La determinazione sperimentale della tenacità alla frattura di un materiale richiede

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Viviana Santini
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1 Costruzione di Macchine Prof. Nicola Bonora AA 2009/2010 Lezione 13 MFLE5

2 Determinazione della tenacità a frattura In condizioni ideali di applicazione della MFLE la propagazione instabile del difetto (frattura) in una struttura si ha quando i fattori di intensificazione delle tensioni raggiungono un valore critico tipico del materiale; Tuttavia non sempre esiste un valore critico univoco per KIc (GIc) per caratterizzare le condizioni limite in generale. In particolare si ha una dipendenza del Kc dalla geometria del provino (dallo spessore in particolare), dalla temperatura (es. esiste una temperatura di transizione da un comportamento fragile ad uno duttile) e dalla velocità itàdi carico; La determinazione sperimentale della tenacità alla frattura di un materiale richiede che vengano verificati opportuni limitidi applicabilità per garantire di essere nelle effettive condizioni di MFLE

In particolare si ha una dipendenza del Kc dalla geometria del provino (dallo spessore in particolare), dalla temperatura (es.

3 Determinazione della tenacità a frattura Caratterizzazione sperimentale: tre diversi approcci relativamente alla MFLE Determinazione del K Ic tenacità alla frattura per Stati Piani di Deformazione (Plain Strain FractureToughness); Determinazione di Kc in regimi transitori SPD SPT o di Stato Piano di Tensione SPT; Determinazione delle Curve di Resistenza R ovvero K R. NORME DI RIFERIMENTO ASTM E : 90: Standard Test Methods for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic Materials, ASTM E : Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness, ASTM E : Standard Practice for R Curve determination, 1998.

Determinazione delle Curve di Resistenza R ovvero K R.

4 Determinazione della tenacità a frattura B spessore; a= lunghezza di cricca; W= larghezza (spesso viene prescritto W=2B e a/w=0.5).

5 Determinazione della tenacità a frattura

6 Determinazione della tenacità a frattura

7 Equivalenza tra Griffith e SIF KI a 2 1 du a G Bda E KI EG EG 1 K I 2

8 La teoria di Irwin: correzione elastoplastica SIF Stress Intensity factor y yy yy Crack tip stress crack r xx xy x crack x Stresses at the crack tip (as r 0) Crack tip stress field is singular

9 Plasticità all apice di un difetto For an ideal elastic perfectly plastic material the stress yy cannot exceed yield stress of the material. Material yields when yy reaches ys say at r = r y yy 0 K I 2 r ry YS ys ys ys material yield strength = 1 K I r y 2 YS Irwin s First Estimate of plastic zone sixe 2 r y Plastic Zone x

Material yields when yy reaches ys say at r = r y yy 0 K I 2 r ry YS ys ys ys

10 Plasticità all apice di un difetto Plastic Zone First Estimate yy Following yielding, there will be a re- distribution in the crack tip stress to make up for the load carrying capacity lost due to shaded d area. yy Force balance : YS r p = yy (r)dr x r y Before Re-distribution K I r y r y I = r dr r p Re-distributed x 2 r p = 1 K I 2r y 2nd estimate of plastic zone YS r y

11 Plasticità all apice di un difetto yy r p Original field Re-distributed Redistributed stress in the elastic region x is higher than the original elastic stress r field given by y yy K I 0 2 r 2nd estimate of plastic zone The new stress intensity it factor must be higher h than the original K (a) I

elastic stress r field given by y yy K I 0 2 r 2nd estimate of plastic

12 Plasticità all apice di un difetto A traslazione del campo s cricca effettiva B cricca fisica r p distanza r

13 Plasticità all apice di un difetto Condizione di small scale yielding SSY ln( yy ) -1/2 K-dominated zone ln(r/l) Large strain

14 Plasticità all apice di un difetto Condizione i elasto-plastica l ti sviluppata ln( yy ) -1/(n+1) -1/2 K-dominated zone Large strain ln(r/l)

15 Estensione della zona plastica in funzione dello spessore

16 Estensione della zona plastica in funzione dello spessore TENSIONE PIANA Tresca Von Mises s s s 30 cricca r/a 0.4 Von Mises Tresca 0.6 s 0.8 s DEFORMAZIONE PIANA

120 0.8 s 140 0.4 0.6 s s 30 cricca 02 0.2 0.1 0.2 0.3 0.

17 Estensione della zona plastica in funzione dello spessore TENSIONE PIANA s s s 30 cricca r/a 0.4 s s s 60 DEFORMAZIONE PIANA

6 0.4 s s 30 cricca 0.2 0.4 0.6 0.8 r/a 0.

18 EFFETTO SPESSORE

19 Condizioni per la K dominanza La regola empirica dice che un comportamento in prevalenza di tipo SPD si ha quando lazona plasticaè estesa circaun decimo dello spessore. Tale regola risulta leggermente conservativa rispetto a quanto prescritto nella standard ASTM (2.5<3).

plasticaè estesa circaun decimo dello spessore.

20 Condizioni per la K dominanza Alcune classi di materiali presentano spesso insieme una elevata tenacità con una bassatensione di snervamento. Inqueste condizioni non è difficile imbattersi in valori minimi richiesti di spessore dell ordine di grandezza del metro affinché sia valido il valore di K Ic misurato. Impossibilità di garantire le condizioni di MFLE

Inqueste condizioni non è difficile imbattersi in valori minimi richiesti di spessore

21 Procedura di prova

22 Procedura di prova

23 Valori tipici

24 Effetto temperatura

25 Effetto temperatura Tenacità K Ic (MP Pa m ) T 2T T 6 T K Ic T 12 T 1000 s (MPa) Snerv vamento NDT 20 0 Temperatura ( C)

26 Effetto temperatura - 70 C - 50 C -20 C -10 C 20 C

27 EFFETTO LOAD RATE

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