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 2 2006 Politecnico di Torino 1
Fatica dei materiali Definizione di fatica e parametri dei cicli Aspetti micro e macroscopici della fatica 4 2006 Politecnico di Torino 2
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 6 2006 Politecnico di Torino 3
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) 8 2006 Politecnico di Torino 4
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 10 2006 Politecnico di Torino 5
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. 12 2006 Politecnico di Torino 6
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 14 2006 Politecnico di Torino 7
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 + 2 2 min min Numero di cicli Tensione massima Tensione minima Tensione media Tensione alternata 16 2006 Politecnico di Torino 8
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 18 2006 Politecnico di Torino 9
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 20 2006 Politecnico di Torino 10
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 22 2006 Politecnico di Torino 11
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 24 2006 Politecnico di Torino 12
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 26 2006 Politecnico di Torino 13
Fasi della fatica (1/3) Il fenomeno fatica si divide in tre fasi: Nucleazione (delle cricche) 28 2006 Politecnico di Torino 14
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) 30 2006 Politecnico di Torino 15
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 1991 32 2006 Politecnico di Torino 16
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 34 2006 Politecnico di Torino 17
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 http://www.naoe.eng.osaka-u.ac.jp/eng/facilities 36 2006 Politecnico di Torino 18
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 http://www.rsime.com 38 2006 Politecnico di Torino 19
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 40 2006 Politecnico di Torino 20
Esempio superficie di frattura III Flessione piana nucleazione propagazione Beach marks Rottura Finale (aspetto fragile) Haibach - 1989 41 Tipi di superficie di frattura IV Sezioni circolari soggette a tensioni normali Tensioni nominali basse alte Flessione rotante 42 2006 Politecnico di Torino 21
Esempio superficie di frattura IV Flessione rotante e torsione costante 43 Tipi di superficie di frattura V Sezioni circolari soggette a torsione 45 44 2006 Politecnico di Torino 22
Esempio superficie di frattura Va Torsione alternata 45 Esempio superficie di frattura Vb Torsione alternata da http://www.dim.unipd.it /fatigueteam/ da http://www.ryerson.ca/~ avarvani/research.html 46 2006 Politecnico di Torino 23