Dai provini ai componenti, fatica uniassiale

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1 Ftic dei mterili Introduzione Effetto dimensioni e finitur superficile Effetto delle condizioni di esercizio Effetto trttmenti superficili Effetto degli intgli Stim di digrmmi di ftic e SN di componenti Effetto degli intgli: teori di Siebel e Stieler Coefficienti di sicurezz per ftic unissile olitecnico di Torino 1

2 Introduzione I (1/2) L resistenz ftic di un componente non dipende solo dl mterile m nche d ltri fttori olitecnico di Torino 2

3 Introduzione I (2/2) L resistenz ftic di un componente non dipende solo dl mterile m nche d ltri fttori Fttori principli che dipendono dl componente: Dimensioni resenz di intgli Finitur superficile Trttmenti superficili (meccnici, termici, diffusivi, rivestimenti) 5 Introduzione II (1/2) Fttori principli che dipendono dlle condizioni di utilizzo: Tipo di crico Tempertur di esercizio Ambiente (corrosivo) olitecnico di Torino 3

4 Introduzione II (2/2) Fttori principli che dipendono dlle condizioni di utilizzo: Tipo di crico Tempertur di esercizio Ambiente (corrosivo) Limite di ftic del componente: * D 1 D 1 * D 1 C K f * D 1 limite di ftic in condizioni stndrd i K i 7 Considerzione Thum, che per primo introdusse il K f, lo definì: un stmpell con l qule zoppicndo si può ndre dl provino l componente intglito e nlogo discorso vle nche per gli ltri coefficienti olitecnico di Torino 4

5 Effetto dimensioni Le dimensioni di un componente influiscono sul comportmento ftic solo se vi è un grdiente delle sollecitzioni (flessione e torsione) Nel cso di trzione compressione (ssenz di grdiente) il limite di ftic è indipendente dlle dimensioni, m risult: tc * D 1 C L D * D olitecnico di Torino 5

6 Effetto dimensioni e tipo di crico C S C S Flessione e torsione (C L 1) Trzione-compressione (C L 0.7) d (mm) 11 Spiegzione effetto grdiente (1/3) f,eff (zp) Zon di processo (zp) Flessione olitecnico di Torino 6

7 Spiegzione effetto grdiente (2/3) f,eff (zp) Zon di processo (zp) Flessione,eff (zp) tc Trzione compressione. 13 Spiegzione effetto grdiente (3/3) f,eff (zp) Zon di processo (zp) f,eff (zp) Flessione,eff (zp) tc Flessione Trzione compressione olitecnico di Torino 7

8 Limiti di ftic in torsione lternt Rpporti τ D-1 / D-1 sperimentli e teorici Mterile Vlori sper. Def. mx Tresc Von Mises Accii l C e d bonific * Ghise grigie * Ghise mllebili * Leghe leggere (Al) * Rme * 0.58 Ottone * Bronzo * Leg TiAl6V * * Miglior pprossimzione 15 Effetto finitur superficile C F 1.0 C F R m (M) rugosità R (mm) olitecnico di Torino 8

9 Effetto temperture bsse (1/2) Le prove vengono normlmente eseguite tempertur mbiente (RT: d C) bss tempertur I fenomeni plstici sono ostcolti, l fse di nuclezione è ostcolt e il limite di snervmento si innlz olitecnico di Torino 9

10 Effetto temperture bsse (2/2) Le prove vengono normlmente eseguite tempertur mbiente (RT: d C) bss tempertur: I fenomeni plstici sono ostcolti, l fse di nuclezione è ostcolt e il limite di snervmento si innlz Diminuiscono l resilienz e l tencità ll frttur e l eventule fse di propgzione si ccorci 19 Effetto temperture elevte (1/2) Ad lt tempertur: I fenomeni plstici sono fcilitti e il limite di ftic può nche scomprire, ument l tencità ll frttur e l eventule fse di propgzione si llung olitecnico di Torino 10

11 Effetto temperture elevte (2/2) Ad lt tempertur: I fenomeni plstici sono fcilitti e il limite di ftic può nche scomprire, ument l tencità ll frttur e l eventule fse di propgzione si llung A temperture superiori l 60 70% dell tempertur (ssolut) di fusione diventno importnti fenomeni quli lo scorrimento plstico (creep), l pproccio clssico bsto sulle tensioni non è più pplicbile 21 Effetto mbiente corrosivo I Un mbiente corrosivo riduce drsticmente l durt di un componente L tempertur gioc un ruolo notevole per l influenz sull velocità delle rezioni elettrochimiche I mterili più ltoresistenti sono più sensibili ll corrosione, mentre i mterili più duttili ne risentono in misur minore olitecnico di Torino 11

12 Effetto mbiente corrosivo II Gli ccii con lto contenuto di cromo risentono in misur minore dell mbiente corrosivo Si dottno trttmenti di cromtur, nicheltur, cdmitur e zinctur che possono ridurre l resistenz ftic in mbiente non corrosivo, m l umentno in mbiente corrosivo olitecnico di Torino 12

13 Introduzione I (1/2) I trttmenti superficili sono importnti perché l innesco del processo di ftic vviene, di norm, sull superficie 25 Introduzione I (2/2) I trttmenti superficili sono importnti perché l innesco del processo di ftic vviene, di norm, sull superficie Le mggiori vrizioni dell resistenz ftic si verificno nei csi con grdiente di tensione. Le vrizione nel cso di sollecitzione uniforme nell sezione sono molto più limitte olitecnico di Torino 13

14 Introduzione II (1/2) I principli trttmenti si dividono in: Trttmenti meccnici (TM) Trttmenti di rivestimento (TR) Trttmenti termici (e diffusivi) (TT) 27 Introduzione II (2/2) I principli trttmenti si dividono in: Trttmenti meccnici (TM) Trttmenti di rivestimento (TR) Trttmenti termici (e diffusivi) (TT) Tutti i trttmenti che inducono uno stto di tensione residu di compressione in superficie hnno effetto benefico in termini di resistenz ftic (l tensione residu si somm lgebricmente ll sollecitzione estern)... e vicevers olitecnico di Torino 14

15 Trttmenti meccnici (1/4) Si pplic un crico locle F 29 Trttmenti meccnici (2/4) Si pplic un crico locle Il crico provoc snervmento in compressione F Snervmento in compressione olitecnico di Torino 15

16 Trttmenti meccnici (3/4) Si pplic un crico locle Il crico provoc snervmento in compressione Il mterile si espnde lterlmente F Snervmento in compressione Espnsione 31 Trttmenti meccnici (4/4) Si pplic un crico locle Il crico provoc snervmento in compressione Il mterile si espnde lterlmente Il cuore rimsto elstico impedisce l espnsione e mntiene il mterile in superficie in compressione F Snervmento in compressione Espnsione Mterile in compressione olitecnico di Torino 16

17 TM: llintur I Bombrdmento dell superficie con sferette di cciio proiettte (forz centrifug o ri compress) rocesso brevettto d Föppl (Germni) nel 1929 ed introdotto in mbito industrile d Almen (GM) negli nni 30 per umentre l resistenz ftic delle molle blestr delle utovetture rofondità dell zon interesst d res 1 mm 33 TM: llintur II Mggior efficci con ccii di medi durezz e ghise; efficci minore con ccii duri e leghe leggere L misur dell intensità si ottiene misurndo l distorsione di strisce cmpione (Almen streep) f olitecnico di Torino 17

18 TM: Rulltur freddo Stesso effetto dell pllintur rofondità dell zon interesst d res 10 mm Mggior dispendio energetico Appliczioni: F Filettture Alberi di trsmissione Rccordo perno-mschett negli lberi gomiti F 35 F TM: Rulltur e formtur cldo I trttmenti cldo sono dnnosi perché sono ccompgnti d decrburzione superficile: Diminuisce l resistenz dello strto superficile Diminuisce il volume dello strto superficile l cui contrzione viene impedit dl mterile sottostnte Si creno pericolose tensioni residue di trzione C + O 2 CO olitecnico di Torino 18

19 TM: piegtur freddo lmiere Si gener uno stto di tensione residuo di compressione d un lto, di trzione dll ltro Dopo l formtur Fibre esterne in compressione Fibre interne in trzione 37 Trttmenti di rivestimento Sono pplicti per risolvere problemi di corrosione e/o di usur e per rgioni estetiche I trttmenti di elettrodeposizione, nel cso di mterili metllici possono, se non controllti ccurtmente, cusre: Infrgilimento d idrogeno olitecnico di Torino 19

20 TR: cromtur e nicheltur Inducono uno stto di tensioni residue di trzione: diminuiscono sensibilmente l resistenz ftic L effetto è tnto mggiore qunto più: È ltoresistente il mterile Si considerno durte più lunghe Aument lo spessore del rivestimento Si può ovvire con pllintur o rulltur freddo preventiv 39 TR: cdmitur e zinctur Si utilizzno per evitre problemi di corrosione m non hnno un buon resistenz ll usur Non hnno effetti sull resistenz ftic olitecnico di Torino 20

21 TR: nodizzzione È il trttmento tipico delle leghe leggere Si cre un pellicol frgile che può romperersi sotto crichi ciclici, innescndo il processo di ftic, in zione sinergic con l corrosione Riduzione dell resistenz ftic del 20 30% 41 Trttmenti termici e diffusivi (1/3) Tensioni residue possono essere custe d Cmbimenti di fse loclizzti rocessi diffusivi Grdienti termici e differenti espnsioni/contrzioni (rffredmento differenzile) olitecnico di Torino 21

22 Trttmenti termici e diffusivi (2/3) Tensioni residue possono essere custe d Cmbimenti di fse loclizzti rocessi diffusivi Grdienti termici e differenti espnsioni/ contrzioni (rffredmento differenzile) Regol empiric: rimngono in tensione le prti che si rffreddno per ultime 43 Trttmenti termici e diffusivi (3/3) Tensioni residue possono essere custe d cmbimenti di fse loclizzti processi diffusivi grdienti termici e differenti espnsioni/ contrzioni (rffredmento differenzile) Regol empiric: rimngono in tensione le prti che si rffreddno per ultime Tensioni residue nscono quindi nei processi di sldtur, di tglio ll fimm, m nche delle lvorzioni (d es. rettific) olitecnico di Torino 22

23 TT: tempr L tempr dei mterili ferrosi (riscldmento ll tempertur di ustenizzzione - vedi dig. FeC - e rpido rffreddmento) provoc un trsformzione mrtensitic, con un espnsione linere di circ il 0.5% Se l tempr è superficile il mterile non temprto impedisce l espnsione, generndo uno strto di tensione residu di compressione rticolrmente efficce l tempr d induzione 45 TT: cementzione e nitrurzione Sono processi diffusivi ottenuti riscldndo il mterile in mbienti sturi di crbonio o zoto, con effetto benefico sull resistenz ftic Generno un indurimento superficile del mterile Fnno umentre di volume lo strto interessto dl processo che, fine trttmento, si trov in uno stto di tensione residu di compressione Lo strto interessto è dell ordine di 1 mm olitecnico di Torino 23

24 Considerzioni I (1/2) Qundo si pplicno dei trttmenti superficili spesso l nuclezione delle cricche vviene non sull superficie m ll interfcci fr l zon che h subito vrizioni e quell inltert 47 Considerzioni I (2/2) Qundo si pplicno dei trttmenti superficili spesso l nuclezione delle cricche vviene non sull superficie m ll interfcci fr l zon che h subito vrizioni e quell inltert Se vi sono tensioni residue di compressione sull superficie ll interno vi srnno tensioni residue di trzione e inoltre vi possono essere discontinuità del mterile olitecnico di Torino 24

25 Considerzioni II (1/3) Temperture di esercizio elevte possono provocre il rilssmento delle tensioni residue 49 Considerzioni II (2/3) Temperture di esercizio elevte possono provocre il rilssmento delle tensioni residue er eliminre le tensioni residue si utilizz il processo di distensione: riscldmento temperture elevte (m inferiori ll tempertur di trsformzione perlite-stenite) e lento rffreddmento olitecnico di Torino 25

26 Considerzioni II (3/3) Temperture di esercizio elevte possono provocre il rilssmento delle tensioni residue er eliminre le tensioni residue si utilizz il processo di distensione: riscldmento temperture elevte (m inferiori ll tempertur di trsformzione perlite-stenite) e lento rffreddmento Le tensioni residue vengono lterte se: res + estern > p 51 Esempio (1/5) p 320 ε p -320 res olitecnico di Torino 26

27 Esempio (2/5) p ε p -320 res Esempio (3/5) p 320 res p ε res olitecnico di Torino 27

28 Esempio (4/5) p ε p -320 res Esempio (5/5) p 320 res p ε res olitecnico di Torino 28

29 Fttore di riduzione dell vit ftic (1/3) D 1 provino liscio 1 < < K D 1 provino con intglio t olitecnico di Torino 29

30 Fttore di riduzione dell vit ftic (2/3) D 1 provino liscio 1 < < K D 1 provino con intglio t K f Nprovino liscio UNI 3964 Nprovino intglito 59 Fttore di riduzione dell vit ftic (3/3) D 1 provino liscio 1 < < K D 1 provino con intglio t K f Nprovino liscio UNI 3964 Nprovino intglito rispetto ll condizione stndrd K f D 1provino D 1provino liscio intglito olitecnico di Torino 30

31 D cos dipende K f? I Grvosità dell intglio (K t ) K t Kf K f K t K t bsso K t lto 61 D cos dipende K f? II Dimensioni dell intglio (effetto scl) K t K t Kf K f Intglio grnde Intglio piccolo olitecnico di Torino 31

32 D cos dipende K f? III Microstruttur ( resistenz sttic) K t K t Kf K f R m bss R m lt 63 Sensibilità ll intglio -q- (1/2) K f 1 + q (K t 1) olitecnico di Torino 32

33 Sensibilità ll intglio -q- (2/2) K f 1 + q (K t 1) q r rggio di fondo intglio Accii temprti Accii rinvenuti o normlizzti Leghe di lluminio (vlori pprossimti) Non verificto con intgli profondi r (mm) 65 Stim dell sensibilità ll intglio Teori NKS 1 q 1 + A r A (mm 1/2 ) R eh, (M) olitecnico di Torino 33

34 Stim digrmm di High (1/5) Metodo delle tensioni medie nominli R- R p,0.2 R0 * 1 D rovino R m m olitecnico di Torino 34

35 Stim digrmm di High (2/5) Metodo delle tensioni medie nominli R- R p,0.2 R0 D 1 * D 1 C K f i D-1 * 1 D rovino Componente R m m 69 Stim digrmm di High (3/5) Metodo delle tensioni medie nominli R- R p,0.2 R0 D 1 * D 1 C K f i D-1 * 1 D rovino Componente R m m olitecnico di Torino 35

36 Stim digrmm di High (4/5) Metodo delle tensioni medie nominli R- R p,0.2 R0 D 1 * D 1 C K f i D-1 * 1 D rovino Componente R m m K f indipendente d m 71 Stim digrmm di High (5/5) Metodo delle tensioni medie nominli : ( m, nom nom ) R- R p,0.2 R0 D 1 * D 1 C K f i D-1 * 1 D rovino Componente R m m K f indipendente d m olitecnico di Torino 36

37 Stim digrmm SN (1/2) (R m - m ) 800 m D provett D componente N 73 Stim digrmm SN (2/2) (R m - m ) 800 m D provett D componente N olitecnico di Torino 37

38 Stim digrmm di High per N (1/2) m 0 R0 D-1 N N R m m 75 Stim digrmm di High per N (2/2) m N R0 D-1 N N N R m m olitecnico di Torino 38

39 Grdiente reltivo (1/4) y tc olitecnico di Torino 39

40 Grdiente reltivo (2/4) y tc f 79 Grdiente reltivo (3/4) y tc f mx olitecnico di Torino 40

41 Grdiente reltivo (1/4) y tc f mx χ 1 mx d dy 81 Coefficiente d intglio β (1/5) y p mx,eff olitecnico di Torino 41

42 Coefficiente d intglio β (2/5) y p mx,eff mx Aχ b mx δ,eff 83 Coefficiente d intglio β (3/5) y p mx,eff,eff,eff mx mx δ Aχ b K t δ mx δ β olitecnico di Torino 42

43 Coefficiente d intglio β (4/5) y p mx,eff,eff,eff mx mx δ Aχ b K t δ mx δ β β d pplicre Si ll componente lternt Si ll componente medi 85 Coefficiente d intglio β (5/5) y p mx,eff,eff,eff mx mx δ Aχ b K t δ mx δ β β d pplicre Si ll componente lternt Si ll componente medi con m 0...,eff mx δ K t δ β < tc D olitecnico di Torino 43

44 Digrmm di High (1/2) R- R p,0.2 R0 A : ( ) 0,C F tc D 1 A * 1 D rovino Componente R m m 87 Digrmm di High (2/2) : ( β β ) m, R- R p,0.2 R0 A : ( ) 0,C F tc D 1 A * 1 D rovino Componente R m m olitecnico di Torino 44

45 Stim di δ δ Accii l C o bsso legti χ >0 χ 10 R eh, (M) χ (mm 1 ) 89 Vlori di χ flessione (1/2) r 2 2 χ + d r M f D d M f M f D d M f r t olitecnico di Torino 45

46 Vlori di χ flessione (2/2) r 2 2 χ + d r M f D d M f M f D d M f 4 2 χ + D+ d r M f D d r M f M f r t D d M f r t 91 Vlori di χ trzione-compressione (1/2) 2 χ r r D d D d r t olitecnico di Torino 46

47 Vlori di χ trzione-compressione (2/2) 2 χ r 2 χ r r D d D d r t r D d D d r t 93 Vlori di χ torsione r M t D d M t 4 1 χ + D+ d r M t D d r M t olitecnico di Torino 47

48 Generlità (1/4) Il coefficiente di sicurezz (CS) è definito in generle come rpporto fr l sollecitzione mmissibile (o limite) e l sollecitzione pplict olitecnico di Torino 48

49 Generlità (2/4) Il coefficiente di sicurezz (CS) è definito in generle come rpporto fr l sollecitzione mmissibile (o limite) e l sollecitzione pplict Nel cso dell ftic (N ) l sollecitzione limite dipende d come i due prmetri che individuno il ciclo vrino l vrire delle prestzioni richieste 97 Generlità (3/4) Il coefficiente di sicurezz (CS) è definito in generle come rpporto fr l sollecitzione mmissibile (o limite) e l sollecitzione pplict Nel cso dell ftic (N ) l sollecitzione limite dipende d come i due prmetri che individuno il ciclo vrino l vrire delle prestzioni richieste Il vlore limite viene ricvto d un digrmm di ftic in cui viene trccit un curv di funzionmento olitecnico di Torino 49

50 Generlità (4/4) Il coefficiente di sicurezz (CS) è definito in generle come rpporto fr l sollecitzione mmissibile (o limite) e l sollecitzione pplict Nel cso dell ftic (N ) l sollecitzione limite dipende d come i due prmetri che individuno il ciclo vrino l vrire delle prestzioni richieste Il vlore limite viene ricvto d un digrmm di ftic in cui viene trccit un curv di funzionmento A cus delle notevoli incertezze in ftic il CS minimo mmissibile in generle è 3! 99 rticolrità del clcolo degli lberi (1/3) Gli lberi sono orgni di mcchin soggetti momento torcente (solitmente costnte), flessione rotnte ed eventule tensione normle olitecnico di Torino 50

51 rticolrità del clcolo degli lberi (2/3) Gli lberi sono orgni di mcchin soggetti momento torcente (solitmente costnte), flessione rotnte ed eventule tensione normle Lo stto di sollecitzione nel punto di progetto è quindi di tipo multissile (vi sono lmeno due tensioni principli non nulle istnte per istnte) 101 rticolrità del clcolo degli lberi (3/3) Gli lberi sono orgni di mcchin soggetti momento torcente (solitmente costnte), flessione rotnte ed eventule tensione normle Lo stto di sollecitzione nel punto di progetto è quindi di tipo multissile (vi sono lmeno due tensioni principli non nulle istnte per istnte) L esperienz h però dimostrto che l ppliczione di un momento torcente costnte non comport vrizioni dell resistenz ftic: questo cso si trtt quindi come un cso di ftic unissile olitecnico di Torino 51

52 m costnte, proporzionle (1/2) D 1 lim D Curv di funzionmento m m 103 m costnte, proporzionle (2/2) D 1 lim D Curv di funzionmento m m CS lim D olitecnico di Torino 52

53 m e proporzionli (1/2) D 1 lim D NB: Rcostnte m lim m m 105 m e proporzionli (2/2) D 1 lim D NB: Rcostnte m lim m m CS lim D lim m m lim mx mx lim min min olitecnico di Torino 53

54 proporzionle, m mc + mp (1/2) D 1 lim D mp m mc 107 proporzionle, m mc + mp (2/2) D 1 lim D mp mc CS lim D m olitecnico di Torino 54

55 costnte, m proporzionle D 1 m lim m m CS lim m m 109 min costnte, mx proporzionle I mx lim mx m mx min min CS lim mx mx olitecnico di Torino 55

56 min costnte, mx proporzionle II D 1 lim D mx min m + mx 2 2 min 45 m lim m m lim mx lim m + lim D CS lim mx mx 111 Limitzione D 1 lim D m lim m m se lim mx lim m + lim D > R p0.2 CS R p0. 2 mx olitecnico di Torino 56

57 CS per vit limitt I (1/2) No m CS N N N L o N o N L N 113 CS per vit limitt I (2/2) No m N CS N N L o N o N L CS No N olitecnico di Torino 57

58 CS per vit limitt II (1/4) CS N N N L o CS No 115 CS per vit limitt II (2/4) CS N N N L o CS No.. se il digrmm è log-log... N L k N o k No olitecnico di Torino 58

59 CS per vit limitt II (3/4) CS N N N L o CS No.. se il digrmm è log-log... N L N N L o k N o No k k No 117 CS per vit limitt II (4/4) CS N N N L o CS No.. se il digrmm è log-log... N L N N L o k N o No k k No CS N CS k olitecnico di Torino 59

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