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Calcolo a fatica

di componenti meccanici

Prima parte

Primi studi sperimentali

L’esperienza, nella pratica costruttiva, di rotture improvvise,

dovute a carichi che si ripetono ciclicamente, è ormai secolare.

Tuttavia, solo quando il metallo ha iniziato a sostituire

significativamente il legno, come materiale da costruzione, ci

si è resi conto pienamente dell’importanza del fenomeno e

delle gravi conseguenze che esso può comportare.

La reale comprensione del fenomeno è relativamente recente

ed ancora oggi non si può affermare che essa sia completa.

I primi studi sul fenomeno della fatica sono stati fatti

in Germania, dove nel 1829 un ingegnere minerario

tedesco, W. A.S. Albert, effettuò alcuni esperimenti di

carico ripetuto su catene di acciaio.

Tra il 1852 ed il 1870 un ingegnere ferroviario tedesco, August

Wöhler, condusse i primi esperimenti sistematici sul fenomeno

della fatica, per indagare su alcune inspiegabili rotture in esercizio

di assili ferroviari.

Appariva sorprendente, infatti, che tali rotture avvenissero

ben al di sotto del limite elastico del materiale. 1

Danno di fatica

La fatica può essere definita come un fenomeno di danneggiamento progressivo del materiale

che inizia con una fase di nucleazione di un microscopico cretto e che procede con una fase di

propagazione del difetto fino a dimensioni critiche, tali da provocare la rottura di schianto.

Rottura di un tirante con filettatura a sezione

rettangolare. La rottura ha avuto innesco

nella zona indicata con A

Rottura per torsione di un albero

Danno di fatica

Carico statico Carico ciclico Carico ciclico

Direzione Direzione

Direzione di carico di carico

di carico 0.1µ

0.1µ Seconda fase

Prima fase

superficie

superficie

Bande di Le inversioni di Nella fase di propagazione

scorrimento in un carico nella (seconda fase) il difetto si

materiale duttile sollecitazione ciclica accresce fino alle dimensioni

dovute sono all’origine alla critiche.

all’applicazione di fase di nucleazione

un carico. (prima fase). 2

Danno di fatica Rottura finale

di schianto

Rappresentazione schematica di

una superficie di rottura per fatica

Ad ogni ciclo di carico

corrisponde un striatura che Zone di

indica un ulteriore propagazione

avanzamento del fronte di lenta

propagazione della cricca. Zona di

A diverse ampiezze di carico ciclico nucleazione

corrispondono diverse velocità

di propagazione. Zone di propagazione

veloce 7-1

Superfici

di rottura 3

Il progetto di un componente sollecitato a fatica.

Come progettare un componente sollecitato a fatica?

Esistono due possibili modi di procedere:

Il primo, che si potrebbe definire “classico” e che non si discosta molto concettualmente

dalla prima impostazione che Wöhler diede al problema, consiste nel mettere in relazione

la durata del componente, intesa come numero di cicli sopportabili, prima di giungere alla

rottura, con lo stato di sollecitazione agente sul componente stesso, basandosi sul

confronto con dati sperimentali (curve di Wöhler).

Il secondo, che potrebbe essere definito come un “approccio locale” al problema,

focalizza l’attenzione sul difetto e sulle condizioni al contorno che ne determinano

l’accrescimento fino alle dimensioni critiche, mettendole in relazione con i carichi

agenti e le caratteristiche di resistenza a frattura del materiale. 7-2

Il progetto di un componente sollecitato a fatica.

Come progettare un componente sollecitato a fatica?

“Metodologia basata sulla curva di Wöhler”

Questa procedura considera il componente una sorta di “scatola nera”

nella quale si inseriscono informazioni ed escono previsioni sulla vita a fatica,

basandosi sul paragone con ciò che si osserva sperimentalmente in casi analoghi,

senza che siano noti i meccanismi che agiscono all’interno della scatola.

Carico ciclico Verifica

Dimensioni Durata

Componente

Prestazione del materiale

(prove di fatica) 4

Il progetto di un componente sollecitato a fatica.

Come progettare un componente sollecitato a fatica?

“Metodologia basata sulla curva di Wöhler”

Questa procedura considera il componente una sorta di “scatola nera”

nella quale si inseriscono informazioni ed escono previsioni sulla vita a fatica,

basandosi sul paragone con ciò che si osserva sperimentalmente in casi analoghi,

senza che siano noti i meccanismi che agiscono all’interno della scatola.

Carico ciclico Progetto

Durata Dimensioni

Componente

richiesta Prestazione del materiale

(prove di fatica)

Il progetto di un componente sollecitato a fatica.

Come progettare un componente sollecitato a fatica?

“Approccio locale - Meccanica della frattura”

Questa procedura prevede la vita a fatica del componente tramite una legge di accrescimento di un

difetto, preesistente nel componente, del quale si ipotizza posizione, forma e dimensione.

In altri termini è come mettere in luce il meccanismo interno di danneggiamento del componente.

Carico ciclico Legge

di accrescimento

del difetto

Durata Dimensioni

Componente

richiesta Progetto

Prestazione del materiale

(meccanica della frattura)

(prove di propagazione dei difetti) 5

Il progetto di un componente sollecitato a fatica.

Come progettare un componente sollecitato a fatica?

“Procedura classica”

Non c’è alcuna ipotesi sulla dimensione e sulla posizione di eventuali difetti nel componente!

Calcolo dello stato di tensione Prove di fatica

del componente sul materiale

Relazioni

Identificazione del punto più Tensione-Durata

sollecitato Durata del componente

“Approccio locale - Meccanica della frattura”

Calcolo dello stato di tensione Prove di propagazione di una

del componente cricca sul materiale

Relazioni tra tipo di difetto,

Ipotesi di difetto nel punto più carico applicato e durata

sollecitato Durata del componente

Il progetto di un componente sollecitato a fatica.

Come progettare un componente sollecitato a fatica?

La procedura “classica” per prevedere la vita a fatica di un componente

è ancora oggi il modo di procedere largamente impiegato

per il progetto e la verifica a fatica degli organi meccanici.

Semplicità di applicazione

Possibilità di ridurre al minimo i dati sperimentali necessari

Accettabile livello di affidabilità della previsione di vita 6


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AUTORE

Atreyu

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria meccanica (LATINA, ROMA)
SSD:
A.A.: 2012-2013

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Elementi Costruttivi delle Macchine e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università La Sapienza - Uniroma1 o del prof Broggiato Giovanni.

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