Corso di Metallurgia: Fatica e Prove di Fatica (PDF)

Corso di Metallurgia Fatica e prove di fatica  Esempi di rotture per fatica Caratteristiche: assenza di deformazione plastica, tempi di rottura da pochi a milioni di cicli 2  Perché si incominciò a studi...

Corso di Metallurgia Fatica e prove di fatica  Esempi di rotture per fatica Caratteristiche: assenza di deformazione plastica, tempi di rottura da pochi a milioni di cicli 2  Perché si incominciò a studiare la fatica meccanica? Quello che incuriosiva maggiormente gli studiosi era il fatto che queste strutture in acciaio andavano incontro a cedimenti improvvisi e simili a quelli riscontrabili in materiali fragili e ciò nonostante i componenti fossero stati dimensionati correttamente dal punto vista statico. 3 La fatica è uno dei principali meccanismi di cedimento dei componenti meccanici insieme a: Danneggiamenti per corrosione Cedimenti per usura La fatica da sola rappresenta circa il 50% del totale delle rotture 4 Per i componenti sollecitati ciclicamente NON è sufficiente progettare ipotizzando condizioni statiche e rotture per sovraccarico, ma è necessario prevedere il dimensionamento a fatica. 5 Per componenti che operano in presenza di carichi ciclici non è più sufficiente il dimensionamento statico 6 …. in questi casi serve il dimensionamento a fatica 7 Il danneggiamento per fatica si presenta ogni volta che un pezzo viene sottoposto a sforzi variabili e ripetuti nel tempo, sforzi che possono provocare la rottura se il numero dei cicli è sufficientemente alto, pur essendo il valore massimo degli sforzi molto minore di quello di snervamento in condizioni statiche. Prova di trazione Gancio o fune si possono danneggiare con rottura per sovraccarico se sono sollecitati per lungo tempo in condizioni di carico costante con una forza applicata sempre e comunque inferiore a quella che provoca snervamento? 8 Gancio o fune si possono danneggiare con rottura per fatica se sono sollecitati per lungo tempo in condizioni di carico variabile a seconda delle esigenze di esercizio ma sempre con una forza applicata inferiore allo snervamento? Prova di trazione 9 10 Per il dimensionamento statico (sovraccarico) è necessario conoscere le proprietà del materiale con prova di trazione  Per problematiche di fragilità e anche per passaggi da comportamento duttile a fragile si ricorre a prove dinamiche come la prova di resilienza. 11 In presenza di carichi variabili e ripetuti nel tempo si ricorre al dimensionamento a fatica. 12 Gli elementi meccanici sono spesso soggetti a sollecitazioni che variano nel tempo in modo ciclico: molle funi fatica steli di bielle fatica da contatto alberi fatica termica ingranaggi fatica-corrosione ……. carlinga/ali aerei Nel 1988 il Boeing B737-200 della Aloha Airlines (Isole Hawaii) perse parte della fusoliera a causa del cedimento per fatica-corrosione. 13  Come si presenta una superficie di frattura per fatica? FNM - Stazione di Albate Camerlate (2004) La rottura per fatica è caratterizzata dalla successione dei seguenti tre stadi: Innesco Propagazione Cedimento finale 14 Come si rompe un pezzo per fatica? In una struttura sottoposta ad un carico ciclico il cedimento è causato dall’avanzamento progressivo di una cricca che propagando causa il cedimento del pezzo. Innesco Propagazione 15  Innesco Formazione di bande di scorrimento (insieme di piani cristallografici favorevolmente orientati lungo i quali si localizza la deformazione plastica). Formazione di “microintagli superficiali” MICRO-INTRUSIONI Formazione di “microsporgenze superficiali” ESTRUSIONI Superficie iniziale La fase di innesco (fase I) occupa in genere una porzione piuttosto elevata della vita a fatica del materiale. L’innesco ha luogo nel punto maggiormente sollecitato (es. fori, filettature, ecc.) o dove sono presenti difetti (es. inclusioni, porosità da ritiro, ecc.). 16  Propagazione La crescita della cricca nella fase II - Propagazione avviene in genere in modo transgranulare e la direzione di propagazione inizialmente a 45° rispetto alla sollecitazione (stadio I) tende a diventare ortogonale (stadio II). Micro-striature di fatica Se su una superficie di frattura si evidenziano micro-striature la rottura è sicuramente associabile alla fatica. Stadio II della propagazione 17 Cedimento finale La fase III - cedimento finale di una rottura per fatica è caratterizzata dal raggiungimento di una sezione resistente non più in grado di sostenere le sollecitazioni applicate. Raggiunta la sezione critica si ha cedimento di schianto di tipo duttile o fragile in funzione del materiale/microstruttura e condizioni di lavoro → rottura finale per sovraccarico. Micro-striature + Nella zona di propagazione a fatica con opportuni ingrandimenti (microscopio a scansione) sono osservabili le microstriature mentre le linee di spiaggia, se presenti, si osservano ad occhio nudo e sono riconducibili a funzionamento discontinuo o a repentine variazioni di sollecitazione. 18 Come posso migliorare il comportamento a fatica? 1. Capire come innesca e come propaga una cricca per fatica 2. Adottare tutte le misure per ritardare l’innesco e/o ridurre la velocità di propagazione Il tempo di cedimento finale è trascurabile rispetto al tempo di innesco e di propagazione di una rottura per fatica. In condizioni di sollecitazioni a fatica sono possibili controlli del danno durante l’esercizio (controlli non distruttivi). Esempio: controllo della presenza di difetti affioranti in superficie con utilizzo di liquidi penetranti. 19  Superficie di frattura: Micro-striature di fatica fase di propagazione Dimensioni nell’ordine de micron, osservabili ad alto ingrandimento, formazione ad ogni ciclo di carico. Linee di spiaggia Funzionamento discontinuo, linee riconducibili al fermo macchina osservabili ad esame visivo senza utilizzo di particolari ingrandimenti. NB. sulla superficie di frattura per fatica le microstriature sono (quasi) sempre presenti, mentre le linee di arresto (di spiaggia) si osservano solo in presenza di funzionamenti discontinui o variazioni repentine del carico. 20 pedivella fune Innesco singolo Inneschi multipli 21  Simbologia associata alle condizioni di carico in una prova di fatica Il ciclo di carico, che nel caso della figura è considerato sinusoidale, può essere caratterizzato con diversi parametri: σ max + σ min Sforzo medio: σ m = Intervallo: σr = σmax − σmin 2 σ r σ max − σ min σ min Ampiezza: σ a = = Rapporto di carico: R = 2 2 σ max Esempio di un ciclo di fatica con andamento sinusoidale delle sollecitazioni 22 L’ipotesi di sollecitazioni con andamento sinusoidale nel tempo è rappresentativa dei casi reali? sollecitazione tempo Nei componenti reali sollecitati a fatica spesso le sollecitazioni presentano un andamento che non è sinusoidale nel tempo. In figura è riprodotto un esempio di sollecitazione con cicli di carico variabile che simula una condizione di carico di un’ala di un aereo. 23  Le prove di laboratorio hanno lo scopo di riprodurre (in modo approssimato) le sollecitazioni che si verificano nella pratica. sollecitazione sollecitazione tempo periodo tempo (ciclo) sollecitazione sollecitazione tempo tempo Lo scopo è quello di determinare il limite a fatica del materiale. Per limite di fatica si intende quel valore di sforzo alternato (MPa) che il materiale può sopportare senza rompersi per un numero prefissato di cicli (es. vita infinita > 106 cicli - 108 cicli). La soglia di vita infinita fissata ad inizio prova dipende dal materiale e/o dalle condizioni di esercizio. N.B. diversa sarà la soglia nel caso di un componente per auto da corsa o per un’auto di produzione di serie. 24  Prove di fatica: macchine di prova e provette Flessione rotante Fatica pulsante (Trazione - Compressione) Le provette di fatica non hanno un’unica geometria, ma hanno dei vincoli definiti dalle normative. Tra questi, sono particolarmente rigorosi e vincolanti i limiti di rugosità (es. Ra=0,3 m - campioni lucidati). 25  Prove di fatica: macchine di prova e provette F/2 F/2 Momento flettente: Ln N NB: per definire il limite di fatica di un materiale servono un numero di Prova di fatica flessionale provette superiori a quelle necessarie per definire il carico di rottura a Attrezzaggio per l’esecuzione di prove di fatica flessionale su 4 trazione → prove più lunghe e costose. appoggi 26 Condizioni di carico Fatica a flessione rotante sforzi semplici: (es. assili ferroviari) trazione-compressione Fatica assiale pulsante (es. pilastri in c.a., tiranti presse) flessione Fatica torsionale alternata torsione (es. fili per funi) provini di forma semplice Flessione rotante Flessione piana Assiale Torsionale La condizione di carico deve avvicinarsi il più possibile a quella di esercizio. NB: fissato il materiale, il limite di fatica cambia in funzione del tipo di sollecitazione applicata. 27 Effetto della modalità di carico e di discontinuità (intagli) sulla posizione di innesco della rottura per fatica Grigio scuro = sovraccarico NB: per una caratterizzazione a fatica bisogna utilizzare condizioni di carico il più possibile prossime a quelle di esercizio!! 28 Costruzione della curva a - log N o curva di Wöhler No rotture Ad ogni livello di sforzo alternato corrispondono diversi valori di numero di cicli a rottura con numeri progressivamente crescenti al diminuire della sollecitazione (NB: elevata dispersione dei risultati). Esiste un livello di sforzo sotto il quale per il numero di cicli considerato vita infinita il provino non si rompe → limite di fatica a vita infinita. 29  Curva di Wöhler Interpolazione dei dati sperimentali Le sollecitazioni 4 e 5 essendo al di sotto del limite di fatica non portano a rottura dei campioni, nonostante le prove vengano protratte per tempi molto lunghi. 30  [MPa] [MPa] In genere, per gli acciai il limite di fatica, Lf viene considerato raggiunto a 5x106 cicli, mentre per le leghe di alluminio, la cui curva di Wöhler non presenta un asintoto orizzontale nemmeno a 107 e 108 cicli di carico. 31  Quali risultati ottengo dalla prova di fatica? Vita a fatica = numero di cicli per il quale si ha il cedimento Resistenza a fatica = il valore dell’ampiezza dello sforzo a per il quale si verifica la rottura dopo N cicli di carico Limite di fatica = il valore dello sforzo a per il quale non si ha rottura per un numero di cicli molto elevato e comunque prefissato all’inizio delle prove σ r σ max − σ min Ampiezza: σa = = 2 2 32 Curva di Wöhler 33  Es. molle Interventi per incrementare la durata? Tipo materiale Tipo di trattamento termico Tipo di finitura superficiale (es. pallinatura) Dimensionamento Condizioni di applicazione delle sollecitazioni 1. Previsionale limite di fatica del materiale da prove di fatica su provette 2. Coefficienti di sicurezza 3. Verifica del comportamento reale del pezzo 34 35 Interventi per migliorare la vita a fatica e ridurre le rotture: ottimizzare il disegno del pezzo, ottimizzare la scelta del materiale (impiego di leghe «pulite»), indurire la superficie, migliorare la finitura superficiale, indurre di tensioni residue superficiali di compressione, proteggere la superficie contro gli attacchi della corrosione, controllare in accettazione i semilavorati e i pezzi finiti, controllare in esercizio. 36 Le zone dove è favorito l’innesco sono quelle dove risultano massime le sollecitazioni di trazione e sono spesso associate a difetti del materiale o a zone superficiali del pezzo dove risulta non trascurabile l’effetto della finitura/rugosità. Rugosità superficiale 37  Effetto delle inclusioni non metalliche Le inclusioni non metalliche possono essere punti delle rotture di fatica. Tanto più accurata sarà la «pulizia» di una lega metallica tanto più elevato, a parità di ciclo produttivo, sarà il suo limite di fatica. 38 In questi casi la nucleazione della cricca di fatica non avviene necessariamente in superficie, ma qualche millimetro al di sotto della superficie, in corrispondenza delle inclusioni non metalliche o di altri difetti (es. porosità). 39 Altri fattori che hanno influenza sulla rottura per fatica Sforzo medio m  un aumento di m riduce la vita a fatica del componente. σ max + σ min Sforzo medio: σ m = 2 40 Altri fattori che hanno influenza sulla rottura per fatica Fattori geometrici  livello di finitura superficiale;  presenza di fori, scanalature, filettature;  variazioni brusche di sezione;  difetti. Cattiva Buona progettazione progettazione 41  Altri fattori che hanno influenza sulla rottura per fatica Fattori geometrici A = provetta non intagliata B = provetta intagliata Effetto di intaglio C = provetta con cricca corta D = provetta con cricca lunga 42  Interventi per migliorare la vita a fatica Trattamenti superficiali  Pallinatura (compressione residua);  Cementazione o nitrurazione (aumento di Rm e tensioni residue di compressione). Ampiezza dello sforzo Dopo pallinatura Normale Cicli a rottura, N (scala logaritmica) Ingranaggio pallinato Ingranaggio cementato 43 Pallinatura gear1 Acciaio HRC=62 Sfere per pallinatura Superficie pallinata 44  Limite di fatica Teorico: limite di fatica tecnologico del materiale, ricavato con la caratterizzazione di provette normate con finitura non sempre corrispondente a quella del pezzo in esercizio e in condizioni di esercizio approssimate Pratico: limite di fatica che conto delle reali condizioni di superficie del pezzo. L’f (pratico) =  Lf (teorico) con  < 1 Sempre più frequentemente vengono richieste prove di fatica sui componenti invece che sulle provette, proprio per tener conto di tutti gli effetti legati alla finitura/forma /stato tensionale del pezzo reale. 45 Esempi di prove di fatica sui componenti reali 46  Come intervenire per evitare rotture per fatica? Attorno al 1950 fu necessario intervenire sulla forma degli oblò degli aerei che da rettangolari furono trasformati obbligatoriamente in ellittici per ridurre le concentrazioni locali di sollecitazioni in grado di innescare una rottura per fatica. Cricche di fatica sulla fusoliera innesco in prossimità degli oblò, causate dalla pressurizzazione della cabina. Risposta: design del componente, scelta del materiale, tecnica di produzione (fino ai trattamenti termici e alla finitura), controlli non distruttivi prima della messa in esercizio e a intervalli prestabiliti durante l’esercizio. 47 Cosa abbiamo imparato Componenti che in esercizio sono sollecitati con carichi ciclici devono essere progettati a fatica. La rottura per fatica innesca e propaga senza deformazioni plastiche osservabili (il danno si determina al di sotto del limite di snervamento). La presenza di difetti/discontinuità del materiale, soprattutto se superficiali, peggiora il comportamento a fatica. La composizione chimica e i trattamenti termici che inducono tensioni residue di compressione superficiali migliorano il comportamento a fatica. I rivestimenti con elevata durezza, non porosi e stato tensionale di compressione migliorano il comportamento a fatica. 48