Si definiscono prove non distruttive tutti quegli esami condotto per verificare la conformità di materiali e componenti a prescrizioni specifiche, utilizzando tecniche che non ne danneggiano le caratteristiche o le prestazioni.

Le metodologie maggiormente usate comprendono:

• liquidi penetranti;
• particelle magnetiche;
• ultrasuoni;
• radiografie;
• gammagrafie e neutronografie.

In pratica vengono definite prove (o esami, o controlli) non distruttive quelle indagini la cui esecuzione consente di rilevare o valutare le difettosità o le caratteristiche strutturali o comportamentali senza arrecare alterazioni di sorta alla struttura, alla composizione, allo stato fisico ed alla configurazione geometrica dell’elemento che si sta esaminando.

Le metodologie non distruttive possono essere applicate a prodotti elementari grezzi, a semilavorati, a prodotti finiti, a parti o componenti in fase di lavorazione e a macchinari ultimati e in esercizio.

La metodologia e la tecnica di indagine scelte possono determinare un esame in superficie o nel corpo dell’oggetto.

Non bisogna dimenticare inoltre che le prove non distruttive possono essere eseguite sia quali indagini interne aziendali o di produzione, da parte del costruttore, sia quali di test di accettazione in contraddittorio tra costruttore ed acquirente, ovvero tra acquirente ed autorità pubblica di controllo, quando l’oggetto sia tenuto a rispettare particolari normative, soprattutto per la sicurezza pubblica.

L’importanza delle prove non distruttive si mette in evidenza quando esse consentono in fase progettuale una diminuzione di sezioni, in quanto meglio si può seguire l’evolversi di cedimenti un tempo imprevedibili, con vantaggio nel peso, nell’ingombro e nel costo del prodotto, pur migliorando in pratica le condizioni di sicurezza, assicurando maggiore affidabilità del macchinario e maggior vita dello stesso, nel senso di poter prevedere tempestivamente le parti da sostituire prima che le stesse producano danni irreparabili all’insieme.

Per un’intelligente scelta del tipo di prova è, comunque, indispensabile avere preventivamente idee definite sui possibili difetti che corrispondono al materiale e soprattutto al procedimento produttivo impiegati.

Le metodologie analizzate in questa relazione corrispondono alle prime tre precedentemente citate, ossia liquidi penetranti, particelle magnetiche ed ultrasuoni.

L’esame con liquidi penetranti è fondato sulla capacità di penetrazione di alcuni liquidi, in grado di inserirsi in discontinuità di corpi solidi (quali fessure, pori, cricche ecc.), purché le stesse risultino affioranti sulla superficie dei solidi.

Per realizzare l’esame con liquidi penetranti occorre, una volta bagnata e poi asciugata la superficie esterna del corpo, l’uso di un sistema di rilevazione che consenta di individuare la presenza del liquido nelle discontinuità, e quindi avere consapevolezza dell’esistenza di foro, fessura, cricca, ecc.

Si tratta, in pratica, di un sistema semplice ed economico, che richiede limitata perizia dell’operatore e si effettua in tempi brevi, il che rende l’esame con liquidi penetranti la prova non distruttiva di più largo impiego.

Oggi si impiegano due sole famiglie di liquidi per questa prova:

• liquidi penetranti colorati;
• liquidi penetranti fluorescenti.

Ne segue che la rivelazione delle discontinuità, con l’uso di particolari rivelatori (che possono essere a umido o a secco), può effettuarsi:

• per contrasto di colore;
• per fluorescenza.

Ciascuno dei suddetti liquidi può avere le seguenti caratteristiche:

• lavabile con acqua;
• post-emulsionabile;
• asportabile con solvente.

I rivelatori hanno la funzione di mettere in evidenza per la successiva osservazione i luoghi ove sono rimasti i liquidi penetranti dopo il lavaggio della superficie del pezzo; si distinguono in:

• secchi, in polvere;
• umidi acquosi;
• umidi non acquosi.

Un esame ben condotto con l’impiego dei liquidi penetranti si effettua attraverso una serie di fasi consecutive, che possono così sintetizzarsi:

• Pulizia, sgrassaggio, asciugatura e pretrattamento della superficie da esaminare. Infatti, prima dell’applicazione del liquidi penetrante la superficie deve risultare priva di sabbia, scaglie, ruggine, vernice, ecc. ed eventuali saldature debbono essere liberate di scorie ed ossidi. Lo sgrassaggio può essere effettuato con detergenti o solventi. L’asciugatura si effettua in genere con stracci puliti ed asciutti o getti d’aria calda e secca.
• Applicazione del liquido penetrante. Detta applicazione può eseguirsi:
• per immersione;
• con pennello;
• a spruzzo;
• elettrostaticamente.

• Emulsificazione. Durante questa fase si ha la solubilizzazione in acqua del liquido penetrante.
• Eliminazione del liquido eccedente. Può avvenire in due modi:
• per scolatura;
• per lavaggio del particolare mediante getto d’acqua tiepida.
• Applicazione del rivelatore. Questo, ha lo scopo di accentuare il contrasto tra liquido e superficie del pezzo, per meglio evidenziare le zone ove si presentano cavità.
• Esame dei risultati. Può eseguirsi in due diversi metodi:
• con luce bianca. Questo riguarda i liquidi colorati, osservando in ambiente luminoso il contrasto del colore del penetrante col fondo bianco del rivelatore;
• con luce nera. Si effettua per i liquidi fluorescenti, in camera oscura, utilizzando una lampada che emette raggi ultravioletti.

La magnetoscopia è un sistema di indagine che si realizza magnetizzando il pezzo da esaminare, ed evidenziando il flusso disperso che si registra in corrispondenza delle discontinuità.

Se il pezzo è omogeneo, come in fig. 1a, si determineranno in esso delle linee di flusso magnetico parallele ed uniformi; quando invece si manifestano delle discontinuità, come in fig. 1b, il flusso si interrompe disperdendosi verso l’esterno del pezzo.

Fig. 1a – 1b

Le due tecniche di rilevazione possono così sintetizzarsi:

• captazione del flusso disperso attraverso dei pick-up; si tratta di un sistema rapido, ma condizionato dall’esigenza che i pezzi debbono avere forme geometricamente semplici;
• impiego di polvere di materiale ferromagnetico, da distribuirsi uniformemente sulla superficie del corpo da esaminare; le polveri, una volta magnetizzato il corpo, si concentreranno nelle zone ove si addensano le linee di flusso disperso, determinando un piccolo cumulo visibile a occhio nudo.

L’esame magnetoscopico, nel caso più corrente, si realizza con l’uso di polveri magnetiche e avviene in quattro fasi:

• preparazione dell’oggetto da esaminare. Questa avviene in modo non diverso da quella dei liquidi penetranti;
• magnetizzazione dell’oggetto. Questa fase è condizionata dalla direzione e dalla intensità del campo magnetico; in particolare, il flusso deve essere possibilmente perpendicolare alla dimensione maggiore della discontinuità da registrare, mentre l’intensità, quanto più essa è maggiore, a parità di discontinuità, maggiore risulta il flusso disperso e quindi l’attrazione sulla polvere magnetica;
• applicazione della polvere magnetica. Essa è disposta uniformemente in modo da formare un sottile strato;
• interpretazione dei risultati.

Le apparecchiature per magnetoscopia si distinguono generalmente, a seconda che siano fisse o portatili, delle quali le prime trovano impiego nel controllo di grandi serie di pezzi, mentre le seconde si utilizzano per l’osservazione di oggetti voluminosi, specie se da verificarsi al di fuori dell’officina.

Quella da noi utilizzata nella prova corrisponde al secondo tipo sopraindicato.

La prova non distruttiva realizzata con gli ultrasuoni utilizza la differente resistenza che i materiali solidi e fluidi oppongono al passaggio di onde meccaniche elastiche, e la capacità di riflessione di queste onde da parte delle superfici di divisione tra un solido ed un fluido.

Nel caso in esame le onde elastiche utilizzate hanno una frequenza notevolmente più elevata di quelle proprie delle onde acustiche.

Gli ultrasuoni sono, quindi, onde elastiche di tipo meccanico che si trasmettono nei corpi solidi, producendo nelle loro molecole oscillazioni elastiche attorno all’originaria posizione di equilibrio. Detto fenomeno si propaga progressivamente dalle molecole che ricevono l’oscillazione dall’esterno a quelle attigue, da queste alle successive e così via, finché non risultano interessate tutte le molecole che costituiscono il corpo.

Le oscillazioni sono di tipo sinusoidali, e quindi caratterizzate da:

• tipo di propagazione. Le onde secondo il modo di propagazione si distinguono in:
• onde longitudinali;
• onde trasversali;
• onde superficiali di Rayleigh;
• onde di Lamb.
• Lunghezza d’onda, l misurata in mm, e per la quale vale la seguente relazione:

• Frequenza f, misurata in Hz o, più comunemente in MHz;
• Velocità di propagazione v, misurata in mm/s e variabile da materiale a materiale.

Gli ultrasuoni si prestano bene ad indagini su difetti sia subsuperficiali che interni a un materiale, purché tali difetti siano caratterizzati da presenza di almeno una superficie riflettente.

Infatti essi si realizzano trasmettendo un fascio d’onde da una parte del corpo verso un’altra sua parte, e registrando eventuali aliquote riflesse a causa della presenza sulle superfici delle discontinuità, sulle quali il fascio impatta.

La produzione degli ultrasuoni può essere realizzata con diversi sistemi, che differiscono sia per il modo di generazione che per frequenza ed intensità dell’ultrasuono prodotto.

Il metodo di gran lunga più usato nelle prove non distruttive è quello piezoelettrico, nel quale l’ultrasuono viene generato dalla vibrazione di cristalli di alcune sostanze, sia prodotte in natura che prodotte artificialmente per via chimica; in entrambi i casi le vibrazioni sono determinate dall’impiego di energia elettrica.

Tra le tecniche di trasmissione degli ultrasuoni le fondamentali sono:

• Tecniche basate sulla variazione dell’intensità di un fascio dopo aver attraversato il corpo in esame; questo metodo, comunemente detto di trasmissione, ha però diversi difetti che hanno finito col renderlo poco applicato, e cioè:
• Superfici di appoggio delle sonde non perfettamente piane e parallele;
• Imperfetto allineamento di trasduttore trasmittente e ricevente;
• Cattivi accoppiamenti dei trasduttori con le superfici del pezzo.
• Tecniche che si basano sulla misura dell’energia riflessa dal fascio di ultrasuoni nell’investire la superficie terminale del pezzo, ovvero quella dell’eventuale difetto; questa tecnica consente di rivelare i difetti anche quando l’oggetto da esaminare è accessibile solo da una faccia. Essa si basa sulla misura del tempo che impiega un segnale ultrasonoro per compiere il percorso dalla sonda alla parete opposta del pezzo e da questa nuovamente alla sonda. Questa tecnica è in genere più sensibile e più attendibile rispetto al caso precedente, e inoltre risente meno dell’influenza dell’accoppiamento tra sonda e oggetto.
• Tecnica basata sulla variazione degli echi (echi multipli) riflessi, applicata all’esame di oggetti sottili; questa tecnica si basa sul fatto che il fascio d’onde deve potersi riflettere più volte prima che si esaurisca la sua energia. La presenza di anomalie riduce il numero di echi, o addirittura annulla ogni energia riflessa.
• Tecnica basata sulla risonanza che si determina in un pezzo quando è attraversato da onde ultrasonore continue; questa tecnica è particolarmente usata per la misura di spessori con ultrasuoni, ed è basata sulla risonanza che si verifica in un pezzo quando è attraversato da un’onda continua di lunghezza d’onda eguale o sottomultiplo dello spessore da misurare.

L’impianto completo di uso corrente per le prove con ultrasuoni è fondamentalmente costituito da un tubo a raggi catodici, un trasmettitore (pulsatore) ed un ricevitore (amplificatore), oltre che un alimentatore elettrico (da rete o da batteria).

L’apparecchio trasmette l’impulso elettrico alla sonda mediante cavo coassiale, e dallo stesso cavo riceve gli impulsi elettrici corrispondenti alla risposta dell’oggetto agli ultrasuoni inviati.

L’amplificatore elabora elettronicamente gli impulsi ricevuti, visualizzandoli sul tubo catodico.

Le sonde (trasduttori) sono un elemento di fondamentale importanza nelle prove con ultrasuoni; una sonda, generalmente è costituita dalle seguenti parti:

• Cristallo piezoelettrico;
• Connettore;
• Reofori di collegamento del cristallo al connettore;
• Strato di smorzamento;
• Induttore per l’accoppiamento elettrico;
• Anello in materiale inerte.

Le più comuni sonde in commercio sono le seguenti:

• Sonde dritte; sono usate per controllo a contatto con onde longitudinali;
• Sonde in immersione; sono a tenuta stagna e hanno corpo metallico;
• Sonde angolate; utilizzano uno zoccolo rifrangente in plexiglass, dando onde trasversali;
• Sonde doppie; servono per difetti subsuperficiali che potrebbero non essere rilevati con sonde normali e sono costituite da due semicristalli incollati ad uno zoccolo di plexiglass.