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.

non c’è sempre stato un utilizzo

I metalli sono ampiamente diffusi ma completamente corretto dei

l’utilizzo di questi metalli in maniera non corretta è stata

metalli. 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 verifica 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

grazie all’introduzione dunque di

pallinati, 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 (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

L’obiettivo è stato di presentare

di una finestra quadrata. 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 areo, 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,

Non c’è problema se si deve fare quelle attività ma per poco tempo. Il

porta alla fatica del soggetto.

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 (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

(tessuto, organo…).

questo

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.

può essere l’amputazione

Il terzo stadio nei pazienti diabetici, a causa di tutte le complicanze del

diabete a livello arterioso e così via. 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 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 stremi,

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:

Prima dell’inizio della cricca;

1. Dopo l’inizio e propagazione della cricca

2.

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

momento di rotazione, per l’avvitamento.

applicato dal 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 velocit&