La sicurezza nazionale americana si basa in parte sui sottomarini a propulsione nucleare della Marina americana, che possono operare a più di 800 piedi sotto la superficie dell’oceano. A profondità così buie e spietate, la sopravvivenza dell’equipaggio dipende dalla capacità dello scafo in acciaio del sottomarino – e dei suoi giunti saldati – di resistere a immense pressioni dell’acqua che possono superare le 50.000 libbre per piede quadrato.

Gli scafi pressurizzati dei sottomarini nucleari della Marina statunitense sono costituiti da numerose piastre di acciaio unite mediante metodi di saldatura manuale o robotica di precisione. L’integrità a lungo termine dei giunti saldati è oggetto di esperimenti sui neutroni presso l’ORNL. Resa artistica. Credito: Phoenix Pleasant/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Lunghi fino a 200 metri, gli scafi a pressione dei sottomarini sono costituiti da numerose piastre di acciaio lunghe fino a 100 piedi, tutte unite mediante metodi di saldatura manuale o robotica di precisione. L’integrità a lungo termine dei giunti saldati, o giunzioni, dove le piastre si incontrano sono oggetto di esperimenti sui neutroni presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia.

Nonostante il meticoloso controllo di qualità durante la saldatura sui sottomarini, il problema della duttilità per immersione (DCC) non è stato completamente eliminato. La DDC può verificarsi quando i metalli saldati si raffreddano e si solidificano, causando la formazione e la propagazione di piccole crepe attorno alla saldatura, che indeboliscono il giunto nel tempo, anche con le leghe di acciaio più recenti.

I neutroni affrontano le crepe legate alla saldatura nei sottomarini nucleari statunitensi

Una lega avanzata, composta per il 70% da rame e per il 30% da nichel, è ampiamente utilizzata nelle applicazioni navali, ma il DDC in questo materiale rimane una preoccupazione fondamentale per i costruttori di sottomarini in tutto il mondo. Per affrontare il problema, la Marina, Electric Boat (il principale costruttore di sottomarini della Marina) e l’Università del Connecticut stanno collaborando per determinare le sollecitazioni interne e i meccanismi responsabili del comportamento del DDC nel rame-nichel 70/30.

Una componente chiave della loro ricerca utilizza la diffusione dei neutroni presso il diffrattometro ad alta intensità per l’analisi dello stress residuo (HIDRA) presso il reattore isotopico ad alto flusso dell’ORNL.

« Il nostro studio è il primo a considerare gli aspetti non microstrutturali del DDC, inclusi lo stress residuo o le distorsioni interne, causate dal calore del processo di saldatura », ha affermato Lesley Frame, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università del Connecticut. « Lo strumento per neutroni HIDRA è ottimizzato per la misurazione della deformazione ed è ideale per analizzare lo stress residuo in materiali ingegnerizzati come le leghe di rame-nichel. I suoi neutroni possono penetrare in profondità nei materiali sfusi, rendendoli adatti per l’ispezione di metalli spessi e saldature. »

I neutroni possono rivelare la qualità della saldatura attraverso tecniche come la diffrazione e la radiografia dei neutroni, che forniscono informazioni sulle tensioni residue e sui difetti interni. I metodi di diffrazione dei neutroni possono misurare i cambiamenti causati dallo stress nelle spaziature del reticolo molecolare dei materiali cristallizzati e la radiografia dei neutroni fornisce immagini basate sulle variazioni di densità nei materiali che attenuano o indeboliscono le energie dei neutroni mentre passano attraverso un campione.

Un altro ricercatore che lavorava presso HIDRA, Matt Caruso, è membro del Lesley Frame Research Group e studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali presso UConn. La sua ricerca si concentra sulla quantificazione degli effetti dello stress residuo che può portare alla fessurazione nei metalli saldati.