita residua di componenti in regime di scorrimento
viscoso”, in cui vengono individuate 5 classi di danneggiamento (tabella 1), e si lascia
l’operatore libero di indicare, in caso di non completa corrispondenza con il livello
suddetto, il valore intermedio (es. 2-3) [2].
Anche in assenza di danneggiamento da creep occorre comunque valutare l’eventuale
evoluzione microstrutturale del materiale. Un esempio tipico relativo ad acciai al carbonio
e bassolegati è riportato in tabella 2.
1
Nessuna microcavità da scorrimento
2 -A
Microcavità singole isolate
3-B
Microcavità orientate
4-C
Microcricche
5-D
Macrocricche
Tabella 1: classificazione di Neubauer semplificata
A: Ferrite e perlite lamellare
B: Inizio di sferoidizzazione, precipitazione
di carburi a bordo grano
C: Stadio intermedio di sferoidizzazione, la
perlite ha iniziato la sferoidizzazione ma
lamelle sono ancora evidenti
D: Sferoidizzazione completa, ma i carburi
sono ancora raggruppati nei loro grani
perlitici originari
E: Carburi omogeneamente dispersi
(nessuna traccia della struttura precedente
ferritica/perlitica)
F: Carburi omogeneamente dispersi, ma
alcuni carburi sono cresciuti tramite
coalescenza
Tabella 2: Classificazione del danneggiamento microstrutturale
Una volta individuata la classe di Neubauer del campione in esame, è necessario correlare
questo parametro al danneggiamento da creep. Una prima proposta di correlazione tra la
presenza di cavità e lo stato di creep è indicata dallo stesso Neubauer: la formazione di
cavità osservabili a bordo grano avviene alla fine del creep secondario.
Sono stati successivamente pubblicati altri lavori con grafici della curva di creep
(deformazione - tempo), e posizionamento di immagini tipo rappresentative del
danneggiamento sul grafico. Un esempio di questi grafici è riportata in figura 2, in cui
sono indicate anche le azioni da intraprendere sull’impianto a seconda del risultato
osservato. Anche se gli esempi in letteratura mostrano un posizionamento delle immagini
sulla curva non sempre univoco, si può assumere che il grado 4 e 5 sia rappresentativo del
creep terziario, mentre il grado 3 può essere considerato il punto di transizione tra il
secondario ed il terziario, ed il grado 2 può essere considerato rappresentativo del creep
secondario.
Figura 2: esempio di classificazione di danneggiamento da creep sulla curva di creep
3. Le repliche
La metodica della replicazione è una tecnica di controllo in grado di realizzare un’indagine
metallografica su componenti di impianto, senza eseguire campionamenti distruttivi. Fin
dal 1940 la tecnica è stata ampiamente utilizzata e nel corso degli anni ha subito una più
uniforme codifica esecutiva [3]. La natura del materiale e le modalità di esecuzione della
replica sono dettagliate in una serie di norme UNI [4,5,6], nelle Linee Guida ISPESL [2] e
nello standard tecnico ASTM [7]. Il materiale comunemente impiegato e riconosciuto
nelle Linee Guida ISPESL è un film plastico di acetato di cellulosa; in aggiunta lo
standard tecnico ASTM prevede l’impiego di una resina polimerica, quale mezzo di
replicazione più pratico e flessibile [8,9].
Il metodo di controllo mediante replica metallografica è vantaggiosamente impiegato nella
valutazione dello stato microstrutturale di un componente a pressione impiegato in
condizioni di scorrimento viscoso, ai fini della valutazione della vita residua di esercizio.
L’osservazione della replica al microscopio ottico metallografico (LOM), consente una
valutazione morfologica e cavitazionale del materiale, così da poterne definire, unitamente
ad altre tecniche di indagine non distruttive, il grado di danno da scorrimento viscoso. A
tal fine, l’impiego dei fogli di acetato è un metodo consolidato per l’ottenimento di una
replica strutturale.
4. Verifica automatizzata delle immagini ottenute da repliche metallografiche
La parte più delicata dell’individuazione del grado di danneggiamento è la capacità
dell’operatore, una volta osservata la replica, di correlare univocamente l’immagine alla
classificazione di Neubauer. La complessità di tale fase è confermata dal fatto che la Linea
Guida ISPESL dà la possibilità all’operatore di scegliere, nei casi incerti, una
classificazione intermedia tra due successive.
La verifica automatica dello stato di danneggiamento è utile se inteso come strumento di
supporto all’operatore per la decisione della classe di danneggiamento del componente
analizzato.
Per questo lavoro si è partiti dalla digitalizzazione di immagini di repliche, e quindi con
problemi di non perfetta definizione. Per un prossimo futuro sarà fondamentale accedere o
a repliche da cui ottenere immagini digitali o direttamente alle immagini digitali, in modo
da ottenere una definizione maggiore.
Immagine
iniziale
Processamento
delle immagini
digitali
Riduzione del rumore
Miglioramento del contrasto
Estrazione delle caratteristiche
Riconoscimento dell’allineamento
END
Figura 3: procedura per l’analisi delle immagini
In tabella 3 sono elencate le immagini analizzate, la trasformazione delle immmagini dopo
il preprocessamento e l’immagine dopo l’estrazione delle caratteristiche (microcavità).
Nell’ultima colonna della tabella è indicato il grado di danneggiamento valutato
dall’operatore con l’esame visivo della replica.
Immagine iniziale
Processamento
Estrazione caratteristiche
grado
1
1-2
2
2
2-3
3
Tabella 3: analisi delle immagini fino all’estrazione delle caratteristiche
Immagine
1
2
3
4
5
6
Grado danneggiamento % area caratteristiche Num. caratteristiche
1
1.922
48
1-2
2.506
100
2
1.125
38
2
1.433
46
2-3
1.659
33
3
1.5556
44
Tabella 4: caratteristiche individuate nelle immagini analizzate
Dalla tabella 4 si può evidenziare come la sola informazione sul numero delle
caratteristiche individuate o la loro area percentuale non è sufficiente. Per questa ragione è
stato messo a punto un algoritmo per il riconoscimento dell’allineamento dei difetti a
bordo grano, che si basa sull’analisi del coefficiente di correlazione di Pearson; le fasi
dell’algoritmo sono le seguenti:
− Identificazione dei difetti limitrofi;
− Calcolo del coefficiente R2 per i gruppi di punti identificati;
− Isolamento dei gruppi di difetti con un coefficiente di correlazione al di sopra di un
valore di soglia;
− Calcolo della distanza media tra i difetti allineati.
Immagine
1
2
3
4
5
6
Grado
Correlazione
Distanza media
danneggiamento
1
1-2
2
2
2-3
3
2 gruppi
88 pixels
Tabella 5: Risultati dell'algoritmo di identificazione dei difetti allineati.
Come è possibile vedere dalla tabella 5, impostando livello di soglia per il coefficiente R2
pari a 0.75, l’algoritmo identifica solamente per l’immagine con difetti di livello 3 due
gruppi di punti correlati, aventi tra di loro una distanza media pari a 88 pixels (riportati in
figura 4). Tale risultato dipende dal valore di soglia per R2, sarà quindi necessaria una
campagna di taratura su un campione di repliche opportunamente selezionato.
Figura 4: posizione dei difetti allineati identificati
5. Conclusioni
L’obiettivo proposto in questo lavoro é la realizzazione di uno strumento che sia di
sostegno agli operatori per la valutazione del danneggiamento da scorrimento viscoso
tramite l’osservazione di repliche metallografiche. In particolare ,la verifica automatizzata
proposta parte dall’immagine digitale della replica e, tramite algoritmi di processamento,
di estrazione delle caratteristiche e di verifica di allineamento, dà come risultato il grado di
danneggiamento del materiale analizzato. Al momento questo strumento non è ancora
affinato, ma i risultati ottenuti sono confortanti e promettenti per gli sviluppi futuri.
[1] ECCC RECOMMENDATIONS - VOLUME 6 [Issue 1] Residual Life Assessment
and Microstructure – 27/07/05
[2] Linea Guida ISPESL – Valutazione della vita residua di componenti in regime di
scorrimento viscoso - 2003
[3] ASM Handbook - Volume 9 - Metallography and Microstructures
[4] UNI 6327.68 - Esame microscopico dei materiali metallici - Metodo di esame
mediante replica con vernici o con film
[5] UNI 9993.92 - Giunti saldati - Repliche in opera per l’esame microscopico
[6] UNI 7329.74 - Esame al microscopio elettronico dei materiali metallici mediante
replica - Preparazione delle repliche per l’esame microstrutturale
[7] ASTM E 1351.06 - Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas
[8] S. Jana, Non-destructive in-situ replication metallography, Journal of Materials
Technology, 49 (1995) pp. 85-114
[9] D. Zuljan, J. Grum, Non-destructive metallographic analysis of surfaces and
microstructures by means of replicas, The 8th International Conference of the Slovenian
Society for Non-Destructive Testing - Application of contemporary Non-destructive
testing in Engineering - September 1-3, 2005, Portoroz, Slovenia, pp. 359-368