Comportamento meccanico dei materialicorsiadistanza.polito.it/on-line/CMM/pdf/U12_L1.pdfIl fenomeno fatica L’applicazione di carichi non costanti nel tempo, in particolare con andamento

Comportamento meccanico dei materiali Introduzione

© 2006 Politecnico di Torino 1

Comportamento meccanico dei materiali

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Fatica dei materiali

IntroduzionePropagazione delle criccheDati di fatica di baseDai provini ai componenti, fatica uniassialeFatica con sollecitazioni ad ampiezza variabile Fatica multiassiale – cenni



Fatica dei materiali

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Introduzione

Definizione di fatica e parametri dei cicli Aspetti micro e macroscopici della fatica



Introduzione

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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”



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Caratteristiche del fenomeno (1/3)

Il fenomeno della fatica è:Permanente (non reversibile)

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Il fenomeno della fatica è:Permanente (non reversibile)Progressivo (ogni applicazione di carico induce un danno)



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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)

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Approcci al problema (1/4)

Approccio microscopico: analizza i motivi del fenomeno e studia i cambiamenti metallurgici e strutturali del materiale



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Approccio microscopico: analizza i motivi del fenomeno e studia i cambiamenti metallurgici e strutturali del materialeApproccio fenomenologico o empirico: cerca di fornire strumenti al progettista per:

Evitare le rotture di fatica

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Evitare le rotture di faticaValutare la durata che può essere raggiunta dal componente prima che si verifichino pericolosi cedimenti.



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Evitare le rotture di faticaValutare la durata che può essere raggiunta dal componente prima che si verifichino pericolosi cedimenti

La resistenza a fatica non dipende solo dal materiale

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Parametri dei cicli I

Per individuare un ciclo sono necessari almeno due parametri indipendenti relativi alla tensione o alla deformazione (UNI 3964)

Tens

ione

Tempo

σ m σ max

σ min

σ a

∆σ=2σ a

σ a

Tens

ione

Tempo

σ m σ max

σ min

σ a

∆σ=2σ a

σ a



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minima Tensione

massimaTensione

min

max

σ

σ

Parametri dei cicli II (1/2)

N Numero di cicli

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alternata Tensione2

amedi Tensione2

minima Tensione

massimaTensione

minmaxa

minmaxm

min

max

σ−σ=σ

σ+σ=σ

σ

σ

Parametri dei cicli II (2/2)

N Numero di cicli



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Parametri dei cicli III (1/3)

tensione di RapportoR

tensionediCampo2

max

min

aminmax

σσ=

σ=σ−σ=σ∆

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ampiezza di RapportoR


tensionediCampo2

m

aa

max

min

aminmax

σσ=

σσ=

σ=σ−σ=σ∆



19a

aa R1

R1R

R1R1

R+−

=+−

=


Si può dimostrare che:

ampiezza di RapportoR


tensionediCampo2

m

aa

max

min

aminmax

σσ=

σσ=

σ=σ−σ=σ∆

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Parametri dei cicli IV (1/4)

La frequenza, per i materiali metallici, influenza poco i risultati fino a circa 100 Hz



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Coppie di parametri indipendenti normalmente utilizzate:

σmax, σmin

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σmax, σmin

σa, σm



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σmax, σmin

σa, σm

R, ∆σ

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Tipi di ciclo (1/3)

σAlterno

simmetricoR=-1

t



25

Tipi di ciclo (2/3)

σAlterno

simmetricoR=-1

Ripetuto di trazione

R=0

Ripetuto di compressione

R=-∞

t

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Pulsante di compressione

R>1

Tipi di ciclo (3/3)

σAlterno

simmetricoR=-1

Pulsante di trazione1>R>0

Ripetuto di trazione

R=0

Ripetuto di compressione

R=-∞

t



Introduzione

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Fasi della fatica (1/3)

Il fenomeno fatica si divide in tre fasi:Nucleazione (delle cricche)



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Il fenomeno fatica si divide in tre fasi:Nucleazione (delle cricche)Propagazione (delle cricche)

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Il fenomeno fatica si divide in tre fasi:Nucleazione (delle cricche)Propagazione (delle cricche)Rottura finale (dovuta al raggiungimento di una condizione critica)



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Nucleazione I

» 0.1µm.Superficiemetallica

Scorrimento in un metallo dovuto a carichi ciclici

La cricca nuclea parallelamente alla tensione tangenziale massima

σ σ

32da Suresh S. - Fatigue of materials – Cambridge University Press 1991

Nucleazione II

5µm

σ σ



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propagazione della cricca

Propagazione

La cricca propaga ortogonalmente alla tensione principale

massima

superficie liberaσ

σ

34

Propagazione e sollecitazioni

A

B

C

D

N

Scorrimenti

Difetti microscopici

Difetti non propagantiDifetti visibili con PND

Difetti visibili ad occhio nudo

Difetti visibili che si propagano

Rottura

Solle

cita

zion

e

A

B

C

D

N

Scorrimenti

Difetti microscopici

Difetti non propagantiDifetti visibili con PND

Difetti visibili ad occhio nudo

Difetti visibili che si propagano

Rottura

Solle

cita

zion

e



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basse alte

Tensioni nominali

Trazione e trazione compressione

basse alte

Piastre, con e senza intagli, soggette a carico assiale.

Tipi di superficie di frattura I

36

Esempio superficie di frattura I

Carico assiale piastra saldata

da http://www.naoe.eng.osaka-u.ac.jp/eng/facilities

Beach marks



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Tipi di superficie di frattura II (1/2)

Sezioni circolari soggette a tensioni normali

Carichi assiali

Tensioni nominali

basse alte

38da http://www.rsime.com

Esempio superficie di frattura II

Carichi assiali



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Tipi di superficie di frattura III (1/2)

Sezioni circolari soggette a tensioni normaliTensioni nominali

basse alte

Flessione piana unidirezionale

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Tipi di superficie di frattura III (2/2)

Tensioni nominali

basse alte

Flessione piana unidirezionale Flessione piana alternata

Tensioni nominali

basse alte




41

Esempio superficie di frattura III

Haibach - 1989

Flessione piananucleazione

propagazione

Rottura Finale(aspetto fragile)

Beach marks

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Tipi di superficie di frattura IV


Flessione rotante

Tensioni nominali

basse alte



43

Esempio superficie di frattura IV

Flessione rotante e torsione costante

44

Tipi di superficie di frattura V

Sezioni circolari soggette a torsione

45°



45

Esempio superficie di frattura Va

Torsione alternata

46

da http://www.dim.unipd.it

/fatigueteam/

da http://www.ryerson.ca/~avarvani/research.html

Torsione alternata

Esempio superficie di frattura Vb

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