La Fatica-Corrosione di Assili Ferroviari: Analisi ... - NDT.net

LA FATICA-CORROSIONE DI ASSILI FERROVIARI: ANALISI
SPERIMENTALE E MODELLAZIONE
S. Beretta 1 , M. Carboni 2 , A. Lo Conte
Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica. Via La Masa 1, 20156 Milano, Italia
1 Tel.: 02 2399 8246 – Fax: 02 2399 8202 – Email: stefano.beretta@polimi.it (relatore)
2 Tel.: 02 2399 8253 – Fax: 02 2399 8202 – Email: michele.carboni@polimi.it (riferimento)
SOMMARIO
Negli ultimi anni, la fatica-corrosione è diventata uno dei fattori più importanti alla base
del cedimento in esercizio di assili ferroviari. A dispetto di ciò, il fenomeno non è ancora
stato studiato e capito approfonditamente e, tantomeno, è previsto dalla maggior parte
delle normative vigenti per il progetto di assili ferroviari.
Nella presente memoria vengono mostrati i risultati di una sperimentazione dedicata
condotta allo scopo di riprodurre, in laboratorio, il fenomeno della corrosione-fatica
considerando sia provini in piccola scala, sia assili in scala reale. I dati ottenuti hanno
innanzitutto permesso di sviluppare un modello semi-analitico per la previsione di vita di
assili ferroviari in servizio in condizioni di ambiente leggermente aggressivo
(caratterizzato dalla presenza di pioggia acida). In secondo luogo, la sperimentazione sta
attualmente permettendo di definire una metodologia CND per assili in esercizio basata
sulle correnti indotte i cui primi risultati sembrano incoraggianti.
Parole chiave: acciaio A1T, assili ferroviari, fatica-corrosione, correnti indotte
1. INTRODUZIONE
La fatica è uno dei fenomeni più importanti alla base del degrado strutturale e del
cedimento degli assili ferroviari durante il servizio. Considerando l’applicazione
dell’approccio “Damage Tolerant” alla progettazione di assili ferroviari, Zerbst et al. [1]
hanno elencato i punti critici di cui è necessario tenere conto. Tra questi, gli autori della
presente memoria hanno contribuito alla comprensione del comportamento a propagazione
in aria di differenti acciai per assili [2] e alla sua descrizione statistica [3], alla
determinazione del fattore di intensificazione degli sforzi di cricche posizionate nelle
tipiche transizioni geometriche [4] e all’influenza delle curve di “Probability of Detection”
(POD) del metodo non distruttivo adottato sugli intervalli manutentivi di ispezione [5].
Recenti esperienze su assili ferroviari hanno mostrato che anche la corrosione è un fattore
chiave se vanno garantiti costi e sicurezza ([6], [7]). Anche quando gli assili vengono
eserciti nei limiti dei carichi di progetto, il cedimento può avvenire per l’azione sinergica
di corrosione e fatica. Tale sinergia non è ancora ben compresa ed esiste la necessità di
derivare dati di propagazione in ambiente corrosivo, di definire opportuni criteri di
ispezione periodica e di sviluppare metodi CND per tale ispezione in esercizio,
specialmente considerando che il fenomeno non è ancora incluso in nessuna normativa di

progetto. In pubblicazioni recenti ([8], [9]), gli autori hanno chiaramente mostrato che la
presenza di un ambiente leggermente aggressivo, come acqua piovana artificiale, è in
grado di favorire significativamente la propagazione di cricche, diminuendo
drammaticamente la vita degli assili. In [9], gli autori analizzano anche la transizione da
cratere a cricca ed il meccanismo di propagazione nell’ottica di descrivere e prevedere i
dati di propagazione in fatica-corrosione mediante una versione modificata del modello di
Murtaza e Akid [10].
Nella presente memoria, vengono descritti i test di fatica-corrosione eseguiti, nell’ambito
del progetto T728 di RSSB (UK), su assili in scala reale e poi utilizzati per validare il
modello predittivo descritto in [9]. Inoltre, gli stessi test stanno attualmente permettendo di
definire una metodologia CND per assili in esercizio basata sulle correnti indotte.
2. DESCRIZIONE DEL MODELLO PREDITTIVO
Il materiale considerato è un acciaio A1T (simile ad un C45 temprato) utilizzato nella
produzione di assili ferroviari britannici. La matrice è ferritico-perlitica con grano ferritico
di dimensione 20-40 m. Le caratteristiche meccaniche sono: carico di rottura 620 MPa,
carico di snervamento 390 MPa e allungamento a rottura 14.8%.
Le misure di propagazione di cricca sono state eseguite durante i test di fatica-corrosione
su provini a clessidra in piccola scala (Fig. 1a). Gli esperimenti sono stati condotti
mediante uno schema (Fig. 1b) di flessione rotante (R=-1) su quattro punti adottando =
400 MPa, = 320 MPa e = 240 MPa e continuamente versando sul provino acqua
piovana artificiale la cui composizione chimica è stata derivata dalla letteratura [11].
Durante i test, il pH, la conducibilità elettrica e la temperatura della soluzione sono state
monitorate quotidianamente e mantenute costanti, mentre il potenziale elettrico di libera
corrosione è stato monitorato con continuità mediante un elettrodo Ag/AgCl.
(a) (b)
Figura 1 – Esperimenti su provini in piccola scala: a) disegno del provino; b) schema
dell’apparato sperimentale.
Figura 2a confronta i dati sperimentali ottenuti con le curve da/dN-K in aria derivate, a
R=0.7 e R=-1, da provini SE(B) (lunghezza 110 mm, larghezza 24 mm, spessore 12 mm e
intaglio iniziale 8 mm). E’ interessante notare che, nelle prove in ambiente corrosivo, non
è stato possibile individuare alcuna soglia di propagazione e che da una certa profondità di
cricca (a > 2 mm) la velocità di propagazione si avvicina a quella del comportamento in
aria.
Allo scopo di prevedere la fatica-corrosione di assili in A1T, il modello di Murtaza e Akid
[10] è stato modificato in modo di tenere conto della dipendenza della velocità di

propagazione dal livello di carico applicato. Tale modello è applicabile a cricche che più
lunghe della dimensione micro-strutturale del materiale e può essere scritto come segue:
da
dN
B
n
da
a B
n
a
dN
dove B, e n sono parametri empirici derivabili interpolando i dati sperimentali ottenuti a
diversi livelli di carico. E’ interessante aggiungere che il modello ha anche permesso di
descrivere il diagramma S-N in ambiente corrosivo (Fig. 2b, [9]).
(a) (b)
Figura 2 – Risultati degli esperimenti: a) confronto tra dati di propagazione in ambiente
corrosivo ed in aria; b) diagramma S-N in ambiente corrosivo e sua previsione mediante
modello di propagazione.
3. PROVE DI FATICA-CORROSIONE SU ASSILI IN SCALA REALE
Test di fatica-corrosione sono stati condotti anche su assili in scala reale. La geometria del
provino è mostrata in Figura 3a. Una regione a forma di clessidra è stata realizzata vicino
alla portata centrale per facilitare localmente l’applicazione dell’ambiente corrosivo. Nelle
prove in scala reale, lo schema di carico è assimilabile ad una flessione rotante su tre punti
(Fig. 3b).
(a) (b)
Figura 3 – Set-up delle prove di fatica-corrosione su assili: a) disegno del provino; b)
schema dell’apparato di prova.
Gli assili testi sono stati assoggettati allo stesso ambiente corrosivo e agli stessi
monitoraggi dei provini in piccola scala. In Figura 4a è riportato lo schema del telaio
utilizzato per sorreggere il sistema di irrigazione, mentre Figura 4b mostra il sistema in
(1)

funzione insieme all’elettrodo di riferimento Ag/AgCl per la misura del potenziale di
libera corrosione.
(a) (b)
Figura 4 – Applicazione dell’ambiente corrosivo agli assili: a) telaio di supporto del
sistema di irrigazione; b) sistema in funzione ed elettrodo di riferimento.
Due assili sono stati testati durante la campagna di prova. Il primo è stato sollecitato con
un carico ad ampiezza costante pari a 160 MPa nel diametro minore della clessidra; il
secondo è invece stato testato con un carico ad ampiezza variabile rappresentativo del
normale esercizio su linee britanniche. Entrambe le prove sono state condotte ad una
frequenza costante e pari a 8 Hz (corrispondente ad una velocità del treno pari a circa 90
km/h), a temperatura ambiente e in condizioni di libera corrosione.
L’evoluzione del danneggiamento da fatica-corrosione è stato monitorato mediante
repliche in acetato applicate su piccole aree posizionate ad intervalli di 45° lungo la
circonferenza minima della clessidra. In particolare, ad intervalli regolari, i test sono stati
interrotti e lo strato rugginoso (Fig. 5a mostra un esempio) rimosso in modo da accedere
alla superficie. Le repliche sono state poi osservate al microscopio ottico allo scopo di
misurare la dimensione dei crateri e la lunghezza delle cricche formatesi. In particolare, è
stata osservata, sulla superficie esposta all’ambiente corrosivo, un’elevata densità di
piccole cricche già nelle fasi iniziali dei test.
(a) (b)
Figura 5 – Prove di fatica-corrosione su assili: a) condizione superficiale all’inizio di uno
step di misura; b) applicazione delle particelle magnetiche alla fine del test ad ampiezza
variabile.
Il test ad ampiezza costante si è concluso con il cedimento a 9.4x10 6 cicli. Il controllo con
particelle magnetiche ha rivelato la presenza di due cricche dominanti (la principale lunga
circa 110 mm) caratterizzate da un andamento a zig-zag e un elevato numero di cricche

distribuite uniformemente e aventi dimensione dell’ordine del millimetro (Fig. 5b). La
morfologia del danneggiamento è risultata molto simile alle indicazioni di letteratura [6]
per assili realmente eserciti. L’applicazione del modello mostrato in Eq. (1) ha permesso
di prevedere una vita per l’assile testato ad ampiezza costante pari a 6.3x10 6 cicli, ovvero
una differenza, rispetto ai cicli del cedimento, inferiore alla deviazione standard
sperimentale osservata dai provini in piccola scala [9].
Il test ad ampiezza variabile è stato interrotto a 14.6x10 6 cicli, che corrispondono a circa il
50% della vita stimata dall’Eq. (1). In questo caso, le particelle magnetiche hanno rivelato
diversi cluster, non uniformemente distribuiti, di cricche di dimensione dell’ordine del
millimetro. In particolare, è importante aggiungere che la dimensione di cricca stimata
dall’Eq. (1) al numero di cicli di interruzione della prova è risultato essere pari a 1.4 mm a
fronte di una misura media delle cricche sperimentali di 1.5 mm.
4. ISPEZIONE DELLA FATICA-CORROSIONE CON CORRENTI INDOTTE
Le ispezioni mediante correnti indotte sono state eseguite in concomitanza con le repliche
plastiche utilizzando una centralina Nortec 1000S+ equipaggiata con una sonda assoluta
avente un intervallo di frequenze di lavoro pari a 500-1000 kHz. Nell’ottica di rendere
ripetibile il posizionamento, è stato adottato lo stesso telaio (Fig. 4a) utilizzato per il
sistema di irrigazione insieme ad un portasonda dedicato. Il telaio è stato posizionato
all’inizio della prova e mai spostato. Inoltre, questo approccio ha permesso di velocizzare
le prove perché ha reso possibile il solo scambio del sistema di irrigazione con la sonda
invece di modificare profondamente l’intero apparato nelle fasi di misura. La ripetibilità
del lift-off è invece stata garantita adottando una configurazione di ispezione a contatto,
dove il contatto è stato mantenuto dal peso proprio della sonda e del portasonda (Fig. 6).
Figura 6 – Applicazione della sonda a correnti indotte all’assile in scala reale.
Infine, la calibrazione della frequenza di lavoro è stata eseguita utilizzando un difetto
artificiale noto posizionato in un provino in A1T, scandendo tutto il campo di frequenze di
lavoro e cercando la massima sensibilità in termini della frequenza generante il maggiore
diametro della circonferenza circoscritta al diagramma polare. Tale frequenza è risultata
essere 500 kHz.
Le misure con le correnti indotte sono consistite nell’acquisizione del loro responso lungo
una rivoluzione completa (360°) dell’assile: ciò significa che le eventuali cricche sono
state ispezionate longitudinalmente (Fig. 5b). La velocità di rotazione dell’assile durante le
ispezioni è stata impostata a 1 rpm. Figura 7 mostra, come esempio del test ad ampiezza
costante, il confronto delle misure ottenute a 0 e 1.4x10 6 cicli impostando un guadagno
pari a 55 dB.

(a) (b)
Figura 7 – Esempio di misure con correnti indotte ottenute dal test ad ampiezza costante
(guadagno impostato a 55 dB): a) 0 cicli; b) 1.4x10 6 cicli.
L’analisi sistematica delle risposte delle correnti indotte in termini del diametro della
circonferenza circoscritta al diagramma polare è riportata in Figura 8 per entrambi i test.
E’ interessante notare che a 0 cicli la variazione di impedenza non è nulla: ciò può essere
attribuito alle disomogeneità micro-strutturali intrinseche del materiale. Entrambe le prove
hanno inoltre mostrato un andamento simile costituito da due regioni distinte: la prima,
che termina a circa il 10% del numero di cicli a rottura, mostra un aumento della
variazione di impedenza dovuta alla formazione dei crateri di corrosione e all’innesco
delle cricche; la seconda, invece, suggerisce una sorta di saturazione dove la variazione di
impedenza rimane costante col numero di cicli. Questo comportamento è risultato più
evidente nel caso del test ad ampiezza costante a causa di una deviazione standard
significativamente più bassa rispetto a quella del testa d ampiezza variabile che, d’altro
canto, ha però mostrato una maggiore sensibilità.
(a) (b)
Figura 8 – Andamento delle misure con correnti indotte.
5. DISCUSSIONE ED INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI
Nell’ottica di investigare la risposte delle correnti indotte alla fatica-corrosione, la regione
a clessidra dell’assile provato ad ampiezza costante è stata rimossa e diversi settori in
piccola scala sono stati ottenuti dalla sua superficie (Fig. 9). Tali settori sono stati
leggermente snervati mediante un apparato di flessione a tre punti in modo da aprire
permanentemente le cricche di fatica-corrosione. Successivamente, ad alcuni dei settori è
stata applicata una procedura di pulitura chimica basata sulla normativa ASTM G1-03. In
particolare, tali settori sono stati immersi in una soluzione di diammonio citrato per 20

minuti a 75°C. Figure 9c e 9d mostrano l’osservazione al SEM di uno dei settori
rispettivamente dopo lo snervamento e dopo la pulitura chimica.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 9 – a) Estrazione dei settori superficiali della regione a clessidra del provino testato
ad ampiezza costante; b) superficie di frattura finale dello stesso provino; c) superficie di
un settore snervato; d) superficie dello stesso settore snervato dopo pulitura chimica.
Come è possibile osservare, il danneggiamento, almeno alla fine del test, mostra
caratteristiche morfologicamente molto complesse consistenti in un cluster molto denso di
cricche coalescenti da fatica-corrosione. Per questa ragione, è stato ritenuto importante
analizzare quante cricche sono presenti contemporaneamente nell’area di ispezione della
sonda a correnti indotte mediante un esperimento dedicato. In particolare, la cricca di
fatica presente in un provino C(T) prodotto in A1T è stata longitudinalmente ispezionata
utilizzando lo stesso set-up adottato per gli assili in scala reale (Fig. 10a). Il raggio di
ispezione è stato definito come la distanza tra il centro della sonda e l’apice della cricca
nel momento in cui alcuna variazione di impedenza è stata più osservata nel diagramma
polare. Nel caso della sonda assoluta considerata, tale distanza è risultata essere apri a 2.06
mm ed la corrispondente area di ispezione è mostrata in Figura 10b sullo stesso settore già
mostrato in Figura 9. Come si può osservare, diverse cricche vengono ispezionate
contemporaneamente e si può concludere che: i) all’inizio della prova, poche cricche
piccole influenzano il responso della sonda, mentre una saturazione viene raggiunta con il
loro aumento di numero e dimensione perché il cluster diviene molto complesso; ii)
simulazioni numeriche o analitiche del fenomeno di ispezione si preannunciano molto
complicate.
Un altro settore proveniente dalla regione a clessidra è stato invece sezionato
longitudinalmente e lucidato a specchio, senza applicare snervamento e pulitura chimica,
nell’ottica di analizzare la profondità delle cricche da fatica-corrosione alla fine del test.
Figura 11 mostra questa analisi che ha permesso di quantificare la media della profondità
delle cricche da fatica-corrosione in circa 200 m. E’ anche molto importante notare che le
cricche sono riempite di ossidi: questo è certamente un altro fattore di elevata complessità
nella modellazione analitica e numerica del fenomeno.

(a) (b)
Figura 10 – Raggio di ispezione della sonda assoluta adottata: a) determinazione
sperimentale mediante provino C(T) criccato; b) confronto tra il raggio di ispezione e il
danneggiamento superficiale alla fine del test ad ampiezza costante.
(a) (b)
Figura 11 – Analisi della profondità delle cricche da fatica-corrosione: a) sezione
longitudinale di un settore dell’assile; b) dettaglio delle cricche da fatica-corrosione.
Nell’ottica di giustificare la direzione longitudinale di ispezione delle cricche, alcune
simulazioni numeriche sono state eseguite mediante il software dedicato CIVA 10.0. La
sonda assoluta è quindi stata modellata in tutti i suoi dettagli e ipotizzata lavorante alla
frequenza di 500 kHz, mentre, volendo effettuare un’analisi di confronto, una singola
cricca è stata introdotta in una lastra in A1T. Sono poi state simulate sia l’ispezione
trasversale, sia quella longitudinale (Fig. 12).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 12 – Valutazione della migliore direzione di scansione di un difetto.

Come si può osservare dai diagrammi polari, la fase delle risposte sono molto simili (-43°
per l’ispezione trasversale, -49° per quella longitudinale), mentre i moduli sono
significativamente differenti: 1.072 mV per l’ispezione trasversale e 3.77 mV per la
longitudinale così confermando la scelta delle ispezioni longitudinali.
6. CONCLUSIONI
I risultati della presente ricerca possono essere così riassunti: i) gli assili in scala reale
provati in laboratorio hanno sviluppato una morfologia di danneggiamento molto simile a
quella osservata su assili in esercizio da latri autori; ii) il modello di propagazione
sviluppato ha dato una previsione sufficientemente precisa degli assili in scala reale
provati; iii) l’applicazione delle correnti indotte ha mostrato un andamento simile per le
due prove eseguite: inizialmente l’andamento della variazione di impedenza è in crescendo
con il numero di cicli, dal 10% della vita attesa si osserva una saturazione; iv)
generalmente, cluster di cricche sono presenti nell’area di ispezione della sonda a correnti
indotte. Tali cricche sono caratterizzate da profondità in media pari a 200 m e sono
riempite di ossidi.
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