Fatica

Breve storia della fatica.

I primi studi, su quella che poi verrà definita rottura a fatica, iniziarono già nel 1830. In quegli anni

si registrarono delle rotture anomale sulle catene dei convogliatori utilizzati nelle miniere, e sugli

assali dei treni. La caratteristica di queste rotture era che avvenivano per un carico inferiore a quello

di rottura del materiale utilizzato nella loro costruzione, e per un tempo di utilizzo relativamente

breve. Nel 1860 si capì che queste rotture dipendevano dal tipo di carico (variabile nel tempo), dai

cicli di carico a cui i componenti erano sottoposti, dalla forma dei componenti (se erano presenti

delle variazioni di diametro, ecc.), dalla presenza di difetti all’interno dei componenti. In quegli

anni nacque implicitamente l’idea di progettare a fatica a termine, prendendo in considerazione la

probabilità di rottura.

Nel 1920 si capì che anche lo stato superficiale dei componenti influenzava la rottura a fatica.

Componenti con rugosità elevata hanno un limite a rottura a fatica più basso. Anche la variazione

brusca (cioè priva di raggi di raccordo) di sezione o diametro hanno come effetto l’abbassamento

del limite di rottura a fatica, come pure la presenza di intagli e scanalature a spigoli vivi senza

raccordi.

Dal 1920 al 1960 numerosi studi effettuati esaminando i dati raccolti sulle prove a fatica effettuati

su provini, portarono alla definizione del fattore di concentrazione degli sforzi a fatica k . Da qui si

f

capì che k non è un valore caratteristico del materiale, o del componente, e che deve essere

f

determinato a partire proprio dalle prove a fatica. Ci si rese conto che è difficile, se non impossibile,

trasferire il comportamento a fatica dei provini su un componente reale. Ancora oggi si ritiene che

le prove condotte sui componenti sia l’unico mezzo per garantire una resistenza a fatica in esercizio

adeguata, in quanto il dimensionamento e la progettazione di un componente destinato a sopportare

carichi ciclici non è possibile se non si conoscono i carichi e gli sforzi di esercizio.

Con l’avvento degli estensimetri a resistenza elettrica, è stato possibile misurare carichi e sforzi di

esercizio, ed ottenere così spettri di carico reali.

Si posero così le basi della resistenza a fatica in esercizio che si può definire cosi:

dimensionamento di un componente per una durata a fatica finita ma sufficiente, sotto carichi

variabili.

Dal 1931 in poi la NACA, predecessore della NASA, misurò sugli aerei i carichi dovuti alle raffiche

di vento. Si conoscono non meno di 20 incidenti mortali dovuti a cedimenti per fatica di

bombardieri Vickers Wellinghton, della rottura a fatica di un’ala di uno Junkers Ju-52, di 10 Me-110

per rottura a fatica della centina dei piani di coda orizzontali, che provocò instabilità da flutter.

Ancora nel 1959 due Lockheed Electra precipitarono dopo la rottura per fatica del supporto di un

motore, che provocò instabilità da flutter.

Dal 1945 al 1960: gli aerei e la filosofia fail-safe.

In questo periodo si raccolsero i frutti di quanto seminato negli anni che vanno dal 1920 al 1945. in

tutte le nazioni industrializzate si studiò il problema della fatica. Agli sforzi compiuti per questo

studio fu dato particolare impulso dal verificarsi di una grande varietà di cedimenti di strutture e di

veicoli soggetti a fatica. Oltre al ben noto incidente del Comet, per esempio, si registrò un gran

numero di cedimenti per fatica di componenti per autocarri o di automobili. In campo aeronautico,

comunque, il problema della fatica era particolarmente sentito, in quanto molti dei nuovi modelli di

aerei ad ala singola per impiego civile prodotti in Inghilterra erano basati sugli aerei militari

utilizzati nella Seconda Guerra Mondiale,ma era richiesta una durata a fatica di circa 30 000 ore,

molto più lunga delle 5000 ore di volo previste per un bombardiere.

Il Comet della De Havilland, progettato intorno al 1948, il primo aereo commerciale a reazione del

mondo occidentale, aveva un’altitudine operativa circa il doppia di quella di un aereo ad elica di

quell’epoca. Pertanto la fusoliera pressurizzata doveva sopportare sforzi più elevati. Nel 1954 due

Comet precipitarono, uno vicino all’isola D’Elba, l’altro vicino a Napoli, a causa del cedimento

della fusoliera in corrispondenza dell’apertura di un finestrino. Dopo un esteso programma di

ricerche e di prove, venne data una spiegazione delle cause che non poteva ovviamente andare oltre

al livello di conoscenze di quell’epoca sulla fatica. Tra l’altro era stata utilizzata una lega di

alluminio ad elevatissima resistenza della serie 7000 (del tipo AlZnMg), della quale era già stato

evidenziato il cattivo comportamento a fatica. Molto più tardi, nel 1978, la FAA mostrò invece

come in realtà la causa dell’incidente fosse stato un errore di progettazione: i settori della fusoliera

dei Comet erano realizzati in un unico pezzo, mentre negli aerei più moderni sono composti da due

pannelli indipendenti. In questo modo il Comet risultava essere stato progettato in modo tale che

una frattura che si propagasse rapidamente non potesse arrestarsi.

A seguito degli incidenti dei Comet, prove complesse che simulavano le condizioni che si

verificavano volo dopo volo, eseguite sull’intera struttura dell’aereo, le cosiddette prove di fatica

full-scale, divennero la regola; la fusoliera veniva pressurizzata in un grande recipiente riempito di

acqua (più tardi per la pressurizzazione ciclica si incominciò a utilizzare aria), le ali erano

sollecitate da cilindri servoidraulici che riproducevano le sollecitazioni dovute al decollo e

all’atterraggio e 10-40 raffiche di vento per volo, di intesità differente. In precedenza gli aerei

venivano provati in una maniera molto più semplice e spesso le prove venivano condotte sui

componenti separati, per esempio le ali venivano sotto