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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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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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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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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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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 />

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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 />

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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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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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 />

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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 (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 />

Sperimentazione di strutture aeronautiche - 2001-02<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 />

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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 />

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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 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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<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 />

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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 (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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<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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<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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<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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<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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<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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<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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<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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