Failure in different fields of engineering

Failure in different fields of engineering fallimento/cedimento nei diversi campi dell’ingegneria

Introduzione

Differenti comportamenti a cedimento. Ci sono tre diverse classificazioni di fallimenti.

Classificazione per guasto meccanico:

1. Fallimento per cedimento duttile e fragile;
2. Fallimento a fatica;
3. Fallimento ad usura;
4. Fallimento a creep;
5. Altri meccanismi simili.

Classificazione per fallimenti ambientali:

1. Fallimento per corrosione;
2. Fallimento per corrosione-erosione.

Classificazione per fallimento meccanico-ambientale, è per combinazione delle due classificazioni precedenti:

1. Tenso-corrosione;
2. Infragilimento da idrogeno;
3. Infragilimento da metallo liquido;
4. Fatica da corrosione;
5. Fatica da sfregamento.

Il meccanismo più importante di rottura è quello a fatica, che è una combinazione e inclusione di tutti i meccanismi: più del 90% dei cedimenti è dovuto alla fatica.

Importanza del cedimento a fatica

La necessità di inizio del meccanismo di cedimento a fatica. Utilizzo di materiali in ingegneria è sempre accompagnato da problemi. Ad esempio, uno dei problemi è la deformazione dei materiali.

All'inizio dell'età del bronzo e del ferro rafforzare la produzione e la modellazione dei materiali era tra gli obiettivi più importanti nella vita umana. Per secoli, lavorare il metallo è stato veramente costoso: lo dimostra il costo di produzione dell’armatura di cavalleria del XIII secolo che era pari al costo di un carro armato nella Seconda guerra mondiale.

Lo sviluppo della lavorazione dei metalli ha portato l’utilizzo dei metalli negli edifici e nelle industrie portando così un aumento rapido della produzione, manufacturing e tanto altro.

I metalli sono ampiamente diffusi ma non c’è sempre stato un utilizzo completamente corretto dei metalli. L’utilizzo di questi metalli in maniera non corretta è stata, nel XIX secolo, la causa di molti incidenti e molte perdite di vite umane. Di seguito vengono descritti alcuni di essi:

1. Uno, nel 1860 e nel 1870 anni incidente sulle ferrovie ha ucciso 200 britannici ogni anno. La maggior parte di questo incidente è stata causata dal fallimento delle ruote, binari o assi del treno. Non adeguatamente progettate.
2. Nel gennaio 1866 il crollo di una parte del tetto della stazione ferroviaria di Manchester ha ucciso due persone. La causa di questo incidente è stata un fallimento da parte di un cast o di un membro.
3. In un precedente 1912, la nave del Titanic si schiantò con un iceberg molto grande e affondò in meno di tre ore. In un momento, più di 2.200 passeggeri e membri dell'equipaggio erano a bordo del Titanic, solo 705 sopravvissero. Secondo i progettisti e i costruttori del Titanic, anche nel peggior incidente possibile in mare, la nave sarebbe dovuta restare a galla per due o tre giorni. Al momento della sua costruzione, il Titanic era la più grande nave mai costruita, che pesava ben 46.000 tonnellate. Quando il Titanic si è schiantato con l'iceberg, l'acciaio cavo e il rivetto (saldatura) in ferro battuto sono ceduti a causa di una frattura fragile.

La frattura fragile è una tipologia di guasto catastrofico nei materiali strutturali, che comporta una vera e propria frattura del materiale senza che si verifichi una preventiva deformazione plastica, pertanto avviene a velocità estremamente elevate.

Le cause della frattura fragile includono la pressione bassa, un elevato carico da alto impatto e alto contenuto di zolfo. Nella notte del disastro del Titanic ciascuno di questi tre fattori erano presenti. La temperatura dell'acqua era sotto lo zero. Il Titanic stava viaggiando ad una velocità elevata all'impatto con l'iceberg, e l'acciaio cavo conteneva alti livelli di zolfo.

4. Nel marzo 1975, circa 700 persone erano riunite a guardare una gara in barca sul ponte sospeso di Montreux. Uno delle catene del ponte ha ceduto e molte persone sono morte. Alcuni di questi eventi probabilmente si sono verificati a causa di un design/progettazione scadente ed errata, in seguito si è scoperto che la causa principale è stata la cricca nel materiale del ponte che pian piano è cresciuto fino a portare al cedimento.

Il cedimento a fatica

Da un punto di vista storico, il cedimento per fatica è stato osservato per la prima volta sugli assi dei treni e i componenti di motori a vapore sottoposti a forze esterne periodiche. Wöhler ha condotto i primi esperimenti dal 1852 al 1870.

Intorno al 1900, un microscopio ottico fu utilizzato per individuare il meccanismo di fatica. Nel 1920, Goff, insieme a diversi altri studiosi, indagarono a fondo il meccanismo della fatica. Questi mostrarono anche gli effetti del carico combinato a flessione e torsione, fatica multi-assiale.

Nel 1920, Griffith dimostrò che la resistenza del vetro dipendeva dalla dimensione delle sue crepe microscopiche. Si dimostra che se individuiamo la sollecitazione √ nominale a 4 punti diversi di rottura con S e si indica con la dimensione della cricca, la relazione è sempre costante. Griffith fu chiamato il "padre della meccanica del cedimento".

Durante gli anni '30, con l'introduzione delle operazioni di pallinatura nell'industria automobilistica industria automobilistica, si ottenne un significativo successo pratico per quanto riguarda le rotture a fatica di molle e alberi, che fino ad allora erano comuni, erano raramente successive. Dopo Almen spiegò con precisione le modifiche significative apportate agli strati superficiali dei campioni pallinati, grazie all’introduzione dunque di sollecitazioni di compressione residue.

Durante la Seconda guerra mondiale, l'uso delle tensioni residue di compressione divenne comune nella progettazione di motori di aerei e veicoli blindati. Inoltre, molti dei cedimenti fragili in magazzini e navi saldate hanno indotto uno sforzo ulteriore di base alla ricerca di difetti iniziali sotto forma di cricche ed effetti di concentrazione delle sollecitazioni. In generale, queste tipologie di cedimento parte dagli angoli di finestre quadrilaterali o tagli rettangolari e da saldature.

Nel 1945, Miner ha presentato un criterio di accumulazione del danno da fatica lineare: regola di Palmgren-Miner. Questo criterio è ampiamente usato nella progettazione della fatica. Inoltre, nonostante le sue molte debolezze, è ancora usato come importante strumento per prevedere la vita a fatica dei componenti.

Nei primi anni '50, era ormai noto a tutti che senza una completa comprensione del processo di fatica senza lo studio sistematico della natura generale del processo di fatica e le sue fasi, ulteriori progressi nella progettazione di un design sicuro a fatica non sarebbe stato possibile. La questione di una maggiore affidabilità e durata delle macchine e delle strutture rafforza questa tendenza.

Esempi di cedimenti a fatica

Esempi di cedimenti a fatica, base delle istruzioni per il cedimento meccanico.

L'aereo Comet dopo aver superato 300 ore di volo, finalmente completa il suo primo servizio aereo nel maggio 1952. Ma cade nel Mar Mediterraneo nel gennaio 1954. Cedimento a fatica a causa della pressione instaurata dalla cabina.

I sensori S Rank gate, SRG, sono stati installati nella posizione di fessurazione vicino alla finestra, dove è mostrata la distribuzione delle tensioni nella zona attraverso estensimetri. Il massimo SRS era circa 197 megapascal. È trovato che le crepe iniziavano dagli angoli di una finestra quadrata. L’obiettivo è stato di presentare una nuova finestra di progettazione per l’aereo per ridurre la concentrazione SRS, quindi con angoli meno spigolosi e una finestra non più quadrata ma ovale.

Cedimento a fatica in una piccola vite può anche causare il collasso di un ponte. Una piccola cricca in un angolo di finestra di un aereo, può portare la caduta dell’aereo. È necessaria una speciale attenzione a questi fenomeni, le loro conseguenze se non trattate possono portare a catastrofi, e dunque maggiore necessità di design di ogni singolo componente e struttura.

Concetti del fenomeno di fatica

Osservando il semplice corpo umano si vedono gli effetti della “fatica”. Fatica di un soggetto nel momento in cui è stanco dal punto di vista mentale, fisico, per effetto di diverse condizioni. Questo è un semplice fenomeno di fatica.

Il ripetersi di una serie di attività, fatte per molto tempo e molte volte, porta alla fatica del soggetto. Non c’è problema se si deve fare quelle attività ma per poco tempo. Il salire le scale: cinque volte al giorno contro cento volte al giorno, diventa stancante. Qualsiasi attività fatta continuità porta fatica. Ciò dipende certamente da tanti fattori: età, esercizi, ambiente e altri fattori.

Similmente, i fenomeni di fatica si verificano nei materiali sotto carichi che sono anche minori rispetto i carichi di rottura del materiale. Ciò dipende da diversi fattori nei materiali, che riguardando: la struttura interna, il metodo di produzione, il trattamento termico e le condizioni di specie.

I fattori sono tanti, un cedimento a fatica è difficile da ripetere nelle stesse condizioni, ci sono fattori troppo dispersivi. Anche sotto le stesse condizioni di simulazioni a fatica, il cedimento non si verificherà in ugual modo.

Similitudine con il cervello umano. Due persone che devono fare la stessa attività, con uguali parametri e caratteristiche fisiche. Ognuno di questi risentirà della fatica in maniera diversa. Ciò dipende dalle motivazioni nel fare quell’attività, competizione con un premio. Come risultato i fenomeni a fatica, così come i comportamenti del cervello umano, sono dispersivi nelle loro manifestazioni.

Fasi del fenomeno della fatica nei metalli

Fasi del fenomeno della fatica nei metalli, comparazione con il diabete.

Il cedimento a fatica dal punto di vista medico presenta tre diverse fasi:

1. Inizialmente i primi segni di fatica appaiono nel corpo;
2. Aumento della gravità dei sintomi, che crescono e diventano un problema progressivo che si sviluppa costantemente;
3. Infine, il fallimento improvviso a causa di ingrandimento eccessivo del problema: non vi è più l'energia necessaria per superarlo, e ciò può portare alla morte del corpo o membro di questo, tessuto, organo.

Esempio del diabete

Per esempio, si consideri una persona che presenta un alto indice di zucchero nel sangue a causa di un'alimentazione inadeguata e di scarso esercizio fisico. Da un punto di vista medico, ciò mostra i primi segni di una potenziale insorgenza di diabete. È il primo stadio della fatica.

Se non viene seguito un trattamento adeguato e il paziente continua nelle sue cattive abitudini, dopo qualche tempo questo indicatore passa la linea di allarme e la persona inizia ad essere effettivamente diabetico a causa dei problemi relativi o al pancreas o ai trasportatori GLUT. Questo è l'inizio della fase secondaria della fatica.

Questa malattia non ha un trattamento definitivo e cresce rapidamente, colpendo le cellule del corpo. Naturalmente, può essere controllato con il trattamento e l'assunzione di farmaci come l'insulina. Raggiunto però lo stadio due non si può regredire allo stadio 1, si può solo mantenere stabile o progredire nella malattia.

Il terzo stadio nei pazienti diabetici, a causa di tutte le complicanze del diabete a livello arterioso e così via, può essere l’amputazione. In genere, data la condizione di crescita e i segni nel corpo, i medici specialisti sono in grado di prevedere i tempi di questo evento. Ma questo accade abbastanza improvvisamente e senza alcun preavviso. Questo significa che una persona cammina oggi, ma domani si aggrava improvvisamente e dunque potrebbe andare in contro ad amputazione.

Similmente, le stesse tre fasi possono essere osservate nel cedimento dei materiali sotto un carico ciclico:

1. L'inizio della frattura, con instaurazione della cricca;
2. La propagazione della cricca, che si allarga sotto continuo stress;
3. Il cedimento improvviso.

Le fratture sono prevedibili, ma una volta che la cricca raggiunge la dimensione critica, il tasso di crescita della cricca è veloce tanto quanto la velocità della luce e si verifica così la frattura fragile.

Un esempio semplice e pratico di fatica in un metallo nella vita umana è quello di tagliare il filo di rame sottile, senza l'uso di strumento ma utilizzando semplicemente le mani: si prendono i due estremi, e si inizia a piegare il filo, si esegue l'operazione di piegatura e distensione con regolarità. In altre parole, si sta applicando un carico ciclico. Dopo averlo fatto diverse volte, l'effetto della rottura in-shell può essere visto in quel punto. Si rompe per effetto a fatica della propagazione di una cricca.

I diversi metodi per migliorare la vita a fatica dei metalli

Ci sono vari modi per ritardare la sensazione di fatica nel corpo umano, che dipende dalle condizioni del corpo di ogni persona, dalla quantità di lavoro, dalla difficoltà del lavoro e dagli interessi personali. Questi metodi sono divisi in due gruppi generali:

1. Trattamento prima del primo stadio;
2. Trattamento dopo il secondo stadio.

Esame difficile, se si sta svegli tutta la notte, non è detto che sia semplice, dipende da tanti aspetti che conferiscono all’individuo un certo livello di energia. Se si è già a conoscenza dell’intenzione di stare alzati la notte, si fa una “prevenzione” con assunzione, ad esempio, di cibo opportuno o medicine che aiutino allo scopo, per non far sentire la stanchezza.

Alcuni individui però continuano nelle loro attività anche se si ha un certo sentore di stanchezza, dunque si interviene nel secondo stadio, tentando di far diminuire la stanchezza: una camminata all’aria fresca, una doccia e così via.

Metodi di ritardo alla fatica nei materiali

Metodi di ritardo alla fatica nei materiali:

1. Prima dell’inizio della cricca;
2. Dopo l’inizio e propagazione della cricca.

Il primo metodo sta nell’intervenire prima che la cricca si crei. Ciò è possibile intervenendo attraverso:

• Trattamenti di indurimento della superficie;
• Trattamenti di calore;
• Operazioni di rolling, laminazione/rollatura;
• Processo di pallinatura.

Questi possono servire per creare ad esempio tensioni residue di compressione alla superficie. Quando si parla di ristrutturazione del materiale, si fa riferimento ad una rifinitura della dimensione dei grani in superficie. In genere la cricca di fatica è sempre associata alla superficie.

Il secondo metodo si utilizza dopo la generazione della cricca. Viene osservata la cricca sotto diversi aspetti. Si interviene attraverso:

• La tecnica di creazione di fori di arresto. Si fora con uno specifico diametro ad una specifica distanza dalla cricca, per ridurre il campo di distribuzione degli stress e la concentrazione degli sforzi.
• Utilizzando patchs di compositi. Dei materiali compositi sono posti sulla cricca per prevenire l’apertura sotto carico della cricca.
• Metodo della pallinatura per interrompere il campo di deformazione plastica e creare stress residue di compressione.

Gli obiettivi sono quelli di ridurre la velocità di crescita della cricca. Ciò ha un impatto nel miglioramento della vita a fatica dei materiali.

Diversi esempi di fatica nei campi dell’ingegneria

Il fenomeno della fatica non è limitato all'ingegneria meccanica e dei materiali. Questo fenomeno si verifica in tutti i campi tecnici e industriali, che si occupano di migliorare i materiali, prevenire guasto e i suoi possibili danni finanziari e di anche eventuale mortalità che può portare dipende in che campo facciamo riferimento. Di seguito vengono presentati brevemente diversi esempi in vari campi dell'ingegneria.

Il primo campo è l'ingegneria meccanica. Esempi sono il collegamento e la trasmissione di potenza. I giunti/collegamenti non permanenti sono i più comunemente usati, tra questi abbiamo il bullone che può essere sottoposto a diversi carichi ciclici come trazione, flessione, torsione o combinazione di essi in un sistema dinamico.

Varie piccole crepe microscopiche nella struttura metallica del bullone sono di solito causate dalle tecniche di produzione della testa del bullone o dall'effetto dello stress applicato dal momento di rotazione, per l’avvitamento. Queste crepe aumentano gradualmente sotto il carico ciclico e il collegamento può fallire improvvisamente, con l'area della sezione trasversale e la forza che vanno diminuendo fino a rottura.

Nel caso della trasmissione di potenza si può parlare degli ingranaggi. In generale, gli ingranaggi presentano diverse tasks, ovvero di aumentare la coppia applicata dal motore all'attrezzatura motrice e anche di ridurre la velocità del motore, oltre che cambiare la direzione dell'albero Rotary.

Questa apparecchiatura può essere realizzata tramite cinghie, catene o attraverso la biella cava. Ci sono diversi tipi di ingranaggi classificati in base alla loro forma, geometria. I progettisti delle auto devono sempre tenere in considerazione la fatica ed eventuale rottura di questi ingranaggi, progettando così il funzionamento dei prodotti anche per tempi di utilizzo più elevati rispetto al necessario.

Classificazione della fatica degli ingranaggi secondo l'associazione americana:

• Usura;
• Fatica superficiale;
• Flusso plastico o deformazione plastica;
• Fallimento della ruota dentata;
• Un cinque combinazione di minimo due gruppi di cui sopra.

Ognuno di questi gruppi è stato diviso in diversi sottogruppi. In generale, ci sono 18 tipi di ingranaggi. Per analizzare il danno verificatosi all’ingranaggio è importante effettuare l’analisi della superficie, altrimenti la causa della fatica può essere determinato e corretto. Un ingranaggio che lavora a velocità