Il fisico indaga sulle cause della vita

11 novembre 2022

dal Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore

La "fatica di permanenza" è un fenomeno che può verificarsi nelle leghe di titanio se tenute sotto stress, come il disco della ventola di un motore a reazione durante il decollo. Questa particolare modalità di guasto può provocare crepe microscopiche che riducono drasticamente la durata di un componente.

Non si credeva che la lega di titanio più utilizzata, Ti-6Al-4V, mostrasse fatica da permanenza prima dell'incidente del volo Air France 066 del 2017, in cui un Airbus in rotta da Parigi a Los Angeles subì un guasto al disco della ventola sulla Groenlandia che costrinse a un'emergenza approdo. L’analisi di quell’incidente e di molte preoccupazioni più recenti hanno spinto la Federal Aviation Administration e l’Agenzia europea per la sicurezza aerea a coordinare il lavoro in tutto il settore aerospaziale per determinare le cause profonde dell’affaticamento da permanenza.

Secondo gli esperti, i metalli si deformano principalmente attraverso lo scorrimento delle dislocazioni, ovvero il movimento dei difetti lineari nel reticolo cristallino sottostante. I ricercatori sostengono che la fatica da permanenza può iniziare quando lo scivolamento è limitato a bande strette invece di verificarsi in modo più omogeneo in tre dimensioni. La presenza di precipitati intermetallici Ti3Al su scala nanometrica promuove la formazione di bande, in particolare quando le condizioni di lavorazione consentono il loro ordinamento a lungo raggio.

Le cose si fanno complicate quando questo comportamento di formazione di bande si verifica in un gruppo contiguo di grani “morbidi”, chiamato “macrozona”, hanno spiegato i ricercatori. La concentrazione di deformazione risultante, dove la fascia incontra un grano orientato "duro" al di fuori della macrozona, porta ad una concentrazione di stress, dando inizio al processo di fessurazione.

A complicare ulteriormente le cose, lo scivolamento delle lussazioni si verifica in modo intermittente sotto forma di esplosioni o "valanghe", in modo simile a come piccoli eventi di scivolamento di faglia possono innescare terremoti più significativi. L'entità e la frequenza di queste valanghe di scivolamento influenzano fortemente l'inizio della fatica da sosta.

In un recente studio condotto da un team multinazionale, tra cui attuali ed ex scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), i ricercatori hanno utilizzato i raggi X di sincrotrone per tracciare eventi discreti di valanghe di scivolamento nel titanio tenuto sotto carico a temperatura ambiente.

Un team dell’Imperial College di Londra ha fornito campioni di Ti-7Al appositamente preparato, una lega che rappresenta un surrogato della fase primaria in Ti-6Al-4V. Le popolazioni dei tipi di difetti a due punti sono state modulate nei campioni: contenuto di ossigeno interstiziale e quantità di precipitati Ti3Al ordinati.

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, mostra che laddove il Ti3Al mostra un ordinamento, le valanghe di scivolamento sono più gravi in ​​termini di entità dello stress associato. Al contrario, l’aumento della quantità di ossigeno interstiziale sembra ridurre la gravità, favorendo valanghe più piccole e più frequenti.

"Questo lavoro offre una nuova visione su mesoscala degli eventi di deformazione intermittente (piccoli" scoppi "di plastica) alla base della fatica di permanenza, in particolare di come la frequenza e l'entità di tali eventi dipendano dal contenuto di ossigeno e dalla lega", hanno affermato il coautore e LLNL fisico Joel Bernier. "Questi dati possono aiutare a guidare la lavorazione per evitare microstrutture che hanno un effetto deleterio sulla resistenza alla fatica".

Bernier ha contribuito a eseguire misurazioni al microscopio di diffrazione di raggi X ad alta energia presso la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) e ha eseguito la riduzione dei dati utilizzando la libreria software HEXRD sviluppata da LLNL. Il team ha quantificato la frequenza e l'entità delle esplosioni di stress risultanti dalle valanghe di scivolamento e ha scoperto che entrambi i tipi di difetti puntuali avevano effetti pronunciati sullo scivolamento che si verificava sui piani basali del reticolo cristallino.

I ricercatori hanno scoperto che questo meccanismo di deformazione diventa più facile da attivare dopo lo cedimento iniziale, un ammorbidimento noto per essere un precursore dell'accumulo di danni e del cedimento in caso di fatica da permanenza. Tra i risultati più importanti: una maggiore concentrazione di ossigeno interstiziale ha ridotto la magnitudo media delle valanghe di scivolamento basale promuovendo eventi più frequenti di magnitudo inferiore.