Fatica - approccio strain-life - Ingegneria Aerospaziale - Politecnico ...
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Il Il Il Il metodo metodo<br />
metodo<br />
metodo <strong>strain</strong> <strong>strain</strong>-<strong>life</strong>*<br />
<strong>strain</strong> <strong>strain</strong><br />
<strong>strain</strong><br />
<strong>strain</strong> -<strong>life</strong>*<br />
-<strong>life</strong>*<br />
-<strong>life</strong>*<br />
I metodi si stress-<strong>life</strong> rivelano accurati solo se il numero<br />
dei cicli che portano alla rottura è molto elevato e se lo<br />
stato di sforzo si mantiene ben al di sotto dello sforzo di<br />
snervamento, ovvero nel caso di high cycle fatigue.<br />
Effettuando prove con carichi più elevati, si osserva che<br />
i risultati si discostano sensibilmente dalle previsioni<br />
teoriche. Ciò conduce alla formulazione di una differente<br />
teoria, basata sulle deformazioni piuttosto che sullo<br />
stato di sforzo, in grado di considerare il processo di<br />
danneggiamento da un punto di vista maggiormente<br />
fenomenologico e di descrivere le dinamiche di<br />
formazione della cricca.<br />
*Materiale tratto da: C.Capecce e A.Gabrielli:“Metodologie integrate per il progetto<br />
strutturale a fatica”, Tesi di Laurea in Ing. <strong>Aerospaziale</strong>, <strong>Politecnico</strong> di Milano, 2000<br />
Sperimentazione di strutture aeronautiche - 2001-02<br />
Copyright Dipartimento di <strong>Ingegneria</strong> <strong>Aerospaziale</strong> - Legge italiana sul Copyright 22.04.1941 n.633<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Il Il Il Il metodo metodo<br />
metodo<br />
metodo <strong>strain</strong> <strong>strain</strong>-<strong>life</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong><br />
<strong>strain</strong><br />
<strong>strain</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> (2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
Affinché si verifichi una rottura è necessario che almeno<br />
in qualche zona della struttura vi siano deformazioni<br />
plastiche. Ricordiamo che è possibile avere una<br />
deformazione plastica anche se lo sforzo nominale è<br />
inferiore allo sforzo di snervamento. Infatti, vi possono<br />
essere zone di concentrazione degli sforzi dovute alla<br />
geometria del pezzo in esame, oppure di imperfezioni<br />
microscopiche del materiale causate dai trattamenti<br />
termici o da una finitura superficiale poco accurata, che<br />
concorrono a creare deformazioni plastiche a livello<br />
locale.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Il Il Il Il metodo metodo<br />
metodo<br />
metodo <strong>strain</strong> <strong>strain</strong>-<strong>life</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong><br />
<strong>strain</strong><br />
<strong>strain</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> (3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
I risultati sperimentali evidenziano come il fenomeno<br />
venga descritto in maniera più accurata tenendo in<br />
considerazione le deformazioni piuttosto che gli sforzi<br />
poiché tramite esse è più facile descrivere il<br />
comportamento della struttura in campo plastico. Da<br />
ciò nasce l’idea che sta alla base dei metodi <strong>strain</strong>-<strong>life</strong>.<br />
Essi stimano la vita a fatica di componenti strutturali<br />
basandosi sull’intensità delle deformazioni durante il<br />
processo di carico. Adottando tali tecniche è possibile<br />
trattare con buona accuratezza tutti i casi di low cycle<br />
fatigue.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica<br />
ciclica<br />
ciclica<br />
ciclica<br />
Le prove sperimentali all’utilizzo di questo metodo sono<br />
condotte imponendo le deformazioni e non più gli sforzi<br />
nominali. Lo scopo rimane quello di registrare il numero di cicli<br />
per il quale si verifica l’insorgenza della cricca nel provino e la<br />
relativa rottura per fatica.<br />
Durante le prove vengono misurate le deformazioni di un<br />
provino cilindrico sollecitato da un carico uniassiale crescente<br />
in modo monotono. Sull’asse delle ordinate di un diagramma<br />
cartesiano viene rappresentato lo sforzo nominale:<br />
S =<br />
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P<br />
A0<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
dove P è il carico applicato e 0 A l’area della sezione del provino<br />
cilindrico scarico; la deformazione è:<br />
ε =<br />
l −l<br />
l<br />
Dove l 0 è la lunghezza iniziale e l è la lunghezza del provino<br />
caricato. La curva che si ottiene può essere divisa in tre zone<br />
caratteristiche. Nella prima zona (a), il legame S-ε è lineare con<br />
deformazioni uniformemente distribuite sul provino. Nella<br />
seconda (b), il legame non è più lineare ma le deformazioni sono<br />
uniformemente distribuite. Infine, nella terza (c), le deformazioni<br />
sono concentrate in una regione, dove si verifica un'instabilità<br />
plastica che porta alla rottura.<br />
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0<br />
0<br />
,<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
S<br />
sforzo<br />
nominale<br />
deformazione a rottura<br />
deformazione<br />
uniformemente<br />
distribuita<br />
(a)<br />
(b) (c)<br />
sforzo<br />
nominale<br />
massimo<br />
La curva sforzo nominale-deformazione<br />
e<br />
deformazione<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (4)<br />
(4)<br />
(4)<br />
(4)<br />
Le caratteristiche importanti che definiscono le<br />
proprietà del materiale (il modulo elastico E, lo sforzo di<br />
snervamento e lo sforzo di rottura corrispondente al<br />
massimo carico sopportabile) si basano sulle dimensioni<br />
originali del provino. Il valore dello sforzo non<br />
rappresenta la condizione reale di sollecitazione, che<br />
dipende dalla strizione subita durante l’allungamento.<br />
Per ottenere il valore reale dello sforzo occorre dividere il<br />
carico applicato per l’area effettiva sulla quale agisce.<br />
Diagrammando lo sforzo reale in funzione della<br />
deformazione si ottiene la curva illustrata :<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (5)<br />
(5)<br />
(5)<br />
(5)<br />
σ<br />
Curva<br />
sforzi reali - deformazioni<br />
La curva sforzo reale-deformazione<br />
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εεεε<br />
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La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (6)<br />
(6)<br />
(6)<br />
(6)<br />
E' possibile definire il valore della deformazione totale<br />
come somma della deformazione elastica e di quella<br />
plastica:<br />
ε +<br />
t<br />
= ε e ε p ,<br />
dove e e si ricava attraverso il modulo di Young:<br />
ε<br />
e<br />
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σ<br />
E<br />
= ,<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
e ε p può essere descritta da:<br />
ε<br />
p<br />
σ<br />
=<br />
K<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
dove K ed n sono le costanti che caratterizzano il<br />
materiale. Combinando le equazioni precedenti si<br />
ottiene:<br />
ε<br />
t<br />
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1<br />
n<br />
σ σ<br />
= +<br />
E K<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
,<br />
1<br />
n<br />
,<br />
10
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
Il comportamento del provino sotto l'azione di un carico<br />
alternato risulta:<br />
D<br />
σσσσ<br />
∆ε<br />
2<br />
0<br />
C<br />
∆ε<br />
2<br />
A<br />
Il ciclo di isteresi<br />
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B<br />
∆σ<br />
2<br />
∆σ<br />
2<br />
εεεε<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (8)<br />
(8)<br />
(8)<br />
(8)<br />
Si consideri ad esempio la curva sforzi-deformazioni<br />
riportata nella figura precedente. Partendo dal punto O<br />
si supponga di caricare il provino fino ad un valore di<br />
deformazione corrispondente ad uno sforzo maggiore<br />
dello sforzo di snervamento A. Arrivati al punto B si<br />
inizia a scaricare la struttura ed a caricarla in<br />
D = B . A questo<br />
punto si inverte nuovamente il carico per ritornare al<br />
punto B.<br />
Si ottiene una curva di isteresi che riassume il<br />
comportamento di una struttura caricata oltre il limite<br />
di linearità del legame sforzi-deformazioni.<br />
compressione fino ad arrivare a D ( ε −ε<br />
)<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (9)<br />
(9)<br />
(9)<br />
(9)<br />
Durante lo scaricamento, lo snervamento avviene nel<br />
punto C, in corrispondenza di un valore di sforzo di<br />
compressione minore in modulo del relativo sforzo di<br />
trazione. Questo avviene anche se il comportamento<br />
statico del materiale è simmetrico a trazione e<br />
compressione. Si tratta, cioè, di un fenomeno<br />
dipendente solo dal fatto che lo scaricamento segue una<br />
trazione con carico elevato. Il fenomeno si ripete anche<br />
se si inverte la sequenza di carico; cioè, se prima si<br />
comprime il provino oltre lo snervamento e poi si<br />
impone una trazione. In questo caso lo snervamento per<br />
un carico di trazione avviene per un valore di sforzo<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (10)<br />
(10)<br />
(10)<br />
(10)<br />
inferiore a quello di compressione (effetto Bauschinger).<br />
È possibile prevedere a quale sforzo si verifica lo<br />
snervamento dopo l’inversione di carico.<br />
Dai dati sperimentali, si nota che la curva di<br />
scaricamento prosegue con legge lineare per un<br />
intervallo di sforzo pari al doppio dello snervamento.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (11)<br />
(11)<br />
(11)<br />
(11)<br />
σσσσ<br />
σσσσMAX<br />
σσσσsn<br />
σσσσsn<br />
σσσσMAX<br />
L’effetto Bauschinger<br />
2σσσσsn<br />
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εεεε<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (12)<br />
(12)<br />
(12)<br />
(12)<br />
Il ciclo d’isteresi può essere caratterizzato conoscendo il<br />
suo spessore e l’ampiezza della variazione dello sforzo e<br />
della deformazione.<br />
Se il provino è ripetutamente caricato in maniera ciclica<br />
fra un valore massimo e uno minimo di deformazione, si<br />
possono rilevare comportamenti alquanto differenti in<br />
funzione del materiale. In particolare, in seguito al<br />
ripetersi dei cicli di caricamento e scaricamento, il<br />
materiale può diventare più resistente, meno resistente<br />
o rimanere stabile:<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (13)<br />
(13)<br />
(13)<br />
(13)<br />
ε<br />
+<br />
-<br />
1<br />
2<br />
3<br />
parametro di<br />
controllo<br />
t<br />
σ<br />
+<br />
-<br />
σ<br />
+<br />
-<br />
1<br />
2<br />
indurimento ciclico<br />
2<br />
intenerimento ciclico<br />
risposta del materiale<br />
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3<br />
1 3<br />
t<br />
t<br />
2<br />
2<br />
σ<br />
σ<br />
3<br />
1<br />
1<br />
3<br />
ε<br />
ε<br />
17
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (14)<br />
(14)<br />
(14)<br />
(14)<br />
Quando il materiale diventa più resistente, ad ogni ciclo<br />
si raggiunge un maggior livello di sforzo a parità di<br />
deformazione. Nel caso opposto vi è una diminuzione<br />
dello sforzo massimo raggiunto. Il processo non<br />
continua in maniera indefinita e dopo un certo numero<br />
di cicli, solitamente non superiore al 10% della vita<br />
totale, il valore dello sforzo massimo raggiunto rimane<br />
costante e la curva d’isteresi non presenta variazioni<br />
apprezzabili.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (15)<br />
(15)<br />
(15)<br />
(15)<br />
Conducendo prove per diversi valori di deformazione<br />
massima si possono diagrammare i cicli d’isteresi<br />
stabilizzati ad un valore massimo di sforzo raggiunto. È<br />
possibile ricavare il legame sforzi-deformazioni nel caso<br />
di sollecitazione ciclica ripetuta interpolando i vertici<br />
delle varie curve d’isteresi a disposizione.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (16)<br />
(16)<br />
(16)<br />
(16)<br />
σ<br />
curva ciclica<br />
σ - ε<br />
La curva sforzo-deformazione ciclica<br />
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ε<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (17)<br />
(17)<br />
(17)<br />
(17)<br />
Si possono confrontare direttamente le curve sforzideformazioni<br />
ottenute nel caso di carico crescente in<br />
maniera monotona e nel caso di carico ciclico ripetuto,<br />
in modo da osservare i cambiamenti nel comportamento<br />
del materiale.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (18)<br />
(18)<br />
(18)<br />
(18)<br />
σ<br />
σ<br />
ε e ε p<br />
monotona<br />
ciclica<br />
ε<br />
(a) intenerimento ciclico (b) indurimento ciclico<br />
monotona<br />
ciclica<br />
ε<br />
(c) comportamento stabile (d) comportamento misto<br />
Il confronto tra le proprietà cicliche e monotone<br />
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σ<br />
σ<br />
ciclica<br />
monotona<br />
ε<br />
ciclica<br />
monotona<br />
ε<br />
22
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (19)<br />
(19)<br />
(19)<br />
(19)<br />
Quando il materiale diventa meno resistente a causa<br />
della ripetizione del carico, lo sforzo di snervamento<br />
ciclico è minore dell’analogo nel caso monotono. Cioè,<br />
caricando ripetutamente la struttura, insorgono<br />
fenomeni di plasticizzazione per valori di sforzo inferiore<br />
allo sforzo di snervamento ottenuto dalle prove statiche.<br />
Risulta dunque evidente che può essere pericoloso<br />
utilizzare i dati relativi al comportamento statico del<br />
materiale quando si desidera valutare la sua durata a<br />
fatica. Infatti, si potrebbe trascurare l’avvenuta<br />
plasticizzazione di alcune zone della struttura.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (20)<br />
(20)<br />
(20)<br />
(20)<br />
Solitamente metalli che non hanno subito deformazioni<br />
plastiche a freddo tendono a diventare maggiormente<br />
resistenti, mentre metalli già precedentemente<br />
deformati, poichè conservano sforzi residui, tendono a<br />
diventare meno resistenti sotto l’azione di carichi<br />
ripetuti.<br />
Analogamente al caso monotono, la curva sforzideformazioni,<br />
nel caso ciclico, mostra una componente<br />
di deformazione elastica ed una di deformazione<br />
plastica, che possono essere espresse analiticamente da<br />
una legge analoga alla precedente ma con i coefficienti<br />
relativi alla parte plastica modificati:<br />
σ ⎛ σ ⎞<br />
εt<br />
= + ⎜ ⎟<br />
E ⎝ K′<br />
⎠<br />
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1<br />
n′<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva σσσσσσσσ - - - - - - - - εεεεεεεε ciclica ciclica ciclica ciclica (21)<br />
(21)<br />
(21)<br />
(21)<br />
E’ possibile esprimere l’equazione in funzione delle variabili<br />
utilizzate nel diagramma del ciclo d’isteresi: ∆σ e ∆ε .<br />
Sostituendo nell’espressione precedente<br />
e<br />
si ottiene:<br />
∆ε = 2ε<br />
∆σ = 2σ<br />
∆σ ⎛ ∆σ<br />
⎞<br />
∆ε<br />
= + 2⎜ E ⎝ 2K′<br />
⎠<br />
⎟ ′ n<br />
Sperimentazione di strutture aeronautiche - 2001-02<br />
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1<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - NN<br />
NN<br />
NN<br />
NN<br />
Ricordiamo la legge di Basquin che lega gli sforzi ai cicli<br />
necessari a rottura:<br />
σ = σ′<br />
2<br />
( N )<br />
a f f<br />
che lega lo sforzo reale nel ciclo σ a , il numero di<br />
inversioni o semicicli necessari alla rottura 2N f e i due<br />
coefficienti numerici che caratterizzano il materiale σ ′ f e<br />
b. Dividendo l’equazione per il modulo elastico, è<br />
possibile esprimerla in termini di deformazione:<br />
f<br />
e<br />
E 2<br />
σ ′<br />
ε =<br />
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b<br />
( ) b<br />
N<br />
f<br />
26
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N N N N N N N N (2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
Anche per la deformazione plastica è possibile formulare<br />
una relazione analoga. In particolare Coffin e Manson<br />
proposero:<br />
ε = ε′<br />
2<br />
( N )<br />
p f f<br />
dove le costanti c ed ε ′ f tengono conto delle<br />
caratteristiche del materiale e sono denominate<br />
rispettivamente esponente e coefficiente di duttilità a<br />
fatica.<br />
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c<br />
27
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N N N N N N N N (3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
Sommando le equazioni precedenti si ottiene:<br />
ε<br />
ε f’<br />
σ f’/E<br />
ε<br />
t<br />
σ ′ f<br />
=<br />
E<br />
( )<br />
b<br />
2N ε ( )<br />
f + ′ f 2N<br />
f<br />
elastico elastico+plastico<br />
2N f tr<br />
plastico<br />
La curva ε-N<br />
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c<br />
2N f<br />
28
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (4)<br />
(4)<br />
(4)<br />
(4)<br />
Dalla figura si può notare che, a differenza della curva<br />
S-N, non esiste un limite a fatica, poiché le due curve<br />
hanno una pendenza negativa. E’ possibile esprimere<br />
un valore limite di ripetizioni quale indice di vita<br />
infinita, oppure ipotizzare che per deformazioni<br />
plastiche molto ridotte non si generi alcun<br />
danneggiamento. Questa situazione si verifica per<br />
deformazioni plastiche inferiori allo 0.02%, cioè<br />
corrispondenti ad un decimo del valore di deformazione<br />
plastica che usualmente definisce lo sforzo di<br />
snervamento.<br />
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29
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (5)<br />
(5)<br />
(5)<br />
(5)<br />
Usando questa ipotesi è possibile individuare anche il<br />
relativo sforzo limite al di sotto del quale non c’è<br />
danneggiamento e la vita è infinita. Infatti invertendo la<br />
componente plastica dell’equazione precedente:<br />
σ = K′<br />
ε<br />
Sostituendo a ε p il valore 0.02% si ottiene lo sforzo<br />
associato a tale deformazione.<br />
Dal diagramma ε-N si nota che le curve di deformazione<br />
elastica e plastica si incontrano in un punto in<br />
corrispondenza del quale è possibile leggere il valore del<br />
numero di inversioni 2N f tr e della deformazione totale.<br />
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n′<br />
p<br />
30
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (6)<br />
(6)<br />
(6)<br />
(6)<br />
Dunque, è possibile individuare il ciclo d’isteresi che<br />
presenta una medesima componente di deformazione<br />
elastica e plastica. Per rotture che avvengono prima dei<br />
cicli di transizione 2 N f tr , il fenomeno plastico è<br />
prevalente su quello elastico e viceversa. Da questo<br />
punto di vista, 2N f tr indica in maniera immediata se il<br />
fenomeno di fatica analizzato interessa il regime di<br />
basso o alto numero di cicli. E’ dunque facilmente<br />
verificabile se è possibile utilizzare un <strong>approccio</strong> agli<br />
sforzi o se si è obbligati a considerare le curve ε-N.<br />
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31
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
La distinzione non è solo formale, dato che è<br />
indispensabile sapere quali sono i fenomeni fisici<br />
maggiormente coinvolti nel processo di rottura<br />
esaminato, in modo da individuare il rimedio adatto<br />
alla situazione. Infatti, se ci si trova di fronte ad una<br />
rottura dopo un alto numero di cicli si può selezionare<br />
un metallo più resistente, con sforzo di rottura maggiore<br />
o applicare trattamenti termici superficiali quali la<br />
tempra. Se, invece, la rottura avviene dopo un numero<br />
di cicli basso, ciò non è più opportuno. Infatti,<br />
adoperando un metallo più resistente e dunque<br />
probabilmente meno duttile, si potrebbe ridurre la vita a<br />
fatica.<br />
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32
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (8)<br />
(8)<br />
(8)<br />
(8)<br />
Il valore di 2N f tr di transizione può essere facilmente<br />
ricavato dall’espressione della curva ε-N, imponendo che<br />
la deformazione plastica e quella elastica siano uguali:<br />
da cui si ricava:<br />
σ ′<br />
f<br />
E<br />
( ) ( ) c<br />
b<br />
2N = ε ′ 2N<br />
2N<br />
f<br />
f<br />
tr<br />
tr<br />
⎛ ε′<br />
f E ⎞(<br />
b−c<br />
)<br />
= ⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝<br />
σ ′ f ⎠<br />
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f<br />
1<br />
f<br />
tr<br />
33
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (9)<br />
(9)<br />
(9)<br />
(9)<br />
Come nel caso dell'<strong>approccio</strong> stress-<strong>life</strong>, anche in questo<br />
caso è importante valutare l'effetto dello sforzo medio<br />
dato che nella vita reale, a differenza di quanto ingenere<br />
avviene in prova, tale sforzo è diverso da zero.<br />
log<br />
2<br />
ε ∆<br />
sforzo medio in compressione<br />
sforzo medio nullo<br />
sforzo medio in trazione<br />
log 2N<br />
L’effetto dello sforzo medio sulla vita a fatica (acciaio)<br />
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f<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
La La La La curva curva<br />
curva<br />
curva εεεεεεεε - - - - - - - - N NN<br />
NN<br />
NN<br />
N (10)<br />
(10)<br />
(10)<br />
(10)<br />
Si nota che uno sforzo medio di compressione estende la<br />
vita a fatica, mentre uno sforzo medio di trazione la<br />
riduce. L’effetto diventa importante per un alto numero<br />
di cicli, essendo poco rilevante per deformazioni molto<br />
ampie.<br />
Come nel caso stress-<strong>life</strong>, esistono diverse correzioni alle<br />
curve che determinano la vita a fatica, per tener conto<br />
rispettivamente dell'effetto degli sforzi medi e del fattore<br />
di concentrazione degli sforzi.<br />
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35
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Implementazione Implementazione Implementazione Implementazione del del del del metodo metodo<br />
metodo<br />
metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
<strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
-<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong><br />
Usando il metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong> con l’ausilio degli stati di<br />
sforzo, ottenuti con l’analisi ad elementi finiti, si può<br />
automatizzare il processo di predizione di vita a fatica<br />
attraverso i passi seguenti:<br />
1. calcolo lineare degli sforzi e delle deformazioni locali<br />
nei vari istanti della storia temporale di carico con<br />
l’analisi ad elementi finiti;<br />
2. estrazione dei cicli d’isteresi a fatica associati alla<br />
distribuzione temporale di deformazioni e sforzi<br />
tramite l’uso di un algoritmo di conteggio dei cicli;<br />
3. correzione elasto-plastica delle deformazioni con<br />
l’approssimazione di Neuber o affini<br />
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36
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Implementazione Implementazione Implementazione Implementazione del del del del metodo metodo<br />
metodo<br />
metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
<strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong> <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
-<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> -<strong>life</strong> (2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
4. calcolo del danno provocato da ognuno dei cicli<br />
d’isteresi prima individuati con la curva ε-N e la<br />
correzione per lo sforzo medio;<br />
somma dei danni provocati da ogni ciclo con la regola di<br />
Miner o affini.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale<br />
E' stato finora considerato un carico ciclico agente<br />
sempre nella stessa direzione. In realtà è più frequente<br />
una condizione di carico di tipo multiassiale in cui, cioè,<br />
non è possibile isolare una componente di sforzo<br />
dominante rispetto alle altre, che consenta di trattare il<br />
problema in maniera analoga al caso di sollecitazione<br />
monoassiale. Il carico multiassiale viene definito<br />
proporzionale se le componenti dello sforzo variano<br />
secondo un comune andamento temporale, non<br />
proporzionale se invece la relazione di fase tra le<br />
componenti varia in funzione del tempo.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
(2)<br />
Questi effetti concomitanti complicano l'analisi richiesta<br />
per la predizione del comportamento a fatica, in quanto<br />
le modalità di sollecitazione del materiale sono<br />
profondamente diverse. Si confronti dunque una<br />
sollecitazione tipicamente multiassiale (a) con una<br />
monoassiale (b), visualizzandole sul cerchio di Mohr:<br />
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39
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
(3)<br />
σ 2<br />
τ τ<br />
σ 3<br />
τ max<br />
σ 1<br />
σ<br />
σ 2 = σ 3 = 0<br />
Le possibili condizioni di carico<br />
τ = σ 1 / 2<br />
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σ 1<br />
σ<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (4)<br />
(4)<br />
(4)<br />
(4)<br />
Nelle note precedenti, è stato illustrato come la rottura a<br />
fatica si possa scomporre in due fasi principali: una di<br />
enucleazione della cricca ed una di propagazione e<br />
crescita della stessa fino alla rottura finale. A seconda<br />
delle caratteristiche del materiale, duttile o fragile, e del<br />
processo di carico, le due fasi principali del<br />
danneggiamento a fatica (enucleazione della cricca e<br />
propagazione) possono dominare la vita a fatica del<br />
componente.<br />
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41
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (5)<br />
(5)<br />
(5)<br />
(5)<br />
Nell’analisi <strong>strain</strong>-<strong>life</strong>, si individua il numero di cicli<br />
necessari per formare una cricca da un punto di vista<br />
ingegneristico; cioè, di dimensioni tali da alterare le<br />
caratteristiche meccaniche locali in maniera<br />
apprezzabile. Questa previsione coinvolge entrambe le<br />
fasi con le quali si origina la rottura al livello di<br />
struttura cristallina, anche se in realtà, una sola tra le<br />
due condiziona la vita a fatica.<br />
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42
<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (6)<br />
(6)<br />
(6)<br />
(6)<br />
Nel caso di una sollecitazione monoassiale è semplice<br />
determinare i parametri che controllano ciascuna delle<br />
due fasi, in quanto riconducibili allo stato di sforzo o di<br />
deformazione nel materiale.<br />
Nel caso di fatica multiassiale questa affermazione non è<br />
più vera, in quanto le due fasi sono maggiormente<br />
sensibili al materiale e alla natura del carico, con<br />
conseguente difficoltà nel ricavare regole generali da<br />
applicare.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
(7)<br />
Le interazioni tra i danneggiamenti provocati sui diversi<br />
piani nei quali giace lo sforzo complicano la stima della<br />
vita a fatica. Infatti, la propagazione stabile di una<br />
cricca lungo una direzione può impedire la crescita di<br />
cricche più pericolose su piani differenti e condurre<br />
quindi ad un miglioramento inatteso della vita a fatica.<br />
Le teorie sulla fatica multiassiale cercano perciò di<br />
tradurre alcune di queste osservazioni in una<br />
formalizzazione matematica del processo, nel tentativo<br />
di ottenere un modello capace di fare previsioni<br />
realistiche.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (8)<br />
(8)<br />
(8)<br />
(8)<br />
La rottura del componente sotto l'azione di un carico<br />
multiassiale viene prevista secondo diversi metodi, che<br />
si possono dividere in due categorie principali:<br />
1. i metodi degli sforzi equivalenti,<br />
2. i metodi del piano critico.<br />
Nei modelli agli sforzi equivalenti, si individua come<br />
grandezza indice del pericolo un particolare modulo. È<br />
semplice ricondursi ad una modalità di carico<br />
monoassiale, per la quale è noto il valore del modulo che<br />
provoca la rottura nel materiale.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (9)<br />
(9)<br />
(9)<br />
(9)<br />
La grandezza alla quale ci si riferisce è una quantità<br />
misurabile, come lo sforzo principale massimo, lo sforzo<br />
principale di taglio o l'energia di deformazione, a<br />
seconda del tipo di modello utilizzato, il cui intervallo di<br />
variazione è compreso tra un minimo ed un massimo.<br />
Questa grandezza conduce ad un valore equivalente il<br />
cui modulo viene calcolato nella condizione di carico<br />
multiassiale e confrontato con i dati delle prove<br />
monoassiali.<br />
In questi metodi non si tiene conto della direzionalità<br />
del processo di fatica, in quanto il danneggiamento,<br />
sotto forma di cricca, avviene su un piano particolare.<br />
Ulteriori complicazioni nascono nel caso di carichi non<br />
proporzionali.<br />
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<strong>Fatica</strong>: metodo <strong>strain</strong>-<strong>life</strong><br />
Cenni Cenni Cenni Cenni alla alla alla alla fatica fatica<br />
fatica<br />
fatica multiassiale multiassiale<br />
multiassiale<br />
multiassiale (10)<br />
(10)<br />
(10)<br />
(10)<br />
Questi punti critici hanno condotto ad indagare più<br />
approfonditamente i meccanismi di accumulo del danno<br />
prodotto da un carico multiassiale. Ne è nato un diverso<br />
metodo di stima della vita a fatica basato sulla<br />
previsione della propagazione del danno lungo una<br />
direzione specifica giacente in un piano particolare del<br />
componente; cioè, il modello del piano critico.<br />
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