Analisi tensioni residue su superfici metalliche
Diffrazione Raggi X
La diffrazione dei Raggi X è una metodologia che consente il rilievo non distruttivo, se limitato alla superficie, delle tensioni residue ed applicate. Il rilievo delle tensioni residue è fondamentale per comprendere il comportamento di componenti meccanici sottoposti a “fatica” (vedi l’argomento pallinatura controllata nel sito per approfondire il concetto di fatica nei materiali).
La diffrazione dei Raggi X nasce nel 1912 per opera di Lawrence Bragg, vincitore, con suo padre, per questa scoperta del premio Nobel nel 1915 a soli venticinque anni! La motivazione del premio fu “per i loro servizi nell’analisi della struttura cristallina per mezzo dei Raggi X”.
Fu grazie alla Legge di Bragg che si riuscì a determinare la posizione e la distanza degli atomi nei reticoli cristallini che caratterizzano lo stato solido della maggior parte dei metalli, e delle sostanze cristalline, alla temperatura ambiente. Infatti solo mediante l’applicazione della legge di Bragg si riuscì ad interpretare l’immagine relativa all’interazione dei Raggi X monocromatici con un cristallo di solfuro di zinco ottenuta poco tempo prima dal fisico tedesco Max Laue (immagine successiva).
Foto di Max Laue relativa all’interazione dei Raggi X con cristallo di solfuro di zinco"
Negli anni successivi vennero svolte molte ricerche atte a risolvere la struttura cristallina della maggior parte dei metalli, e dei composti chimici, e si costituì una banca dati su cui si basano ancor oggi la maggior parte delle nostre conoscenza di cristallografia.
Nel 1952, ad opera di R. Franklin e R. Gosling, la diffrazione dei Raggi X permise di comprendere la struttura ad elica del DNA (immagine successiva).
Successivamente venne sviluppata la metodologia che utilizzava la diffrazione dei Raggi X al fine di determinare le variazioni tra le distanze dei piani cristallini, in altre parole divenne possibile valutare le deformazioni, e quindi le tensioni residue, od applicate, che le causano.
Nelle pagine successive vengono mostrati i principi su cui si basa la misurazione delle tensioni residue mediante la diffrazione dei Raggi X.
Diffrazione dei Raggi X del DNA"
Introduzione alla misurazione delle tensioni residue mediante diffrazione dei Raggi X
La struttura cristallina
Nei solidi cristallini gli atomi occupano posizioni nello spazio che sono ripetute con regolarità geometrica, infatti un elemento ripetitivo è sempre individuabile, consistente in un numero variabile di atomi, tale elemento prende il nome di cella elementare.
Molti materiali utilizzati nel campo della meccanica hanno strutture cristalline. Per esempio il ferro e le sue leghe hanno una struttura cristallina caratterizzata, in funzione della temperatura, da celle elementari cubiche a corpo centrato (bcc) , a facce centrate (cfc) e ancora cubiche a corpo centrato. Molte leghe metalliche, basate su vari elementi chimici, hanno una struttura che dipende dalla temperatura e dalla composizione chimica. Per esempio, il rame puro ha una cella elementare cubica a facce centrate, ma se zinco è aggiunto al rame, la lega ottenuta può avere, in funzione della percentuale di zinco presente, una cella elementare cubica a facce centrate o a corpo centrato.
Cella elementare cubica a facce centrate (cfc)
Cella elementare cubica a corpo centrato (bcc)
Sono state identificate quattordici celle elementari
Nelle celle elementari è possibile identificare una serie di piani, fra loro paralleli, che sono caratterizzati dagli indici di Miller. Questi indici sono definiti come il reciproco dell’intercetta con gli assi cristallini, la figura seguente mostra vari esempi. Se consideriamo il piano caratterizzato dagli indici (0 1 0) esso è definito come parallelo agli assi x e z, mentre interseca l’asse y ad una distanza unitaria dall’origine degli assi.
Celle elementari
Indici di Miller per la cella elementare cubica
Generazione dei Raggi X
Generalmente i Raggi X utilizzati in laboratorio vengono prodotti da tubi. In un tubo c’è un filamento che emette elettroni per effetto termoionico. Gli elettroni emessi dal filamento vengono accelerati verso un catodo da un potenziale elettrico imposto tra il filamento ed il catodo.
Tubo per Raggi X
Raggi X sono emessi durante l’interazione tra elettroni ed il catodo stesso.
I raggi X possono essere divisi in due differenti gruppi, secondo il processo con cui vengono generati:
– radiazione da frenamento (bremsstrahlung): emessi dal fascio di elettroni, con energie maggiori di 100 eV, quando vengono bruscamente frenati dall’impatto con gli atomi del catodo
– Raggi X caratteristici degli atomi:derivanti dall’eccitazione degli elettroni interni del catodo per bombardamento con il fascio di eletroni incidenti.
Radiazione di frenamento
ll primo gruppo è utilizzato in radiografia, il secono in diffrazione o flurosecenza RX. Mentre per il primo gruppo la lunghezza d’onda generata è distribuita lungo uno spettro continuo (radiazione bianca), i secondi hanno picchi d’intesità in corrispondenza di ben definite lunghezza d’onda e dipendono dagli atomi del catodo (radiazione caratteristica).
Spettro RX emesso da un tubo in funzione del potenziale
La radiazione caratteristica è generata quanto un elettrone accelerato dal potenziale urta il catodo e espelle un elettrone dall’atomo urtato
Diagamma che illustra la collisione tra l’elettrone incidente e l’elettrone espulso
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