RILASCIO ENERGETICO IN ACCIAI SOTTOPOSTI A SOLLECITAZIONE STATICA DI TRAZIONE E A SOLLECITAZIONE STATICA DI COMPRESSIONE

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1 AIAS ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI 45 CONVEGNO NAZIONALE, 7-10 SETTEMBRE 2016 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE AIAS RILASCIO ENERGETICO IN ACCIAI SOTTOPOSTI A SOLLECITAZIONE STATICA DI TRAZIONE E A SOLLECITAZIONE STATICA DI COMPRESSIONE A. Risitano a, G. Fargione a, C. Clienti a, F. Giudice a a Università degli Studi di Catania - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Sez. Meccanica, Via Santa Sofia 64, Catania, {arisitan, gfargion, cclienti, fgiudice}@dii.unict.it Sommario L analisi del rilascio termico in prove di fatica ha permesso in questi ultimi venti anni di proporre metodi veloci per la determinazione del limite di fatica e dell intera curva di Wöhler. Il calore rilasciato durante sollecitazioni di fatica ha anche permesso di proporre modelli per la valutazione del danno. Le ultime ricerche di Risitano e della sua scuola hanno messo in evidenza che il rilascio termico anche in prove statiche può dare indicazioni importanti sui cedimenti strutturali microscopici e di conseguenza sul comportamento a fatica del materiale. Scopo del presente lavoro è quello di valutare le curve di temperatura di provini di acciaio sottoposti a trazione e di provini dello stesso materiale sottoposti a compressione per verificare, anche dal punto di vista energetico, il comportamento simile nei due modi di applicazione del carico. Abstract The analysis of thermal release in fatigue testing allowed over the past twenty years to propose fast methods for determining the fatigue limit and the whole Wöhler curve. The heat released during fatigue load conditions has also allowed to propose models for damage assessment. The latest research by Risitano and his school has shown that the heat release in static tests too can give important information on microscopic structural collapse and therefore on the fatigue behaviour of the material. The aim of this study is to evaluate the temperature curves of steel specimens subjected to tensile and compression tests to verify, even in terms of energetic analysis, similar behaviour in both modes of static load application. Parole chiave: Termoelasticità, Prove statiche monoassiali, Termografia, Rilascio energetico 1. INTRODUZIONE Negli ultimi decenni vari studiosi hanno cercato di stimare il limite di fatica dei materiali ricorrendo a metodi che consentissero di comprimere i tempi di prova. Una svolta determinante in questo contesto di ricerca è stata costituita dall introduzione del ricorso ai parametri di smorzamento interno e di dissipazione energetica [1, 2]. Nei primi anni 80 Caltabiano et al. [3] iniziarono ad utilizzare la termografia per analizzare il campo di temperatura superficiale di provini sottoposti a sollecitazioni di fatica, riscontrando che per condizioni di carico al di sopra del limite di fatica, la zona della curva S-N in cui i provini sarebbero giunti a rottura coincideva con il punto iniziale di incremento della temperatura superficiale dei provini. Sulla base di questo risultato Risitano et al. [4, 5] proposero un metodo rapido per la determinazione del limite di fatica. Diversi altri autori hanno proposto procedure per perfezionare questa tipologia di approccio alla caratterizzazione a fatica dei materiali [6-9]. Tra essi, La Rosa e Risitano [8] hanno perfezionato il

2 metodo precedentemente sviluppato, fino a prevedere l utilizzo di un numero molto limitato di provini per determinare il limite di fatica mediante una sequenza di carico a gradini. Successivamente, partendo dall ipotesi secondo cui la rottura a fatica di un provino, o di un componente meccanico, ha luogo quando l energia dissipata raggiunge un valore limite, costante e indipendente dalle condizioni di carico, Fargione et al. [10] hanno proposto un nuovo metodo (Risitano Rapid Method) per determinare l intera curva di Wöhler del materiale, Risitano et al. [11] hanno indagato le potenzialità del metodo termografico per la valutazione del danno. Questo nuovo approccio energetico allo studio del comportamento meccanico dei materiali, basato su ipotesi ed evidenze già precedentemente formulate [12], e successivamente implementate [10] nei riguardi del fenomeno della fatica, ha stimolato lo sviluppo di un percorso di ricerca focalizzato sul rilascio energetico associato a tale fenomeno [13-16]. Più limitato, invece, è stato fino ad ora l impatto di questo stesso approccio nell analisi delle condizioni di sollecitazione statica, anche se già a metà degli anni 90 Geraci et al. [17] proposero di utilizzare la termografia a infrarossi per analizzare i trend di temperatura superficiale di provini in acciaio sottoposti a carichi di trazione monoassiale, rilevando la possibilità di individuare il passaggio dal comportamento termoelastico a quello termoplastico. Successivamente, Chrysochoos e Louche [18] hanno proposto l analisi della temperatura superficiale mediante camera a infrarossi durante prove di trazione statica in campioni parallelepipedi piatti e sottili, osservando l insorgenza improvvisa di fenomeni dissipativi in condizione di deformazione plastica locale. Plekhov e Naimark [19] con lo stesso approccio sperimentale hanno dimostrato che la deformazione plastica nella trazione statica è accompagnata dalla comparsa di onde di calore, di cui hanno esaminato la propagazione sulla superficie dei provini. Risitano et al. [20, 21], sulla base di studi precedenti [18], hanno analizzato l energia dispersa durante prove di trazione statica per meglio definire la condizione di fine dell effetto termoelastico, correlandola all insorgere della fase in cui la relazione tra carico e temperatura perde la linearità. In particolare lo studio [21] ha evidenziato che è possibile definire un valore limite della resistenza degli acciai soggetti a carichi uniassiali, corrispondente alla perdita della perfetta linearità della curva termoelastica sforzi-temperatura. Tale valore sembra essere molto prossimo al valore del limite di fatica a sollecitazione alternata simmetrica (resistenza all oscillazione) e quasi sempre compreso fra la resistenza all oscillazione e il carico di snervamento del materiale (deformazione permanente 0.2%). Infatti è stato verificato che con prove di trazione statiche si può individuare il punto P evidenziato in Figura 1, in cui la curva di temperatura superficiale del provino perde la linearità col carico definita dalla legge termoelastica e cambia pendenza; ovvero, il punto in cui fenomeni di rilascio termico irreversibile compaiono e producono cambiamenti nella variazione di temperatura del provino. Nell impostazione del presente lavoro, agli autori è sembrato interessante verificare quanto dato per scontato circa il comportamento dell acciaio a trazione e compressione statica, non tanto dal punto di vista meccanico, quanto dal punto di vista energetico, e con particolare riguardo a un campo in cui non sono presenti fenomeni di microplasticizzazione che possono dipendere da difetti strutturali o di lavorazione, e che più possono risentire del tipo di sollecitazione (trazione o compressione). Scopo del lavoro è quindi la verifica del comportamento termoelastico di provini di acciaio nella fase di comportamento elastico, anche a livello microscopico (tutti i cristalli si deformano elasticamente). Tale verifica viene effettuata valutando la curva di temperatura superficiale del provino per carichi al di sotto del limite di fatica (resistenza all oscillazione dell acciaio) sia in trazione che in compressione. 2. ELEMENTI DI TERMOELASTICITA Come noto, la variazione di volume di gas dovuta alla applicazione di forze produce variazioni di temperatura. Questo fenomeno, con variazioni di temperatura molto più limitate, si presenta anche nei solidi. Con specifico riferimento ai metalli (solidi a reticolo cristallino), nel caso di prova statica di trazione, è possibile distinguere due tipologie di comportamento termico (Figura 1): in una prima fase tutti i reticoli cristallini del solido si deformano in campo elastico, e la relazione sollecitazionedeformazione è lineare; nella fase successiva non tutti i reticoli cristallini si deformano in campo elastico, alcuni di essi si deformano in campo plastico. Nella prima fase del comportamento termico

3 prima evidenziata, il materiale risponde perfettamente alla teoria della termoelasticità [22], e anche la relazione tra variazione di temperatura e sollecitazione è lineare. Figura 1. Curve qualitative sollecitazione-deformazione e temperatura-deformazione [21] Nella stessa Figura 1 è evidenziato come il comportamento termico sia strettamente dipendente dall insorgere del comportamento plastico del materiale, anche a livello locale. Nella zona I il livello di sollecitazione è tale che tutti i reticoli cristallini si deformano in campo elastico; nella zona II la sollecitazione giunge a valori per i quali la maggior parte dei reticoli cristallini si deforma ancora in campo elastico, ma per alcuni di essi si presenta il comportamento plastico, ancora sufficientemente circoscritto da consentire alla rimozione del carico di ritornare, almeno a livello macroscopico, alla condizione antecedente all applicazione del carico stesso; nella zona III il comportamento plastico inizia a diffondersi tra i reticoli cristallini e si manifesta anche a livello macroscopico, tanto che alla rimozione del carico permane parte della deformazione; infine, nella fase IV la deformazione plastica si sviluppa fino a coinvolgere tutti i reticoli cristallini. Nel caso di solidi omogenei e isotropi, in condizioni adiabatiche, in campo termoelastico la relazione tra la variazione di temperatura e lo stato tensionale applicato è espressa dalla legge costitutiva: σ T Km T I1 = (1) in cui T è la variazione di temperature del solido, K m = α/ρ c p è la constante termoelastica del materiale (con α coefficiente di dilatazione lineare, ρ densità del materiale, c p calore specifico a pressione constane), T è la temperatura del solido in K, I σ 1 è la variazione del primo invariante di tensione (somma delle tensioni principali). Nel caso di prova uniassiale statica con sollecitazione σ, la (1) diventa la nota relazione: T = K T σ (2) m 3. CAMPAGNA DI PROVE La campagna di prove è stata eseguita su provini di acciaio AISI 304 (X5CrNi1810), con specifiche della composizione chimica: C 0.04, Cr 18.1, Ni 8.3. La forma e le dimensioni principali dei provini sono riportate in Figura 2a.

4 In Tabella 1 sono riportate le caratteristiche meccaniche del materiale ricavate con prova classica di trazione: tensione di snervamento σ s (deformazione permanente 0.2%), tensione di rottura σ r. Nella stessa tabella è stato riportato il limite di fatica σ o per sollecitazione alternata simmetrica (R=-1), ricavato mediante il Metodo Risitano secondo quanto indicato in [10]. Tabella 1. Caratteristiche meccaniche del materiale Materiale σ s [MPa] σ r [MPa] σ o [MPa] AISI I provini sottoposti a prove uniassiali quasi statiche con onda triangolare sono stati in numero di 3. Su ciascun provino sono state effettuate: 1) prove di trazione dall origine, con carico applicato da 0 a un valore di tensione pari a N/mm 2 (di poco inferiore al limite di fatica); 2) prove di compressione dall origine, con carico applicato da 0 a un valore di tensione pari a N/mm 2 ; 3) prove alternate di trazione-compressione, con valori di tensione massima e minima N/mm 2 ; 4) prove alternate di compressione-trazione, con valori di tensione minima e massima N/mm 2. I provini sono stati verniciati con vernice nera (coefficiente di emissione pari a 0.98). Come macchina di prova è stata utilizzata una macchina elettroidraulica INSTRON 8501 con capacità massima di 100 kn. Le immagini della superficie del provino sono state acquisite mediante termocamera FLIR 3000, con frequenza di 4 imm/s, e registrate durante l intera prova per essere successivamente analizzate. La frequenza di prova è stata fissata a 0.1 Hz. L analisi dell andamento della temperatura durante l applicazione del carico è stata eseguita posizionando tre spot sulla superficie del provino, uno al centro e gli altri due in prossimità degli afferraggi, come mostrato in Figura 2b. Nella stessa figura si notano anche i corrispondenti spot posizionati sul manichino, un provino troncato realizzato nello stesso materiale e verniciato allo stesso modo degli altri provini, posto parallelamente a fianco del provino che si vuole testare. Il segnale di temperatura registrato sul manichino verrà successivamente sottratto al provino testato in modo tale da eliminare il disturbo dovuto al calore trasmesso dalla macchina attraverso gli afferraggi. Figura 2. a) Caratteristiche geometriche del provino; b) Esempio di immagine acquisita con la termocamera, con posizionamento degli spot sul provino e sul manichino Poiché le immagini termiche vengono registrate durante l intera prova, l analisi delle temperature può essere eseguita in qualsiasi punto ed in qualsiasi momento. Per ciascuna prova, il numero di cicli di carico a cui sono stati sottoposti i provini è stato fissato pari a 10.

5 A seguire, per ragioni di spazio, si riportano i risultati ottenuti con uno solo dei tre provini testati, in quanto le prove hanno mostrato risultati perfettamente ripetitivi (trattandosi di prove statiche) Trazione dall origine (0 +20 kn) La legge di carico applicata segue l andamento lineare ad onda triangolare riportato in Figura 3, con un valore di sollecitazione massima applicata pari a N/mm 2 (di poco inferiore al limite di fatica, pari a 230 N/mm 2 ). Nella stessa Figura 3, assieme all andamento del carico, viene riportato l andamento della temperatura registrata in ciascuno dei 3 spot (superiore, centrale, inferiore), in fase con il carico applicato. Per ciascuno spot si è calcolata la variazione di temperatura rispetto al primo valore registrato, successivamente sono stati sottratti i valori degli spot del manichino. È possibile osservare con chiarezza il fenomeno della termoelasticità, con una perfetta corrispondenza tra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura. In fase di trazione la temperatura diminuisce, durante la fase di scarico ritorna ai valori iniziali. Inoltre il fenomeno si ripete con regolarità per tutti e 10 i cicli di carico. Soffermandosi sul primo ciclo di carico (Figura 4), appare ancora più evidente la relazione lineare tra temperatura e carico, e quindi anche sollecitazione. Figura 3. Trazione dall origine (0 +20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (10 cicli di carico) Il valore minimo di variazione di temperatura registrato è pari a C. L ampiezza di tale variazione si mantiene sostanzialmente stabile per l intero set di cicli di carico, se si considera l incremento del valore di base della temperatura, dovuto a una forma di inerzia termica del provino, che posto in trazione acquisisce una temperatura più bassa rispetto all ambiente, per cui riceve da esso calore. Tale incremento risulta pari a C/s (coefficiente angolare della retta di regressione in rosso), cioè circa 7.2 millesimi di grado per ciclo (della durata di 10 s). Nei grafici di Figura 5, che rappresentano la variazione di temperatura rapportata alla temperatura del provino, in funzione della tensione, per la rampa di carico del primo ciclo e per i tre spot presi in considerazione, mediante regressione lineare è stato possibile determinare il corrispondente valore del coefficiente termoelastico K m. In Tabella 2 sono riportati i valori di K m trovati per i tre spot, insieme all errore quadratico medio della regressione σ y, e al coefficiente di determinazione R 2, che misura la bontà del fitting della regressione. Come si vede, i valori di K m determinati sperimentalmente in relazione ai tre spot, così come il valore medio, rientrano nel range di valori derivabili da base dati reperibile in letteratura o in database in commercio: per AISI 304 K m = Pa -1 (base dati Cambridge Engineering Selector 2009). La perfetta linearità della variazione di temperatura col carico, assieme al valore dell incremento della temperatura media per ciclo (circa 7.2 C /1000), dimostra che il fenomeno può essere considerato

6 praticamente adiabatico, ovvero lo scambio termico tra la superficie del provino e l ambiente è sostanzialmente trascurabile. Figura 4. Trazione dall origine (0 +20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (primo ciclo di carico) Figura 5. Trazione dall origine (0 +20 kn): Rapporto tra variazione di temperatura e temperatura dei tre spot di misura del provino in funzione della sollecitazione, e regressione lineare per il calcolo di K m Tabella 2. Dati regressione lineare S sup S cen S inf Valore medio K m [Pa -1 ] σ y R Compressione dall origine (0-20 kn) In maniera analoga a quanto fatto nel caso precedente, è stata effettuata la prova di compressione quasi statica, applicando la legge di carico ad onda triangolare riportato in Figura 6, con un valore di sollecitazione minima applicata pari a N/mm 2. Nella stessa Figura 6 è riportato l andamento della variazione di temperatura, per i tre spot, in fase con il carico al variare del tempo. È possibile osservare con chiarezza anche in questo caso il fenomeno termoelastico, con una perfetta corrispondenza tra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura. In fase di compressione la temperatura aumenta, durante la fase di scarico ritorna ai valori iniziali. Inoltre il fenomeno si ripete per tutti e 10 i cicli di carico. Soffermandosi sul primo ciclo di carico (Figura 7), appare ancora più evidente la relazione lineare tra variazione di temperatura e carico. Il valore massimo di variazione di temperatura registrato è pari a 0.32 C, sostanzialmente coincidente in valore assoluto (in questo caso però positivo) con quello di trazione. Anche in questo caso l ampiezza di tale variazione si mantiene stabile per l intero set di cicli di carico, se si considera il decremento del valore di base della temperatura, dovuto a una forma di inerzia termica del provino,

7 che posto in compressione acquisisce una temperatura più alta rispetto all ambiente, per cui cede ad esso calore. Tale decremento risulta pari a C/s (coefficiente angolare della retta di regressione in rosso), cioè circa 5.2 millesimi di grado per ciclo. Figura 6. Compressione dall origine (0 20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (10 cicli di carico) Figura 7. Compressione dall origine (0 20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (primo ciclo di carico) Anche in questo caso, come fatto per la prova precedente, mediante regressione lineare è stato possibile determinare il corrispondente valore del coefficiente termoelastico K m. In Tabella 3 sono riportati i valori di K m trovati per i tre spot, insieme agli altri dati significativi delle regressioni lineari. In questo caso i valori determinati sperimentalmente in relazione agli spot rientrano nel range dei valori di riferimento, tranne nel caso dello spot inferiore, che se ne discosta leggermente, mentre vi rientra pienamente il valore medio, che coincide con quello rilevato nella prova precedente. Tabella 3. Dati regressione lineare S sup S cen S inf Valore medio K m [Pa -1 ] σ y R

8 3.3. Carico alternato trazione-compressione (+-20 kn) Come terza prova è stata effettuata una alternata di trazione e compressione, applicando al provino una sollecitazione pari a MPa, in valore assoluto di poco inferiore al limite di fatica (230 MPa), con onda triangolare. In Figura 8 è riportata la legge di carico per i 10 cicli di sollecitazione applicata. Per ciascuno dei tre spot è stata rilevata la variazione di temperatura rispetto al primo valore registrato, corretta mediante i valori degli spot del manichino. Nella stessa Figura 8, è riportato l andamento della variazione di temperatura al variare del carico, per i tre spot. Anche in questo caso è possibile osservare il fenomeno della termoelasticità, con una perfetta corrispondenza tra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura. In fase di trazione la temperatura diminuisce, in fase di compressione aumenta. Il fenomeno si ripete per tutti e 10 i cicli di carico. Per evidenziare la relazione termoelastica nel grafico in Figura 9 è riportato il primo ciclo di carico. Figura 8. Carico alternato trazione-compressione (+ 20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (10 cicli di carico) Figura 9. Carico alternato trazione-compressione (+ 20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (primo ciclo di carico)

9 Il valore massimo della variazione di temperatura, registrato durante la fase di compressione, è pari a 0.35 C, mentre il valore minimo, registrato durante la fase di trazione, è pari a C. Anche in questo caso le ampiezze di tali variazioni si mantengono sostanzialmente stabili per l intero set di cicli di carico, se si considera l incremento del valore di base della temperatura, pari a C/s (coefficiente angolare della retta di regressione in rosso), cioè circa 1.78 centesimi di grado per ciclo. Anche in questo caso è stata effettuata la regressione lineare al fine di determinare la costante termoelastica per la fase di trazione e per quella di compressione. I risultati, qui non riportati per brevità, sono risultati congruenti con quelli ricavati dalle precedenti due prove dall origine, riportati nelle Tabelle 2 e Carico alternato compressione-trazione (-+20 kn) Come ultima prova è stata effettuata una alternata di compressione e trazione, applicando al provino una sollecitazione pari a MPa, in valore assoluto di poco inferiore al limite di fatica pari a 230 MPa), con onda triangolare. In Figura 10 è riportata la legge di carico per i 10 cicli di sollecitazione applicata. Per ciascuno dei tre spot è stata rilevata la variazione di temperatura rispetto al primo valore registrato, corretta mediante i valori degli spot del manichino. Nella stessa Figura 10 è riportato l andamento della variazione di temperatura al variare del carico, per i tre spot. Anche in questo caso è possibile osservare il fenomeno della termoelasticità, con una perfetta corrispondenza tra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura. In fase di compressione la temperatura aumenta, in fase di trazione diminuisce. Il fenomeno si ripete per tutti e 10 i cicli di carico. Per evidenziare la relazione termoelastica nel grafico in Figura 11 è riportato il primo ciclo di carico. Il valore massimo della variazione di temperatura, registrato durante la fase di compressione, è anche in questo caso, come nel precedente, pari a 0.35 C, così come il valore minimo, registrato durante la fase di trazione, è ancora pari a C. Anche in questo caso le ampiezze di tali variazioni si mantengono sostanzialmente stabili per l intero set di cicli di carico, se si considera l incremento del valore di base della temperatura, pari a C/s (coefficiente angolare della retta di regressione in rosso), cioè circa 1.28 centesimi di grado per ciclo. Figura 10. Carico alternato compressione-trazione ( +20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (10 cicli di carico)

10 Figura 11. Carico alternato compressione-trazione ( +20 kn): Andamento del carico e della variazione di temperatura in funzione del tempo (primo ciclo di carico) Anche in questo caso è stata effettuata la regressione lineare al fine di determinare la costante termoelastica per la fase di compressione e per quella di trazione. I risultati, qui non riportati per brevità, sono risultati congruenti con quelli ricavati dalle precedenti due prove dall origine, riportati nelle Tabelle 2 e RISULTATI DELLE PROVE Le prove effettuate hanno messo in evidenza quanto segue: Prova di trazione dall origine 1) - piena corrispondenza fra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura - perfetta linearità della variazione di temperatura con la sollecitazione - ripetitività dei risultati per tutti e 10 i cicli di carico - valore minimo di variazione di temperatura costante e pari C - incremento del valore di base della temperatura di C per ciclo Prova di compressione dall origine 2) - piena corrispondenza fra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura - perfetta linearità della variazione di temperatura con la sollecitazione - ripetitività dei risultati per tutti e 10 i cicli di carico - valore massimo di variazione della temperatura costante e pari 0.32 C - decremento del valore di base della temperatura di C per ciclo Prove alternate trazione-compressione 3) e compressione-trazione 4) - piena corrispondenza fra la sollecitazione applicata e la variazione di temperatura - perfetta linearità della variazione di temperatura con la sollecitazione - ripetitività dei risultati per tutti e 10 i cicli di carico - valore minimo di variazione della temperatura costante e pari C in trazione - valore massimo di variazione della temperatura costante e pari 0.35 C in compressione - incremento del valore di base della temperatura di C per ciclo La perfetta linearità della variazione di temperatura con il carico riscontrata in tutte le quattro modalità di prova mostra che alla frequenza di prova di 0.1 Hz il sistema può essere considerato adiabatico (lo scambio termico fra la superficie del provino e l esterno è trascurabile). A maggior ragione tale condizione si realizza nelle prove di fatica in cui normalmente si opera, con frequenze superiori ai 10 Hz.

11 La piena simmetria della variazione di temperatura in ogni ciclo in termini di pendenza delle curve corrispondenti alle fasi di carico e di scarico delle prove dall origine, o di trazione e compressione delle prove a carico alternato, unitamente alla sostanziale uniformità dei risultati ottenuti nella determinazione sperimentale della costante termoelastica K m che compare nelle espressioni (1) e (2), permette di affermare che tale costante è univocamente determinabile eseguendo una prova di trazione nel campo della validità della legge termoelastica (carichi non superiori al limite di fatica). Ricordando che il coefficiente termoelastico è espresso da K m = α/ρ c p, dove α è il coefficiente di dilatazione lineare, ρ è densità del materiale, c p è calore specifico a pressione constane, una volta determinato K m con una prova uniassiale statica è possibile stimare una delle tre proprietà del materiale di cui K m è funzione, note le altre due. 5. CONCLUSIONI Su provini di acciaio AISI 304 sono state effettuate prove quasi statiche monoassiali di trazione e di compressione dall origine, e alternate di trazione-compressione e compressione-trazione, al fine di valutare la risposta termoelastica del materiale. Il valore massimo del carico applicato è stato pari a circa 1/3 del carico di snervamento del materiale, e inferiore al limite di fatica del materiale alla sollecitazione alternata simmetrica. Il numero totale di cicli è stato pari a 10 e la frequenza di applicazione del carico pari a 0.1 Hz. Per le quattro tipologie di carico applicate, l analisi ha riguardato tutti i cicli costituenti l intera storia di carico. Particolare evidenza è stata poi data al primo ciclo di applicazione del carico. I risultati hanno evidenziato un comportamento uniforme dal punto di vista energetico. In tutti i quattro casi è stato riscontrato un comportamento in pieno accordo con la legge costitutiva della termoelasticità: la variazione della temperatura superficiale del provino variava linearmente con il carico, e dunque con la sollecitazione uniassiale. I valori della costante termoelastica K m rilevati sulla base dei dati sperimentali termici, in relazione ai tre spot, ha mostrato una chiara congruenza dei risultati tra le quattro modalità di carico. Tali valori determinati, sono sempre risultati rientrare nel range di valori assunto come riferimento da letteratura per il materiale in esame ( Pa -1 ), salvo in qualche caso in cui i valori risultavano strettamente prossimi ai valori estremi di tale range. In particolare, i valori medi tra quelli derivati dalle rilevazioni nei tre spot, per ciascun tipo di prova, sono risultati pienamente sovrapponibili, in quanto compresi nel range Pa -1. Le prove effettuate hanno dunque confermato quanto già osservato in [21], cioè che in materiali omogenei è possibile determinare proprietà caratteristiche, quale la costante termoelastica, mediante una semplice prova di trazione. Definita sperimentalmente tale costante termoelastica, è possibile inoltre valutare una delle tre proprietà fisiche del materiale da cui dipende, note le altre due. In tutti i casi analizzati la variazione di temperatura con il carico seguiva in modo coerente e lineare la forma d onda del carico. Visto il valore limitato della sollecitazione imposta, la variazione di temperatura con il carico non si è mai discostata dall andamento lineare. Ciò conferma l ipotesi che solo per valori di sollecitazione applicata capaci di creare nel provino a livello locale microdeformazioni plastiche, si possono notare deviazioni dalla legge di linearità prevista dalla teoria. L analisi delle curve di temperatura nei provini sottoposti sia a trazione che a compressione ha consentito, infine, di verificare anche dal punto di vista energetico, oltre che meccanico, il comportamento sostanzialmente coincidente nei due modi di applicazione del carico. BIBLIOGRAFIA [1] D. Dengel, H. Harig, Estimation of the fatigue limit by progressively-increasing load tests, Fatigue Fract. Eng. M., 3, (1980). [2] J. Kaleta, R. Blotny, H. Harig, Energy stored in a specimen under fatigue limit loading conditions, J. Test Eval., 19, (1990). [3] T. Catalbiano, A. Geraci, M. Orlando, Analysis of the fatigue strength of specimens by means of the infrared technique, Il Progettista Industriale, 2, (1984).

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