Sessione specialistica: Manutenzione e processi Torino, 20-21 aprile 2016 SINTESI DEL COMPORTAMENTO A FATICA A TRAZIONE ALTERNA DI UN ACCIAIO INOSSIDABILE IN TERMINI DI ENERGIA DISSIPATA Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Padova, via Venezia, 1 35131 Padova slide 1
Andamento della temperatura in prove a fatica su materiali metallici DT s a3 100 C s a2 > s a 1 C10 C s a1 < s a 0.1 C 1 C 0.1 Nf Catalbiano T., Geraci A., Orlando M.,Il Progettista Industriale, n 2, 1984. Curti G., La Rosa G., Orlando M., Risitano A., XIV Convegno Nazionale AIAS, 1986. N Plastic strain hysteresis (s a >s a ) Anelastic strain hysteresis (s a <s a ) Feltner CE, Morrow JD. Trans. ASME, J Basic Engineering, 1961 slide 2
Temperatura ed Energia Termica specifica N 1 = N 2 T max1 T max2 Q 1 =Q 2 Stessa durata Temperature diverse Stessa energia dissipata L energia specifica dissipata Q[J/(m 3 ciclo)] per ciclo è un parametro promettente per la stima di durata a fatica di alcuni materiali metallici Q si può stimare da misure di temperatura, ad esempio con termocamere a raggi infrarossi Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Padova B. Atzori, slide 3
S ir V S cv E p Indicatori del danneggiamento W n Q S cd W Q E p Unità: J/(m 3 ciclo) E p = energia immagazzinata nel materiale per ciclo Q = energia termica dissipata per ciclo W = energia meccanica fornita per ciclo Kaleta J, Blotny R, Harig H. Energy stored in a specimen under fatigue limit loading conditions. J Test Eval 1990. B. Atzori,, Key Engineering Materials, 2010. Ellyin (F. Ellyin, Fatigue damage, crack growth and life prediction, Chapman & Hall 1997) affermò: because of measurement difficulties with regard to the heat loss, Q, the energy associated with damage, E p, can be related to the supplied energy, W slide 4
Stima sperimentale di Q (1) Equazione di bilancio: X X w dv T[ C] X X H H H cd cv All istante t=t* + : W=0, E p =0 ir dv c T t E p dv il flusso termico totale (H cd +H cv +H ir ) non cambia, poichè la temperatura del provino T(x,y) e la temperatura ambiente T amb non cambiano Pertanto: t* t [s] c T t tt* H cd H cv H ir slide 5
Stima sperimentale di Q (2) T [ C] Τ t tt* H tt* c Q H f T t tt* t* G. Meneghetti, Int. J. Fatigue, 2007 t [s] H potenza termica specifica [W/m 3 ] densità [kg/m 3 ] c calore specifico [J/(kg K)] f frequenza di prova [cicli/s] Q energia termica specifica [J/(m 3 cycle)] slide 6
Tipica attrezzatura sperimentale per misurare l energia dissipata 10 mm PC for frame acquisition Blower Testing machine PC&Digital Controller 45,2 C Infrared camera Flir Thermovision A40 Superficie del provino verniciata per aumentarne l emissività 26,1 C slide 7
Q [kj/(m3 DT [ ciclo)] C] 360 320 250 180 140 290 497 Indipendenza dell energia dissipata dalle condizioni al contorno termiche e meccaniche 78 Termocoppia n 1 70 2.5 Hz Termocoppia n 2 2.5 Hz R40 60 Termocoppia n 3 5 Hz 5 Hz 50 7 Hz 7 Hz 40 40 Termocoppia n 4 7 Hz bis 7 Hz 30 Termocoppia n 5 8 Hz bis 8 Hz 20 9 Hz 9 Hz 25 Hz 10 blower 25 Hz Aisi 304L, spessore 6 mm 1 Hz blower phon 5 0Termocoppie Rame-Costantana lungo l asse 1 Hz del provino Macchina 100 MFL 200 250 kn/mts 300TestarIIm 400 phon s a =160 MPa Posizione (ampiezza longitudinale costante), R=0.05. [mm] Diversi valori di f e cond. ambiente. Misura dell energia dissipata in corrispondenza delle 5 termocoppie con la tecnica del gradiente di raffreddamento slide 8
133 30 30 113 10 30 Materiale, geometria dei provini, condizioni di prova AISI 304L Spessore 6 mm Macchina servoidraulica Schenck 100 kn RT3 TrioSistemi 30 30 30 (a) Prove a fatica: Controllo di deformazione (R e =-1); Frequenze di prova f= 0.1-5 Hz Criterio di rottura: 4x3-mm-long crack (verificato a posteriori imponendo un prefissato calo di rigidezza) Estensometri MTS, base di misura 25 mm (Fig.a) o 5 mm (Fig. b) Misura della temperatura: AGEMA THV 900 LW/ST (accuratezza 0.1 C, frequenza di acquisizione 7 Hz) oppure THERMOVISION A40 (accuratezza di 0.1 C, frequenza di acquisizione 50 Hz) Elaborazione immagini termografiche con software dedicato AGEMA Research 2.1 12 R30 25 7 R30 (b) (c) slide 9
120 10 120 100 120 Materiale, geometria dei provini, condizioni di prova 30 40 30 30 AISI 304L Spessore 6 mm Macchina servoidraulica Schenck 100 kn RT3 TrioSistemi 7 R30 16 R5 10 R3 10 90 (c) (d) (e) (f) K tn =2.2 K tn =3.0 K tn =3.7 Prove a fatica: Controllo di forza (R s =-1); Frequenze di prova f= 1-30 Hz Criterio di rottura: liscio: separazione completa del provino Intagliato: cricca 4 mm (stereoscopio Leica a bordo macchina, max 50x) Misure temperatura: Liscio: THERMOVISION A40 (accuratezza di 0.1 C, campionamento 50 Hz). Intagliato: Termocoppie rame-costantana, f=0.127 mm, accuratezza 0.02 C Elaborazione immagini termografiche con software dedicato AGEMA Research 2.1, acquisizione termocoppie: HP 34970, campionamento 22 Hz slide 10
Sintesi dei risultati in termini di ampiezza di tensione (R=-1) 700 300 s a,net [MPa] Prove controllo deformazione Materiale base: k=17.2; T N =20.0 Forati, R=8 mm: k=8.9; T N =4.3 Intaglio a U, R=5 mm Intaglio a V, R=3 mm Stair case rotti Stair case non rotti k=5.8; T N =4.5 100 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 N f, numero di cicli a rottura Ampiezza di tensione stabilizzata o al 50% di vita (cricca 4mm) slide 11
Esempio di filmato termografico R 3 AISI 304L, R=3 mm s anet =120MPa, N rottura =61082, f =8Hz slide 12
Stima dell energia dissipata: provino liscio controllo e T [ C] 55 Effetto termoelastico 53 @ 4 C 51 49 47 45 43 41 39 t* @ 13 s T ( t ) 0. 9977 0 15 30 45 60 time [s] Parametri di prova: e a =0.5%, N f =3697 cicli, f=0.4 Hz R 2 0. 336 t t* : istante in cui la prova è stata interrotta N/ N f =0.2 Massima temperatura all interno dell area di controllo 55. 79 Analysis Analisi of dei data: dati: T H c t Q Control area Frequenza di acquisizione delle immagini termografiche: Agema THV 900, 7 Hz H f Q dn t t * Units Unità : J/(m 3 cycle) Q f Units : J/m 3 Control area slide 13
Q [MJ/(m 3 ciclo)] Andamento dell energia specifica dissipata Q durante le prove 100 10 1 Prove controllo deformazione [18] Materiale base Materiale base [17] Forati, R=8mm [18] Intaglio a U, R=5mm Intaglio a V, R=3mm N f : numero di cicli a rottura (completa separazione) Stabilizzazione di Q Progressiva diminuzione dell energia dissipata localmente nel caso di provini intagliati 0.1 Posizione Termocoppia 0.01 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N/N f 0,5mm slide 14
Sintesi di tutti i risultati usando l energia dissipata 10 1 0.1 Q [MJ/(m 3 ciclo)] 1 2.11 Forati, R=8 mm [18] Intaglio a U, R=5 mm Intaglio a V, R=3 mm Stair case rotti [17] Stair case non rotti [17] 0.01 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 N f, numero di cicli a rottura f Prove controllo deformazione [18] Materiale base ( da [17]) Q A,50% =0.133 [MJ/(m 3 ciclo)] T N,Q =4.51 (cricca 4mm) Tutti dati elaborati insieme T N,Q =4.51 simile a quello della sola serie «forati» in termini di tensione T N,s =4.3 Pendenza unica da 10 2 a 2 10 6 cicli L energia varia di due ordini di grandezza L energia specifica dissipata tiene conto della sensibilità all intaglio mostrata dal materiale slide 15
Conclusioni L energia specifica dissipata Q è utile per la previsione di vita a fatica di alcuni materiali metallici MN Q Y Z 10 Y Z 0 1 0.1 X Q [J/(m 3 ciclo)] Q [MJ/(m 3 ciclo)] Stair case non rotti [17] 0.01 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 N f, numero di cicli a rottura f MX N. cicli f Q ha permesso di sintetizzare in un unica banda risultati di prove a fatica (84 punti sperimentali) ottenuti con diverse geometrie di intaglio Q Q [J/(m 3 ciclo)] Prove controllo deformazione [18] Q [MJ/(m 3 ciclo)] Materiale base ( da [17]) 1 X Q 2.11 A,50%=0.133 [MJ/(m 3 Prove controllo deformazione [18] ciclo)] 10 Materiale base ( da [17]) 1 Q T 2.11 A,50%=0.133 [MJ/(m 3 ciclo)] N,Q=4.51 Forati, R=8 mm [18] 19.8988 39.7976 59.6965 79.5953 99.4941 119.393 139.292 1 159.191 179.089 Intaglio a U, R=5 mm T N,Q=4.51 Intaglio a V, R=3 mm Forati, R=8 mm [18] Stair case rotti [17] Intaglio a U, R=5 mm 0.1 Intaglio a V, R=3 mm Stair case rotti [17] Stair case non rotti [17] 0.01 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 N f, numero di cicli a rottura N. cicli L energia dissipata Q può essere misurata direttamente in un punto di un componente in prova mediante una misura di temperatura. Dato un componente fatto in materiale caratterizzato in energia, la previsione di vita a fatica (analisi del danneggiamento) risulta immediata e si basa solo su misure sperimentali di temperatura slide 16