Leghe per impieghi innovativi e per la manifattura additiva

Il valore critico di K per il danneggiamento a fatica

Il valore di K corrisponde al momento in cui diventa significativo il danneggiamento a fatica. In particolare, K è il valore corrispondente alla frattura del componente che contiene una cricca di lunghezza iniziale "ammissibile". La lunghezza ammissibile è di solito il valore minimo osservabile con metodi di indagine non distruttivi come i raggi X.

Il calcolo di K è necessario per determinare la sollecitazione massima ammissibile (K / (√πa)) e la lunghezza massima ammissibile della cricca ((1/π)(K/σ)^2).

È importante notare che una volta innescato, il meccanismo a fatica non può essere fermato ma solo rallentato.

Per calcolare il valore critico della lunghezza massima ammissibile della cricca (applicando il carico massimo ammissibile), si utilizza la formula inversa di K: 1/K = 1.5.

Oltre il valore critico di K, il danneggiamento a fatica diventa significativo.

valore di a , la cricca si propaga sicuramente e, di conseguenza, il materiale sicplasticizza.Il fattore R che si trova all'interno della formula è pari a σ·1.5; 1.5 è il coefficiente dissicurezza che viene messo in fase di progettazione a tutela del progettista.NB: a parità di carico, il materiale più resistente può avere una sezione più piccola.NB: MPa = N/mm (σ).2La fatica meccanica è vista come la risultante del degrado di un materiale sottoposto adelle sollecitazioni minori della σ per un certo periodo di tempo. Quando si parla di faticasmeccanica, l'unico parametro del materiale da tenere sotto controllo è σ , il quale varia discontinuo (decresce) a causa della formazione di cricche. Quindi, il carico ammissibile K , alICdecrescere di σ , cala; se riuscissi a plottare l'andamento di σ (e, quindi, l'andamento di K )s s ICin relazione al numero di cicli a fatica,

avrei la chiave per determinare il momento in cui bisogna sostituire il componente. Tutti questi meccanismi vengono simulati in laboratorio al fine di sapere il degrado di snervamento e, quindi, per poter agire predittivamente. La ricerca del numero di cicli ammissibili non tiene conto del reale tempo di esercizio e dell'aspetto ambientale (corrosione, escursione termica). La fatica nei metalli: micromeccanismi 1 Si definisce fatica meccanica una sollecitazione continua e variabile (in termini di intensità) nel tempo. La curva σ - ε riguarda una variazione di carico e allungamento che potremmo definire STATICA (perché la curva è unica). Invece, nel caso della fatica, si considera una ciclicità di sollecitazione e, quindi, la visualizzazione della risposta meccanica del materiale sarà un po' diversa. Tra le cause di cedimento dei materiali, la fatica meccanica possiede un'importanza rilevante; infatti, la percentuale di rotturadei materiali a causa della fatica meccanica è molto maggiore rispetto alle altre cause (corrosione, sovraccarico, ecc...). Ad esempio, nel caso dei velivoli, la fatica meccanica causa più del 50% dei cedimenti. Per modellare il comportamento meccanico a fatica di un materiale e, quindi, per rappresentare la variazione nel tempo della sollecitazione esterna (σ) a cui è sottoposto, si utilizza, per semplicità, una sinusoide che prevede un'oscillazione tra i valori di carico massimi e minimi. Dunque, si parla di fatica meccanica quando il materiale viene caricato e scaricato continuamente. In particolare, per fatica meccanica si intende il degrado progressivo delle caratteristiche meccaniche del materiale; in condizioni di esercizio, il materiale sarà sottoposto a delle sollecitazioni inferiori al valore del suo σ ma, col passare del tempo, l'intensità di quest'ultimo tenderà a diminuire e, di conseguenza, permetteràai valori di sollecitazione esterna di avvicinarsi ad esso. Il degrado per fatica meccanica, pur considerando delle sollecitazioni al di sotto di σ, porterà ad avere una componente di deformazione plastica (∆ε) durante l'applicazione della sollecitazione periodica; quando ciò avviene, vuol dire che il materiale è a fine vita! A causa della componente di deformazione plastica che si genera nel materiale in esercizio per mezzo della fatica meccanica si provoca un ciclo di isteresi della tensione applicata: dato che una quota parte della deformazione che il materiale subisce è plastica (e non elastica ∆ε), il materiale si deformerà, in parte, in maniera irreversibile; a causa di ciò, dopo l'applicazione di un certo carico, il materiale in questione conserverà la quota parte della deformazione plastica e, di conseguenza, nel carico successivo la deformazione iniziale non sarà nulla. Per questo motivo,

L'attenzione maggiore sarà rivolta sulla componente di deformazione plastica, in quanto è quella che, a differenza della componente elastica, ci da problemi.

L'affaticamento del materiale metallico può avvenire secondo 2 meccanismi:

• meccanismo di indurimento: il materiale è soggetto ad indurimento ciclico in una prova a controllo di deformazione (la deformazione per ciclo viene imposta); in particolare, il materiale sta generando ostacoli allo scorrimento delle dislocazioni (sta plasticizzando) e, quindi, la tensione di snervamento aumenta di ciclo in ciclo.
• meccanismo di addolcimento: il materiale è soggetto all'addolcimento ciclico in una prova a controllo di deformazione (la deformazione per ciclo viene imposta); anche l'addolcimento provoca la plasticizzazione del materiale ma, a differenza del meccanismo di indurimento, causa una diminuzione (anziché un aumento) ciclo dopo ciclo della tensione di snervamento.

Quindi,

entrambi i meccanismi sono da evitare (perché entrambi causano la plasticizzazione del materiale). NB: è fondamentale determinare il numero massimo di cicli che un materiale può sopportare in condizioni di esercizio, in quanto esisterà un ciclo finale, detto "ciclo massimo ammissibile", oltre il quale è bene non andare perché vuol dire che la plasticizzazione del materiale è già avvenuta e, quindi, che le caratteristiche meccaniche del materiale non sono più quelle di prima. Esistono diverse modalità con cui si genera la frattura per fatica meccanica; in particolare, i meccanismi di iniziazione della cricca sono: 1. iniziazione transgranulare sulla superficie: è generata dalle asperità superficiali (rugosità) del componente. La finitura superficiale di un componente metallico quasi sempre incide sulla resistenza meccanica a fatica del componente stesso; in particolare, più la rugositàè elevata, più la velocità di propagazione di fessuratransgranulare aumenta. 2. iniziazione intergranulare sulla superficie: può essere di due tipi: - la tipologia che segue i bordi grano e procede dalla superficie verso l'interno. - La tipologia che parte dai punti tripli (punti di congiunzione di 3 o più grani), ovvero da zone ad alta concentrazione dislocativa che sono soggette a incrudimento locale. 3. iniziazione per inclusioni: la cricca parte dalla superficie del componente e va verso l'interno; avviene quando c'è già una fessura presente sulla superficie del componente. 4. iniziazione per inclusioni interne al materiale 5. iniziazione dovuta a inclusioni a bordo grano 6. iniziazione sul bordo grano: è come la seconda tipologia. Le fasi di propagazione della cricca sono due (stadi): - 1° stadio: avviene l'innesco della cricca lungo direzioni cristallografiche bene precise. - 2° stadio: la cricca si propaga attraverso il materiale.

La propagazione della cricca avviene anche in direzioni perpendicolari a quelle di innesco.

Le immagini al microscopio ottico forniscono informazioni molto importanti sulla modalità di rottura per fatica.

Riconoscere che una frattura di un metallo è dovuta a un comportamento a fatica serve per capire quali sono le condizioni al contorno che hanno determinato quel cedimento; possono essere ambientali, di carico non adeguato nel tempo, se ho esagerato a tenere in esercizio quel componente, ecc...

Gli studi sulla fatica dei materiali sono detti "post mortem". In particolare, quando un pezzo si rompe prematuramente, ovvero molto prima del ciclo vita che mi sarei aspettato, è necessario analizzare le condizioni per le quali si è verificato il cedimento. Tutto questo viene fatto in modo tale da poter realizzare una nuova linea di progettazione che eviterà la rottura per l'insorgenza di fatica dovuta alla presenza di quei parametri che

horiconosciuto come causa di cedimento per fatica. La fatica nei metalli: micromeccanismi 2 (parte 1)

La fatica meccanica ha l'effetto di "abbassare" la tensione di snervamento di un metallo al diminuire della sezione utile.

Il materiale resiste fintanto che la sezione utile lo permette; questo perché, dato che σ=F/Se la forza che agisce sul materiale è costante, al diminuire della sezione la sollecitazione che il materiale subisce aumenta, ovvero aumenta il requisito meccanico di resistenza del materiale; in particolare, la sezione si riduce a causa degli scollamenti. Il processo continua fintanto che non avviene la frattura plastica.

L'analisi macroscopica delle superfici di frattura per fatica è uno strumento predittivo che serve per calcolare la durata della vita a fatica di un componente.

Le superfici di frattura appaiono sempre nello stesso modo, ovvero suddivise in tre zone:

• Zona d'innesco della cricca (o del danneggiamento)
generale, i principali elementi da formattare sono: - Utilizzare il tag
per elencare gli elementi con il simbolo "•". Ad esempio:
• Spiaggiamenti macroscopici
• Estensione della zona di frattura
- Utilizzare il tag

per formattare i paragrafi. Ad esempio:

È bene ricordare inoltre che ci può essere anche una seconda zona d'innesco.

- Utilizzare il tag per evidenziare il testo in grassetto. Ad esempio:

NB: gli spiaggiamenti macroscopici identificano gli N cicli del materiale affinché questo arrivi a rottura.

- Utilizzare il tag per evidenziare il testo in corsivo. Ad esempio:

Inoltre, gli spiaggiamenti possono essere visualizzati anche con superfici di fatica "floreali" (o "a petalo"), che si verificano nel momento in cui si ha un innesco e la cricca si propaga in tante direzioni.

- Utilizzare il tag

per i titoli di sezione. Ad esempio:

La fatica nei metalli: micromeccanismi 2 (parte 2)

- Utilizzare il tag per inserire immagini. Ad esempio: - Utilizzare il tag per creare link. Ad esempio: Testo del link Ricorda di chiudere correttamente tutti i tag utilizzati.