Cenni di meccanica della frattura. Intagli e meccanica della frattura
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- Ottaviano Tosi
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1 ntgli e meccnic dell frttur l problem Stto di sollecitzione ll pice di un intglio Verific di componenti con difetti Determinzione del fttore di intensità delle tensioni Determinzione dell tencità ll frttur Competizione fr le modlità di cedimento 006 Politecnico di Torino 1
2 ntgli vs. difetti (1/) NTAGLO = vrizioni dell sezione resistente di un pezzo in un zon limitt, in genere legti necessità di progetto e con geometri not e volut Politecnico di Torino
3 ntgli vs. difetti (/) NTAGLO = vrizioni dell sezione resistente di un pezzo in un zon limitt, in genere legti necessità di progetto e con geometri not e volut DFETTO = discontinuità ( volte dett cricc ) non previst, con geometri e dimensioni eventulmente rilevbile (PnD), dovut inclusioni, corrosione, ftic, ecc... Normlmente il rggio di fondo intglio (ρ) tende zero 5 Pistr con difetto pssnte (1/) spessore B Politecnico di Torino 3
4 Pistr con difetto pssnte (/) rggio di fondo intglio ρ 0 spessore B t 7... ll umentre del crico ssile (1/4) P p P Politecnico di Torino 4
5 ... ll umentre del crico ssile (/4) P p A: collsso plstico P 9... ll umentre del crico ssile (3/4) P p A: collsso plstico B: rottur frgile P Politecnico di Torino 5
6 ... ll umentre del crico ssile (4/4) P p A: collsso plstico B: rottur frgile P p Mterile elstico perfettmente plstico Crico critico (1/5) A: collsso plstico p P sn Politecnico di Torino 6
7 Crico critico (/5) A: collsso plstico p P sn P P B( ) = cr sn p 13 Crico critico (3/5) A: collsso plstico B: rottur frgile P p P sn P P P B( ) = cr sn p Politecnico di Torino 7
8 Crico critico (4/5) A: collsso plstico B: rottur frgile P p P sn P P P B( ) = cr sn p P" P < P cr sn 15 Crico critico (5/5) A: collsso plstico B: rottur frgile P p P sn P P P B( ) = cr sn p P" P < P (legto tensioni di trzione) cr sn Politecnico di Torino 8
9 Cenni storici (1/4) Griffith (191) nteressto l comportmento del vetro; pproccio energetico 17 Cenni storici (/4) Griffith (191) nteressto l comportmento del vetro; pproccio energetico guerr mondile Utilizzo di ccii ltoresistenzili; strutture sldte Politecnico di Torino 9
10 Cenni storici (3/4) Griffith (191) nteressto l comportmento del vetro; pproccio energetico guerr mondile Utilizzo di ccii ltoresistenzili; strutture sldte Nvi Libert: 140 su 500 spezzte in due, ltre dnneggite in modo irreprbile 19 Cenni storici (4/4) Griffith (191) nteressto l comportmento del vetro; pproccio energetico guerr mondile Utilizzo di ccii ltoresistenzili; strutture sldte Nvi Libert: 140 su 500 spezzte in due, ltre dnneggite in modo irreprbile Aerei Comet ( ), ponti, serbtoi Politecnico di Torino 10
11 Cenni storici (1/4) 1949 Oron e rin estendono gli studi di Griffith per tener conto dell zon plstifict 1 Cenni storici (/4) 1949 Oron e rin estendono gli studi di Griffith per tener conto dell zon plstifict 1957 rin svilupp l MFLE in modo orgnico 006 Politecnico di Torino 11
12 Cenni storici (3/4) 1949 Oron e rin estendono gli studi di Griffith per tener conto dell zon plstifict 1957 rin svilupp l MFLE in modo orgnico 1964 Pris fornisce un metodo per vlutre l crescit delle dimensioni del difetto sotto l zione di crichi ciclici 3 Cenni storici (4/4) 1949 Oron e rin estendono gli studi di Griffith per tener conto dell zon plstifict 1957 rin svilupp l MFLE in modo orgnico 1964 Pris fornisce un metodo per vlutre l crescit delle dimensioni del difetto sotto l zione di crichi ciclici 1968 Rice (e ltri) introducono l Meccnic dell frttur elsto-plstic Politecnico di Torino 1
13 Definizioni mpostzione di rin (1957), bst sulle equzioni proposte d Westergrd (1939) τ r θ τ z Mterile perfettmente elstico, omogeneo ed isotropo Politecnico di Torino 13
14 Modi di pertur delle cricche (1/3) z Modo 7 Modi di pertur delle cricche (/3) z z Modo Modo Politecnico di Torino 14
15 Modi di pertur delle cricche (3/3) z z Modo Modo z Modo 9 Formule Westergrd modo (1/5) z cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + Modo Politecnico di Torino 15
16 Formule Westergrd modo (/5) Modo z cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = Formule Westergrd modo (3/5) Modo z cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + + cos θ sen θ cos 3θ o[r] πr τ = + = Politecnico di Torino 16
17 Formule Westergrd modo (4/5) Modo z cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + + cos θ sen θ cos 3θ o[r] πr τ = + = = τ = τ = 0 tensione pin zz z z 33 Formule Westergrd modo (5/5) Modo z cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + cos θ 1 sen θ sen 3θ o[r] πr = + + cos θ sen θ cos 3θ o[r] πr τ = + = = τ = τ = 0 tensione pin zz z z = ν zz ( + ) τ = τ = 0 def. pin z z Politecnico di Torino 17
18 Formule sintetiche modo def. - (1/3) Modo r θ z = ij πr f ij ( θ) 35 Formule sintetiche modo def. - (/3) Modo r θ z = ij πr f ij ( θ) = Y Politecnico di Torino 18
19 Formule sintetiche modo def. - (3/3) Modo r θ z = ij πr f ij ( θ) = Y = fttore di intensità delle tensioni 37 Formule sintetiche modi e (1/) Modo z = ij πr f ij ( θ) Politecnico di Torino 19
20 Formule sintetiche modi e (/) Modo z = ij πr f ij ( θ) Modo z = ij πr f ij ( θ) 39 mportnz del modo (1/4) α Politecnico di Torino 0
21 mportnz del modo (/4) α N =sen ( α) N 41 mportnz del modo (3/4) N α =sen N ( α) τ ( ) cos ( ) τ =sen α α Politecnico di Torino 1
22 mportnz del modo (4/4) N α =sen N ( α) τ ( ) cos ( ) τ =sen α α 43 Modo : ndmenti per θ = 0 (1/5) 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + = Politecnico di Torino
23 Modo : ndmenti per θ = 0 (/5) 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + = + 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + + = + 45 Modo : ndmenti per θ = 0 (3/5) 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + = + 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + + = + cos θ sen θ cos 3θ 0 πr τ = = Politecnico di Torino 3
24 Modo : ndmenti per θ = 0 (4/5) 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + = + 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + + = + cos θ sen θ cos 3θ 0 πr τ = = = = X Y 47 Modo : ndmenti per θ = 0 (5/5) 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + = + 3 cos θ 1 sen θ sen θ o r o r r π πr = + + = + cos θ sen θ cos 3θ 0 πr τ = = = = X Y r Politecnico di Torino 4
25 Andmenti di Y per θ = 0 (1/3) Y = + Y π r = Y o[r] r 49 Andmenti di Y per θ = 0 (/3) Y = + Y π r = Y o[r] zon r Politecnico di Torino 5
26 Andmenti di Y per θ = 0 (3/3) Y = + Y π r = Y o[r] zon r mterili reli non possono sopportre tensioni infinite Zon plstic ll pice del difetto 51 Estensione dell zon plstic (1/3) Stto si tensione pin (STP): r p 1 π = p Politecnico di Torino 6
27 Estensione dell zon plstic (/3) Stto si tensione pin (STP): r p 1 π = p Stto di deformzione pin (SDP): r p 1 3π = p 53 Estensione dell zon plstic (3/3) Stto si tensione pin (STP): r p 1 π = p Stto di deformzione pin (SDP): r p 1 3π = p Lo stto di deformzione pin è più pericoloso!!! A prità di tensione nominle in SDP c è mggiore energi disposizione per l cricc Politecnico di Torino 7
28 Form dell zon plstic (1/3) STP SDP 55 Form dell zon plstic (/3) STP SDP Politecnico di Torino 8
29 Form dell zon plstic (3/3) STP SDP L meccnic dell frttur linere elstic è pplicbile se r p piccolo rispetto d Politecnico di Torino 9
30 Qundo vviene l rottur frgile? cr (1/5) = Y = c 59 Qundo vviene l rottur frgile? cr (/5) = Y = c Y = = cr c Politecnico di Torino 30
31 Qundo vviene l rottur frgile? cr (3/5) = Y = c = Y cr = c Zon critic cr = Y c cr 61 Qundo vviene l rottur frgile? cr (4/5) = Y = c = Y cr = c Zon critic cr = Y c c cr Politecnico di Torino 31
32 Qundo vviene l rottur frgile? cr (5/5) = Y = c = Y cr = c Zon critic cr c cr = Y c cr 63 Qundo vviene l rottur frgile? cr (1/3) = Y = c = Yn cr = c Politecnico di Torino 3
33 Qundo vviene l rottur frgile? cr (/3) = Y = c Zon critic cr = Y = n Y cr c n = c n cr 65 Qundo vviene l rottur frgile? cr (3/3) n = Y = c Zon critic cr = Y = Y cr c n = c n cr cr Politecnico di Torino 33
34 Determinzione di (1/3) = Y Y = fttore di form: tbelle o clcoli FEM (el. specifici) Politecnico di Torino 34
35 Determinzione di (/3) = Y Y = fttore di form: tbelle o clcoli FEM (el. specifici) = tensione nominle clcolt senz considerre l presenz del difetto 69 Determinzione di (3/3) = Y Y = fttore di form: tbelle o clcoli FEM (el. specifici) = tensione nominle clcolt senz considerre l presenz del difetto = dimensione del difetto: esistono regole per pssre dl difetto rele quello idele c Politecnico di Torino 35
36 Unità di misur (1/4) = Y S = P = m = P m 1 71 Unità di misur (/4) = Y S = P = m = P m 1 Sistem prtico 1 = MP m = MP m Politecnico di Torino 36
37 Unità di misur (3/4) = Y S = P = m = P m 1 Sistem prtico 1 = MP m = MP m Sistem nglese = ksi in 73 Unità di misur (4/4) = Y S = P = m = P m 1 Sistem prtico 1 = MP m = MP m Sistem nglese = ksi in 1 ksi in = 1.09 MP m Politecnico di Torino 37
38 Pistr con difetto centrle pssnte (1/) se >> Y = π = π 75 Pistr con difetto centrle pssnte (/) se >> Y = π = π se finit: Y = π sec π = Y Politecnico di Torino 38
39 Pistr con difetti lterli pssnti (1/) se >> : Y = 1.1 π = 1.1 π 77 Pistr con difetti lterli pssnti (/) se >> : Y = 1.1 π = 1.1 π se finit: = Y 3 Y = 1.1 π Politecnico di Torino 39
40 Pistr con difetto lterle pssnte (1/) se >> Y = 1.1 π = 1.1 π 79 Pistr con difetto lterle pssnte (/) se >> Y = 1.1 π = 1.1 π se finit = Y Y = 1.1 π Politecnico di Torino 40
41 Difetto ellittico interno (1/4) c 81 Difetto ellittico interno (/4) = π 4 sin β+ cos β Φ c β c Politecnico di Torino 41
42 Difetto ellittico interno (3/4) = π 4 sin β+ cos β Φ c c β β= π = = m π Φ 83 Difetto ellittico interno (4/4) = π 4 sin β+ cos β Φ c c β β= π = = m π Φ Φ 3π + π 8 8 c Politecnico di Torino 4
43 Difetti ellittici superficili e d ngolo (1/3) c B m = 1.1 M k π Q 85 Difetti ellittici superficili e d ngolo (/3) c B m = 1.1 M k π Q Q 0.1 =Φ p Politecnico di Torino 43
44 Difetti ellittici superficili e d ngolo (3/3) c B m = 1.1 M k π Q Q 0.1 =Φ p c B = 1.1 M m k π Q Politecnico di Torino 44
45 Prmetri che influenzno c (1/6) c non dipende d tipo, form e dimensioni del difetto 89 Prmetri che influenzno c (/6) c non dipende d tipo, form e dimensioni del difetto c dipende d: Stto di sollecitzione (STP SDP) Politecnico di Torino 45
46 Prmetri che influenzno c (3/6) c non dipende d tipo, form e dimensioni del difetto c dipende d: Stto di sollecitzione (STP SDP) tempertur, 91 Prmetri che influenzno c (4/6) c non dipende d tipo, form e dimensioni del difetto c dipende d: Stto di sollecitzione (STP SDP) tempertur, velocità di ppliczione del crico Politecnico di Torino 46
47 Prmetri che influenzno c (5/6) c non dipende d tipo, form e dimensioni del difetto c dipende d: Stto di sollecitzione (STP SDP) tempertur, velocità di ppliczione del crico Per i difetti pssnti lo stto di sollecitzione dipende dllo spessore del componente: Sottile STP 93 Prmetri che influenzno c (6/6) c non dipende d tipo, form e dimensioni del difetto c dipende d: Stto di sollecitzione (STP SDP) tempertur, velocità di ppliczione del crico Per i difetti pssnti lo stto di sollecitzione dipende dllo spessore del componente: Sottile STP Spesso SDP Politecnico di Torino 47
48 Norme e provini (1/) ASTM E BS 5447 UN 7969 Provino CT 95 Norme e provini (/) ASTM E BS 5447 UN 7969 Provino CT 1.5 A Eventule cricc di ftic 0.5 B 45 P = B vlid per = A Sez. AA Politecnico di Torino 48
49 Tencità ll frttur c (1/6) c Spessore B 97 Tencità ll frttur c (/6) c c Spessore B c = tencità ll frttur Politecnico di Torino 49
50 Tencità ll frttur c (3/6) c se c.5 p c Spessore B c = tencità ll frttur 99 Tencità ll frttur c (4/6) c c se c.5 p c B.5 p Spessore B c = tencità ll frttur Politecnico di Torino 50
51 Tencità ll frttur c (5/6) c c Spessore B c = tencità ll frttur se c.5 p c B.5 p c 5.0 p 101 Tencità ll frttur c (6/6) c se c.5 p c Spessore B c = tencità ll frttur c B.5 p c 5.0 p llor c = c Politecnico di Torino 51
52 Effetto tempertur e velocità... (1/) c tempertur 103 Effetto tempertur e velocità... (/) c Velocità di ppliczione del crico tempertur Politecnico di Torino 5
53 Coefficiente di sicurezz (1/) Normlmente, gendo dll prte dell sicurezz, si utilizz come vlore critico l tencità ll frttur (nelle condizioni di esercizio) c = c 105 Coefficiente di sicurezz (/) Normlmente, gendo dll prte dell sicurezz, si utilizz come vlore critico l tencità ll frttur (nelle condizioni di esercizio) c = c l coefficiente di sicurezz risult: CS = c Politecnico di Torino 53
54 Vlori tipici di c (1/) p (MP) Mterile c (MP m 1/ ) Accii l C 40 > (lstr) Ac. mrging Al 7075-T Al 014-T Ti 6Al-4V (lstr) Vlori tipici di c (/) p (MP) Mterile c (MP m 1/ ) Accii l C 40 > (lstr) Ac. mrging Al 7075-T Al 014-T Ti 6Al-4V (lstr) n genere più è lto il limite di snervmento minore è l tencità frttur Politecnico di Torino 54
55 Collsso plstico o frttur frgile? (1/6) Esempio Politecnico di Torino 55
56 Collsso plstico o frttur frgile? (/6) Esempio comportmento duttile cr = P cr B 111 Collsso plstico o frttur frgile? (3/6) Esempio comportmento duttile Pcr = P = B( ) cr cr p B Politecnico di Torino 56
57 Collsso plstico o frttur frgile? (4/6) Esempio comportmento duttile Pcr = P = B( ) cr cr p B B( ) B p = = 1 cr p 113 Collsso plstico o frttur frgile? (5/6) Esempio comportmento duttile Pcr = P = B( ) cr cr p B B( ) B p = = 1 cr p comportmento frgile = Y = c Politecnico di Torino 57
58 Collsso plstico o frttur frgile? (6/6) Esempio comportmento duttile Pcr = P = B( ) cr cr p B B( ) B p = = 1 cr p comportmento frgile = Y = cr = c Y c 115 Digrmm di Fedderson (1/4) cr p cr = p 1 / Politecnico di Torino 58
59 Digrmm di Fedderson (/4) cr p cr = cr = p 1 c Y / 117 Digrmm di Fedderson (3/4) cr cr = p 1 p cr = c Y / Politecnico di Torino 59
60 Digrmm di Fedderson (4/4) cr p cr = cr = p 1 c Y Zon di sicurezz / 119 Dimensione di sicurezz (1/3) cr p = dimensione che grntisce il cedimento plstico p p / Politecnico di Torino 60
61 Dimensione di sicurezz (/3) cr p = dimensione che grntisce il cedimento plstico p = Y c p p p / 11 Dimensione di sicurezz (3/3) cr p = dimensione che grntisce il cedimento plstico p = Y c p p p c = Y p p / Politecnico di Torino 61
ovviamente uguale al caso delle due cricche laterali. Nel caso di larghezza finita W:
Vengono riportte nel seguito lcune tbelle per il clcolo dei fttori di intensità delle tensioni in modo I utili per eseguire gli esercizi di quest lezione, trtte, con il permesso dell editore, dl testo:
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