Come vedere le microfratture dei ponti (prima che diventino crepe). / How to see the microfractures of bridges (before they become cracks)

Come vedere le microfratture dei ponti (prima che diventino crepe). Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione / How to see the microfractures of bridges (before they become cracks). The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this application

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa /  Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Fra le cause delle crepe nei materiali metallici l’infiltrazione di idrogeno e acqua. Un team del Texas fornisce la prima immagine dell’evoluzione di microfratture in vere e proprie crepe.

Vedere incrinature microscopiche prima che diventino importanti crepe in grado di causare danni irreparabili: è quanto ha ottenuto un team di ricerca, guidato dalla Texas A&M University, che mostra come attraverso tecniche avanzate di imaging sia possibile rilevare e studiare microfratture in materiali rocciosi e duri, come aerei e ponti ed altre costruzioni. I ricercatori hanno fornito la prima immagine in 3D dell’inizio di una frattura microscopica, la quale si propaga all’interno di un metallo danneggiato dalla presenza di idrogeno. I risultati sono pubblicati su Nature Communications. Dallo studio di come la frattura inizia a formarsi è possibile prevenire crepe di dimensioni maggiori, evitando danni potenzialmente molto più ampi – un ambito di ricerca quanto più attuale, anche alla luce del crollo del ponte Morandi di Genova.

I ricercatori, guidati da Michael Demkowicz, hanno utilizzato tecniche di luce di sincrotrone presso il Laboratorio nazionale delle Argonne.

L’obiettivo della ricerca consisteva nel capire in che modo un metallo come il nichel possa essere attaccato e danneggiato dall’idrogeno, soprattutto se insieme ad acqua, rompendosi. “L’idrogeno si infiltra nel metallo e causa la sua rottura, in un processo inaspettato, chiamato infragilimento da idrogeno”, spiega l’ingegnere John P. Hanson, primo autore del paper.

Un esempio importante di un ponte danneggiato da questo fenomeno, ricordano gli autori, è quello del Bay Bridge a San Francisco, costruito nel 2013, la cui apertura è stata ritardata perché 32 dei 96 grandi bulloni di sostegno erano risultati rovinati a causa dell’infragilimento da idrogeno: un rilievo, questo, che permise di evitare la catastrofe.

Queste misure, dunque, potrebbero essere utili per una migliore manutenzione di tanti materiali, incluse costruzioni, ponti, impedendo danni anche molto gravi, ma anche, su scala più piccola impianti dentali, prevenendo la frattura del dente. Ma rilevare i danni da idrogeno non è poi così semplice, sottolineano gli autori. “Non abbiamo una comprensione completa dei meccanismi che sono alla base del fenomeno”, aggiunge Hanson. Così fino ad oggi le crepe vengono esaminate a danno avvenuto e per evitarle gli ingegneri utilizzano materiali aggiuntivi come sostegno contro ogni eventuale cedimento e questo comporta costi elevati.

Ma con la tecnologia impiegata dai ricercatori il problema della fragilità da idrogeno potrebbe trovare nuove soluzioni. Utilizzando luce di sincrotrone, tecniche di microscopia e la tomografia ad assorbimento di raggi X, il gruppo ha analizzato la frattura in una lega metallica di nichel, studiandone la propagazione e analizzandola attraverso software avanzati.

Il metallo è composto da grani microscopici, piccole celle metalliche, che ne costituiscono l’architettura. Il gruppo ha osservato che all’interno del metallo, le piccole fratture causate dall’idrogeno viaggiano diffondendosi lungo i contorni di questi grani: da questa osservazione i ricercatori hanno anche individuato alcuni grani che per le loro caratteristiche sono risultati (per posizione) più resistenti degli altri. “Siamo riusciti non soltanto a mostrare quali grani sono più forti degli altri”, spiega Hanson, “ma anche esattamente quali proprietà migliorano la loro performance”. E questo metodo potrebbe essere applicato allo studio di ponti, degli aerei, batterie e reattori nucleari.

I risultati sono molto complessi e ancora c’è tanto da fare, anche a causa della mole di dati da analizzare con un supercomputer, secondo Robert M. Suter della Carnegie Mellon University, esperto di queste analisi. La microstruttra di queste fratture, sottolinea Demkowicz, è molto più complicata di quella del dna, che Watson e Crick hanno determinato con un processo simile, ma svolto a mano.

ENGLISH

Among the causes of cracks in metallic materials is the infiltration of hydrogen and water. A Texas team provides the first image of the evolution of microfractures in real cracks.

See microscopic cracks before they become important cracks that can cause irreparable damage: this is what a research team, led by Texas A & M University, has been able to show how, through advanced imaging techniques, it is possible to detect and study micro-fractures in rocky and hard materials. like planes and bridges and other constructions. The researchers provided the first 3D image of the beginning of a microscopic fracture, which propagates inside a metal damaged by the presence of hydrogen. The results are published in Nature Communications. From the study of how the fracture begins to form, it is possible to prevent larger cracks, avoiding potentially much wider damages - a research field that is more current, also in light of the collapse of the Morandi bridge in Genoa.

The researchers, led by Michael Demkowicz, used synchrotron light techniques at the Argonne National Laboratory.

The aim of the research was to understand how a metal such as nickel can be attacked and damaged by hydrogen, especially if it is broken with water. "Hydrogen infiltrates the metal and causes it to break, in an unexpected process, called hydrogen embrittlement," explains engineer John P. Hanson, the first author of the paper.

An important example of a bridge damaged by this phenomenon, the authors recall, is that of the Bay Bridge in San Francisco, built in 2013, whose opening was delayed because 32 of the 96 large support bolts had been ruined due to the embrittlement from hydrogen: a relief, this, that allowed to avoid the catastrophe.

These measures, therefore, could be useful for a better maintenance of many materials, including constructions, bridges, preventing even very serious damage, but also, on a smaller scale dental implants, preventing tooth fracture. But detecting the damage from hydrogen is not that simple, the authors point out. "We do not have a complete understanding of the mechanisms underlying the phenomenon," adds Hanson. So until today the cracks are examined to damage occurred and to avoid them the engineers use additional materials as a support against any failure and this entails high costs.

But with the technology used by researchers, the problem of hydrogen fragility could find new solutions. Using synchrotron light, microscopy techniques and X-ray absorption tomography, the group analyzed the fracture in a nickel metal alloy, studying its propagation and analyzing it through advanced software.

The metal is composed of microscopic grains, small metal cells, which constitute its architecture. The group noted that inside the metal, the small fractures caused by hydrogen travel spreading along the edges of these grains: from this observation the researchers also identified some grains that for their characteristics were more resistant (for position) of others. "We managed not only to show which grains are stronger than others," explains Hanson, "but also exactly which properties improve their performance". And this method could be applied to the study of bridges, aircraft, batteries and nuclear reactors.

The results are very complex and there is still a lot to do, also because of the amount of data to be analyzed with a supercomputer, according to Robert M. Suter of Carnegie Mellon University, expert in these analyzes. The microstructure of these fractures, emphasizes Demkowicz, is much more complicated than that of DNA, which Watson and Crick have determined with a similar process, but done by hand.

Da:

https://www.wired.it/scienza/lab/2018/08/27/microfratture-ponti-crepe/