Acciaio, come misurare lo stato tensionale: confronto tra raggi X e rumore di Barkhausen

Conoscere lo stato tensionale reale degli elementi in acciaio è fondamentale per valutare il comportamento delle strutture esistenti. A FABRE 2026 Giulio Ventura ha presentato un confronto tra due tecniche di misura: la diffrazione a raggi X, consolidata e accurata, e il rumore magnetico di Barkhausen, più rapido e semplice da utilizzare in sito. Le prove condotte in laboratorio e su strutture reali mostrano una buona correlazione tra i risultati ottenuti con i due metodi. La loro integrazione può consentire di combinare precisione, rapidità operativa e maggiore diffusione delle misure. Un approccio che apre prospettive interessanti per il monitoraggio degli elementi metallici.

Stato tensionale dell’acciaio: due tecniche complementari per misure più efficaci

La conoscenza dello stato tensionale degli elementi in acciaio rappresenta un aspetto fondamentale per la valutazione delle strutture esistenti e, più in generale, per l’analisi dell’effettivo comportamento dei materiali in esercizio. In occasione di FABRE 2026, Giulio Ventura ha presentato uno studio dedicato alla possibile integrazione tra due tecniche di misura: la diffrazione a raggi X, metodologia consolidata e caratterizzata da un’elevata qualità del dato, e la misura del rumore magnetico di Barkhausen, soluzione decisamente più rapida dal punto di vista operativo.

L’obiettivo della ricerca è comprendere quale livello di accuratezza possa essere raggiunto mettendo a confronto i risultati ottenuti attraverso i due sistemi e, soprattutto, valutare in che modo le loro differenti caratteristiche possano essere sfruttate in maniera complementare nelle attività di laboratorio e nelle indagini direttamente sulle strutture.

Diffrazione a raggi X: misurare le tensioni attraverso il reticolo cristallino

La diffrazione a raggi X consente di risalire allo stato tensionale di un materiale attraverso la misura delle deformazioni che interessano il suo reticolo cristallino. Lo stato di tensione modifica infatti le distanze tra i piani cristallografici e tale variazione può essere rilevata mediante il fenomeno della diffrazione.

Il risultato permette di determinare lo stato tensionale complessivo presente nel materiale. Il valore rilevato non comprende solamente la componente dovuta alle sollecitazioni meccaniche applicate alla struttura, ma anche le tensioni residue generate durante i processi produttivi e di lavorazione dell’acciaio.

Queste ultime possono assumere valori positivi o negativi e devono quindi essere considerate nella corretta interpretazione delle misure. Separando il contributo delle tensioni residue da quello legato ai carichi effettivamente applicati è possibile ottenere una valutazione più rappresentativa delle condizioni meccaniche dell’elemento analizzato.

Le sperimentazioni condotte nel tempo, comprese alcune delle prime prove sviluppate presso il Politecnico di Torino, hanno mostrato una buona corrispondenza tra le tensioni determinate attraverso la diffrazione e quelle imposte mediante le macchine di prova.

Le analisi effettuate su acciai ad alta resistenza e su comuni acciai per armatura hanno evidenziato precisioni particolarmente elevate per livelli tensionali contenuti, con una lieve crescita dello scostamento alle tensioni superiori.

Al netto delle tensioni residue, l’ordine di grandezza dell’errore si mantiene nell’ambito di poche decine di MPa. Un elemento determinante è rappresentato tuttavia dalla qualità della preparazione superficiale: la pulizia del campione influenza direttamente la qualità del segnale diffratto e, di conseguenza, l’affidabilità della misura.

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L’elevata qualità della misura e i limiti operativi delle prove in situ

La diffrazione a raggi X rappresenta quindi una tecnologia di riferimento per la determinazione dello stato tensionale degli acciai, ma il suo utilizzo direttamente sulle strutture comporta alcune difficoltà operative.

L’apparecchiatura deve infatti essere correttamente posizionata rispetto all’elemento da analizzare e la superficie deve essere opportunamente preparata prima dell’acquisizione. Nel caso di elementi metallici non direttamente accessibili possono essere necessari scassi di ispezione di dimensioni sufficienti per consentire il posizionamento dello strumento.

L’evoluzione delle apparecchiature punta proprio a ridurre queste limitazioni e a rendere più agevoli le misure in sito. Resta tuttavia una metodologia che, a fronte dell’elevata qualità del dato restituito, richiede tempi e attività preparatorie non trascurabili.

Da questa esigenza nasce l’interesse per una tecnica differente, potenzialmente molto più veloce nell’esecuzione di un elevato numero di misure.

Rumore magnetico di Barkhausen: lo stato di tensione modifica la risposta magnetica dell’acciaio

La seconda metodologia analizzata da Ventura sfrutta il cosiddetto rumore magnetico di Barkhausen, fenomeno legato alle variazioni discontinue della magnetizzazione nei materiali ferromagnetici.

In termini semplificati, all’interno dell’acciaio sono presenti domini magnetici il cui orientamento cambia quando viene applicato un campo magnetico esterno. La rotazione e lo spostamento dei domini non avvengono però in modo completamente uniforme, ma attraverso una serie di variazioni repentine che producono un segnale misurabile.

Lo stato tensionale del materiale influenza questo processo. Una tensione meccanica può infatti agevolare oppure ostacolare la variazione dell’orientamento magnetico e modificare conseguentemente l’intensità del rumore di Barkhausen rilevato dal sensore.

Le prove condotte su diverse tipologie di acciaio hanno evidenziato come la risposta possa cambiare a seconda del materiale considerato. In alcuni acciai il segnale aumenta con l'incremento della tensione, mentre in altri si verifica il comportamento opposto. In entrambi i casi, tuttavia, è stata osservata una buona correlazione tra il parametro misurato e lo stato tensionale applicato.

Per ogni materiale diventa pertanto essenziale definire una legge di calibrazione, costruita attraverso misure sperimentali che mettano in relazione il valore del rumore di Barkhausen con la tensione effettivamente presente nell’acciaio. La regressione ottenuta può successivamente essere utilizzata per interpretare le misure effettuate sia in laboratorio sia direttamente sulle strutture.

Dalla calibrazione con raggi X a centinaia di misure rapide sulla struttura

Il principale interesse applicativo emerge proprio dal confronto tra le due tecnologie. La diffrazione a raggi X offre un dato di elevata qualità e permette una determinazione quantitativa dello stato tensionale, ma richiede tempi più lunghi per l'installazione della strumentazione e per la preparazione della superficie.

Il sensore per il rumore di Barkhausen presenta invece dimensioni contenute e può essere utilizzato semplicemente appoggiandolo sulla superficie metallica. Una volta definita la correlazione tra il segnale magnetico e lo stato tensionale mediante una precedente calibrazione, diventa quindi possibile effettuare un numero molto elevato di letture in tempi ridotti.

È proprio in questa complementarità che risiede la potenziale sinergia tra i due metodi. La diffrazione a raggi X può essere impiegata per ottenere misure di riferimento e calibrare il comportamento magnetico dello specifico acciaio analizzato. Successivamente, il rumore di Barkhausen può consentire di estendere l'indagine a numerosi punti della struttura senza dover ripetere ogni volta una misura diffrattometrica completa.

Dal punto di vista delle indagini sulle strutture esistenti questo approccio assume una particolare rilevanza. L’impiego di una sonda compatta permette infatti di operare attraverso scassi di dimensioni inferiori e di ampliare sensibilmente la quantità di dati raccolti, favorendo una caratterizzazione più diffusa dello stato tensionale degli elementi metallici.

Le prove in sito e il confronto tra le due tecnologie

La metodologia è stata verificata anche attraverso applicazioni direttamente su strutture reali, effettuando negli stessi punti sia misure mediante diffrazione a raggi X sia rilevazioni del rumore di Barkhausen.

Tra i casi illustrati durante FABRE 2026 vi è quello di un silo caratterizzato dalla presenza di una precompressione lungo la circonferenza. Le tensioni ricavate dalle misure magnetiche, attraverso la legge di calibrazione precedentemente definita in laboratorio, sono state confrontate con quelle determinate mediante diffrazione a raggi X, dopo aver depurato queste ultime dal contributo delle tensioni residue.

Il confronto ha restituito scostamenti estremamente ridotti tra le due metodologie, mostrando la possibilità di ricavare attraverso il rumore di Barkhausen valori coerenti con quelli ottenuti mediante la tecnica diffrattometrica.

I risultati rappresentano un elemento particolarmente interessante in prospettiva applicativa. Il punto non è infatti individuare una tecnologia destinata a sostituire integralmente l’altra, quanto piuttosto costruire una procedura integrata capace di sfruttare i vantaggi di entrambe.

La diffrazione a raggi X può assumere il ruolo di tecnica di riferimento per la caratterizzazione e la calibrazione del materiale, mentre il rumore di Barkhausen può diventare uno strumento rapido per aumentare sensibilmente il numero di punti indagati.

La possibilità di combinare misure ad alta accuratezza e acquisizioni rapide e poco invasive apre quindi prospettive significative nel controllo degli elementi in acciaio delle strutture esistenti. La disponibilità di un maggior numero di informazioni sullo stato tensionale reale può infatti contribuire a migliorare la conoscenza del comportamento della struttura e a supportare con dati sperimentali sempre più diffusi le successive valutazioni ingegneristiche.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI GIULIO VENTURA.

Il testo è stato elaborato grazie alla videoregistrazione dell'intervento, con l'aiuto di strumenti di IA (ChatGpT).

IN SINTESI
-La diffrazione a raggi X consente di misurare lo stato tensionale dell’acciaio analizzando le deformazioni del reticolo cristallino, includendo sia le tensioni meccaniche sia quelle residue.
-Le prove sperimentali mostrano una buona accuratezza della tecnica diffrattometrica, con errori generalmente nell’ordine di poche decine di MPa, influenzati anche dalla qualità della preparazione superficiale.
-Il rumore magnetico di Barkhausen sfrutta le variazioni della magnetizzazione del materiale, che risultano influenzate dallo stato di tensione dell’acciaio.
-Una volta calibrato rispetto alla diffrazione a raggi X, il metodo Barkhausen permette di effettuare numerose misure in modo molto più rapido, con sensori compatti e minori esigenze operative in sito.
-Le applicazioni sperimentali su strutture reali hanno evidenziato scostamenti molto contenuti tra le due tecniche, mostrando il potenziale di un approccio integrato per il controllo dello stato tensionale degli elementi in acciaio.