Comportamento meccanico dei materiali

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1 Comportamento meccanico dei materiali Fatica dei materiali Propagazione delle cricche Dati di fatica di base Dai provini ai componenti, fatica uniassiale Fatica con sollecitazioni ad ampiezza variabile Fatica multiassiale cenni Politecnico di Torino 1

2 Fatica dei materiali Definizione di fatica e parametri dei cicli Aspetti micro e macroscopici della fatica Politecnico di Torino 2

3 Il fenomeno fatica L applicazione di carichi non costanti nel tempo, in particolare con andamento temporale ciclico, comporta la possibile rottura dei componenti anche quando la sollecitazione massima è inferiore al carico unitario di snervamento del materiale Questo fenomeno viene indicato con il nome fatica Politecnico di Torino 3

4 Caratteristiche del fenomeno (1/3) Il fenomeno della fatica è: Permanente (non reversibile) 7 Caratteristiche del fenomeno (2/3) Il fenomeno della fatica è: Permanente (non reversibile) Progressivo (ogni applicazione di carico induce un danno) Politecnico di Torino 4

5 Caratteristiche del fenomeno (3/3) Il fenomeno della fatica è: Permanente (non reversibile) Progressivo (ogni applicazione di carico induce un danno) Localizzato (non è un degrado delle caratteristiche del materiale, p.e. invecchiamento delle gomme, ma riguarda soltanto una zona limitata del componente) 9 Approcci al problema (1/4) Approccio microscopico: analizza i motivi del fenomeno e studia i cambiamenti metallurgici e strutturali del materiale Politecnico di Torino 5

6 Approcci al problema (2/4) Approccio microscopico: analizza i motivi del fenomeno e studia i cambiamenti metallurgici e strutturali del materiale Approccio fenomenologico o empirico: cerca di fornire strumenti al progettista per: Evitare le rotture di fatica 11 Approcci al problema (3/4) Approccio microscopico: analizza i motivi del fenomeno e studia i cambiamenti metallurgici e strutturali del materiale Approccio fenomenologico o empirico: cerca di fornire strumenti al progettista per: Evitare le rotture di fatica Valutare la durata che può essere raggiunta dal componente prima che si verifichino pericolosi cedimenti Politecnico di Torino 6

7 Approcci al problema (4/4) Approccio microscopico: analizza i motivi del fenomeno e studia i cambiamenti metallurgici e strutturali del materiale Approccio fenomenologico o empirico: cerca di fornire strumenti al progettista per: Evitare le rotture di fatica Valutare la durata che può essere raggiunta dal componente prima che si verifichino pericolosi cedimenti La resistenza a fatica non dipende solo dal materiale 13 Parametri dei cicli I Per individuare un ciclo sono necessari almeno due parametri indipendenti relativi alla tensione o alla deformazione (UNI 3964) min Tensione m max a a =2 a Tempo Politecnico di Torino 7

8 Parametri dei cicli II (1/2) N max min Numero di cicli Tensione massima Tensione minima 15 Parametri dei cicli II (2/2) N max min m a = = max max min min Numero di cicli Tensione massima Tensione minima Tensione media Tensione alternata Politecnico di Torino 8

9 Parametri dei cicli III (1/3) = max min = 2 a Campo di tensione R = min max Rapporto di tensione 17 Parametri dei cicli III (2/3) = max min = 2 a Campo di tensione R = R a = min max a m Rapporto di tensione Rapporto di ampiezza Politecnico di Torino 9

10 Parametri dei cicli III (3/3) = max min = 2 a Campo di tensione R = R a = min max a m Rapporto di tensione Rapporto di ampiezza Si può dimostrare che: R a 1 = 1 + R R 1 R = 1 + R R a a 19 Parametri dei cicli IV (1/4) La frequenza, per i materiali metallici, influenza poco i risultati fino a circa 100 Hz Politecnico di Torino 10

11 Parametri dei cicli IV (2/4) La frequenza, per i materiali metallici, influenza poco i risultati fino a circa 100 Hz Coppie di parametri indipendenti normalmente utilizzate: max, min 21 Parametri dei cicli IV (3/4) La frequenza, per i materiali metallici, influenza poco i risultati fino a circa 100 Hz Coppie di parametri indipendenti normalmente utilizzate: max, min a, m Politecnico di Torino 11

12 Parametri dei cicli IV (4/4) La frequenza, per i materiali metallici, influenza poco i risultati fino a circa 100 Hz Coppie di parametri indipendenti normalmente utilizzate: max, min a, m R, 23 Tipi di ciclo (1/3) Alterno simmetrico R=-1 t Politecnico di Torino 12

13 Tipi di ciclo (2/3) Ripetuto di compressione R=- Alterno simmetrico R=-1 Ripetuto di trazione R=0 t 25 Tipi di ciclo (3/3) Ripetuto di compressione R=- Alterno simmetrico R=-1 Ripetuto di trazione R=0 Pulsante di trazione 1>R>0 Pulsante di compressione R>1 t Politecnico di Torino 13

14 Fasi della fatica (1/3) Il fenomeno fatica si divide in tre fasi: Nucleazione (delle cricche) Politecnico di Torino 14

15 Fasi della fatica (2/3) Il fenomeno fatica si divide in tre fasi: Nucleazione (delle cricche) Propagazione (delle cricche) 29 Fasi della fatica (3/3) Il fenomeno fatica si divide in tre fasi: Nucleazione (delle cricche) Propagazione (delle cricche) Rottura finale (dovuta al raggiungimento di una condizione critica) Politecnico di Torino 15

16 Nucleazione I Scorrimento in un metallo dovuto a carichi ciclici Superficie metallica»0.1µṃ La cricca nuclea parallelamente alla tensione tangenziale massima 31 Nucleazione II 5µm da Suresh S. - Fatigue of materials Cambridge University Press Politecnico di Torino 16

17 Propagazione propagazione della cricca La cricca propaga ortogonalmente alla tensione principale massima superficie libera 33 Propagazione e sollecitazioni Sollecitazione A B C Rottura Difetti visibili che si propagano Difetti visibili ad occhio nudo D Difetti visibili con PND Scorrimenti Difetti non propaganti Difetti microscopici N Politecnico di Torino 17

18 Tipi di superficie di frattura I Piastre, con e senza intagli, soggette a carico assiale. Tensioni nominali basse alte basse alte Trazione e trazione compressione 35 Esempio superficie di frattura I Carico assiale piastra saldata Beach marks da Politecnico di Torino 18

19 Tipi di superficie di frattura II (1/2) Sezioni circolari soggette a tensioni normali Tensioni nominali basse alte Carichi assiali 37 Esempio superficie di frattura II Carichi assiali da Politecnico di Torino 19

20 Tipi di superficie di frattura III (1/2) Sezioni circolari soggette a tensioni normali Tensioni nominali basse alte Flessione piana unidirezionale 39 Tipi di superficie di frattura III (2/2) Sezioni circolari soggette a tensioni normali Tensioni nominali Tensioni nominali basse alte basse alte Flessione piana unidirezionale Flessione piana alternata Politecnico di Torino 20

21 Esempio superficie di frattura III Flessione piana nucleazione propagazione Beach marks Rottura Finale (aspetto fragile) Haibach Tipi di superficie di frattura IV Sezioni circolari soggette a tensioni normali Tensioni nominali basse alte Flessione rotante Politecnico di Torino 21

22 Esempio superficie di frattura IV Flessione rotante e torsione costante 43 Tipi di superficie di frattura V Sezioni circolari soggette a torsione Politecnico di Torino 22

23 Esempio superficie di frattura Va Torsione alternata 45 Esempio superficie di frattura Vb Torsione alternata da /fatigueteam/ da avarvani/research.html Politecnico di Torino 23