Studio sulla prova dei materiali: individuare danni nell'acciaio non magnetico con magnetismo

Gli ingegneri di Kaiserslautern, il professor Tilmann Beck (a sinistra), il dottorando Shayan Deldar (nella foto in primo piano) e il dottor Marek Smaga hanno sviluppato la procedura insieme ai colleghi di Mainz. (Foto: TUK/Koziel)

Usura, corrosione, affaticamento del materiale – questi segni di usura sono comuni alla maggior parte dei materiali. È quindi ancora più importante individuare i danni precocemente, preferibilmente già a livello micro. Per questo vengono spesso utilizzate tecniche di prova magnetiche. Finora, ciò era impossibile con l’acciaio non magnetico. Ricercatori di Kaiserslautern e Mainz hanno ora sviluppato una tecnica in cui applicano uno strato magnetico sottile sull’acciaio. In questo modo, le variazioni nella microstruttura possono essere rilevate attraverso cambiamenti negli effetti magnetici. Anche materiali come l’alluminio possono essere controllati in questo modo. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista specializzata "Journal of Magnetism and Magnetic Materials".

L’acciaio è tra i materiali più utilizzati. Si trova in molte varianti, come acciaio inossidabile, acciaio ad alta resistenza o acciaio da costruzione a basso costo. Gli acciai possono essere magnetici o non magnetici. Sono impiegati in posate, componenti di veicoli o in travi di acciaio di edifici e ponti. Talvolta, l’acciaio è sottoposto a elevate temperature o tensioni. “In questi casi, possono verificarsi variazioni microstrutturali, crepe o guasti dei componenti,” spiega il Dr. Marek Smaga, ricercatore presso il dipartimento di scienza dei materiali dell’Università Tecnica di Kaiserslautern (TUK), sotto la guida del Prof. Dr. Tilmann Beck. Gli esperti parlano di affaticamento del materiale in questo contesto. Tali danni sono inizialmente visibili solo a livello micro. Tuttavia, finora, le tecniche di prova magnetiche non permettevano di individuare precocemente variazioni in acciai non magnetici in questa fase.

Proprio su questo stanno lavorando ingegneri della TUK e fisici dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU), presentando nella loro ricerca una soluzione innovativa. La particolarità: sfruttano gli effetti magnetici, anche se si tratta di materiali non magnetici. “Con acciai magnetici, è possibile individuare precocemente variazioni nella struttura,” spiega il dottorando di Kaiserslautern Shayan Deldar. “Anche deformazioni minime modificano le proprietà magnetiche, e questo può essere misurato con tecnologie sensoriali speciali.”

I ricercatori hanno rivestito acciai non magnetici con diversi strati magnetici sottili, ciascuno di 20 nanometri, realizzati con Terfenol-D, una lega di terbium, ferro e disprosio, oppure con Permalloy, una lega di nichel e ferro. Per verificare se le deformazioni microscopiche dell’acciaio possono essere rilevate, hanno utilizzato un cosiddetto microscopio Kerr. “In questo procedimento si sfrutta l’effetto Kerr,” spiega Smaga, “che permette di rappresentare le microstrutture magnetiche, chiamate domini, attraverso la rotazione della direzione di polarizzazione della luce.”

Gli scienziati hanno analizzato alcuni piccoli piatti di acciaio rivestiti magneticamente, esposti in precedenza a sollecitazioni meccaniche. “Abbiamo osservato che si verifica una caratteristica modifica della struttura dei domini magnetici,” spiega il Prof. Dr. Martin Jourdan dell’Istituto di Fisica dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz. “Le deformazioni microscopiche dell’acciaio non magnetico portano a un cambiamento nella direzione di magnetizzazione dello strato sottile.”

Il lavoro è stato condotto nel quadro del progetto di ricerca “Spin+X – Spin nel suo ambiente collettivo”, affiliato alla TU Kaiserslautern e alla JGU. Qui, team di ricercatori di chimica, fisica, ingegneria meccanica e tecnologia dei processi collaborano interdisciplinarmente sugli effetti magnetici da applicare. Al centro dell’attenzione c’è lo spin. In fisica, lo spin descrive il momento angolare intrinseco di una particella quantistica, come un elettrone o un protone. Esso costituisce la base di molti fenomeni magnetici.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista “Journal of Magnetism and Magnetic Materials”: “Rilevamento delle deformazioni in acciaio non magnetico tramite microscopia Kerr di strati magnetici traccianti”. M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck.