Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali FATICA PER MATERIALI ISOTROPI PARTE 2 Prof. Claudio Scarponi Ing. Carlo Andreotti

Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

FATICA PER MATERIALI ISOTROPI

PARTE 2

Prof. Claudio ScarponiIng. Carlo Andreotti

Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti

Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 2

TRATTAMENTO DEI DATI SPERIMENTALI A FATICA

Oltre al diagramma di W hler, hanno una grande importanza i diagrammi di Soderberg e di Goodman-Smith.

In questi diagrammi si riportano i valori ultimi delle sollecitazioni di fatica, riferiti al numero di cicli, da cui si ricavano gli ammissibili strutturali.

o



TRATTAMENTO DEI DATI SPERIMENTALI A FATICA: DIAGRAMMA DI SODERBERG

Caratteristiche del diagramma: Si riporta, sull’asse delle ascisse, il valore dello sforzo

medio σm. Sull’asse delle ordinate è riportato il valore dell’ampiezza

della sollecitazione Δσ. Si considera costante il numero di cicli N.




Sul piano appena descritto si riportano i dati sperimentali (indicati con i puntini neri).

Sull’asse delle ordinate si considera il valore limite della sollecitazione a flessione rotante per ciclo alterno simmetrico (σm = 0), indicato con ΔσLa. Questo valore può essere ottenuto anche dal rapporto di fatica h.

Sull’asse delle ascisse si considerano i valori del carico di snervamento σS (riferito ai materiali duttili) e del carico di rottura σR (riferito ai materiali fragili).




Per rappresentare i dati sperimentali in modo approssimato, si tracciano le seguenti curve:

Retta di Soderberg:

Retta di Goodman:

Parabola di Gerber:

Il valore ΔσL indica l’ampiezza limite associata alla tensione media σm.




Qualora si desideri far comparire nel diagramma anche il numero di cicli N, si riporteranno nel piano Δσ-σm le rette di Soderberg relative alle varie durate:

Per la sua semplicità, il diagramma è molto usato soprattutto per la determinazione degli ammissibili strutturali, differenziati per σm e per ΔσLa.



TRATTAMENTO DEI DATI SPERIMENTALI A FATICA: DIAGRAMMA DI GOODMAN-SMITH

Caratteristiche del diagramma: Si riporta, sull’asse delle ascisse, il valore

dello sforzo medio σm. Sull’asse delle ordinate sono riportati i

valori dello sforzo massimo σMAX e dello sforzo minimo σMIN.

Si considera costante il numero di cicli N.







I punti di intersezione della curva con l’asse delle ordinate definiscono i valori di ΔσLa.

Questo diagramma può essere semplificato, sostituendo alle curve dei segmenti di retta, con un contemporaneo vantaggio per la sicurezza.

Nel caso di materiali duttili si limita il valore della σMAX con il carico di snervamento σS.







Si uniscono i punti A e B, individuati dal valore di ΔσLa, con il punto C, relativo al carico di rottura σR. Di conseguenza, la zona di sicurezza è delimitata dal triangolo ACB).

Nel caso di materiali duttili, il diagramma triangolare risultante è limitato dal valore del carico di snervamento σS (si individuano in successione i punti E e D). La parallela all’asse delle ordinate passante per il punto E permette di individuare il punto F. In questo caso la zona di sicurezza è più conservativa ed è delimitata dal poligono AEDFB.

Si può tracciare un diagramma ancora più semplice e conservativo, unendo con una linea tratteggiata i punti A e B con il punto D. La zona di sicurezza è delimitata dal triangolo ADB.




La seguente figura riporta il diagramma di Goodman-Smith semplificato per alcuni acciai al Carbonio bonificati:




Qualora si desideri far comparire nel diagramma anche il numero di cicli N, si riporteranno nel piano σMAX,σMIN-σm le rette di Goodman-Smith relative alle varie durate:

Anche questo diagramma è molto usato per la sua semplicità.



LA “REGOLA” DI MINER E IL “CUMULO” DI FATICA

Solitamente un pezzo è sollecitato con valori variabili nel tempo sia di σm, sia di R. Inoltre, l’andamento può non essere sinusoidale, ma del tipo ad onda quadra, triangolare o randomica.

Nel caso di cicli con forma, ampiezza e frequenza variabili, il primo grande problema per il progettista è la definizione si uno spettro di carico rispondente alle condizioni di esercizio, tipiche di un intervallo temporale significativo. In seguito, questo spettro è riprodotto k volte.

Uno dei problemi da affrontare è capire come si comporta un

pezzo sollecitato in modo randomico (si comprende che la via sperimentale è enormemente dispendiosa, sia in termini di tempo, sia in termini di costo).




I ricercatori Palmgren e Miner hanno formulato una toria, nota con il nome di “regola” di Miner, secondo la quale il pezzo “accumula” il danno da fatica in modo lineare. Si seguono i seguenti punti:

1. Si suppone di sottoporre un provino ad una sollecitazione di fatica secondo un ciclo alterno simmetrico avente ampiezza di oscillazione Δσ1, al di sopra del limite di fatica, per un numero di cicli n1.




2. Se, a tale livello di sollecitazione, la vita del materiale risulta pari a N1, la durata residua del provino è valutata dalla differenza

essendo la percentuale di vita utilizzata pari al rapporto




3. Successivamente si sottopone lo stesso provino ad una sollecitazione Δσ2 (con la quale la vita del materiale “vergine” risulterebbe N2) fino a rottura dopo un numero di cicli n2. Per quanto affermato in precedenza, si deve verificare la seguente uguaglianza:

Da questa relazione segue:




4. Estendendo questo principio a un caso comunque complesso, con diversi

livelli di sollecitazione, esiste la seguente relazione generale:




Dalla trattazione esposta è possibile notare che non si tiene conto della “storia del carico”, che, invece, ha una certa influenza. Infatti, i dati sperimentali mostrano che

La “regola” di Miner è una relazione lineare approssimata, ma, per la sua estrema semplicità, è molto utilizzata.




La linearità permette di ricavare i valori equivalenti di sollecitazione, Δσeq

m, e di numero di cicli, neq. Poiché

si ha




Sostituendo questa espressione nella “regola” di Miner generale, si ottiene:

Ponendo si calcola



NATURA STATISTICA DELLA ROTTURA A FATICA

A causa dell’importanza di difetti interni nell’insorgenza delle cricche di fatica, si ha una forte dispersione dei risultati sperimentali. Per questo motivo è importante svolgere un numero elevato di prove (sono necessari centinaia di provini per ottenere “buone” curve approssimanti).




In generale, l’andamento del numero di provini rotti, in funzione della tensione a cui sono stati soggetti, approssima una curva di Gauss.




Calcolando le percentuali complessive di sopravvivenza p, a ciascun livello livello di densione σ, per il numero di cicli prefissato N, si ottiene, in un particolare piano p-σ una serie di punti che sono correlati bene con un segmento di retta, detta retta di Henry.




Variando il valore del numero di cicli N, è possibile ottenere altre rette σ-N secondo il criterio esposto, che permettono di costruire sul piano Δσ-σm una curva di fatica relativa ad una particolare percentuale di sopravvivenza. Variando il valore di tale percentuale si ottengono curve di isoprobabilità di sopravvivenza.




La seguente figura mostra un tipico esempio di cicli di carico relativi alla missione di un aeroplano, al variare delle fasi di volo, così come viene registrato dai sensori installati a bordo.




Nel considerare lo spettro di fatica di una missione, a favore di sicurezza, si aggiunge un ciclo non misurato, detto ciclo GAG (Ground-Air-Gruond), costruito considerando il valore massimo e il valore minimo degli sforzi relativi all’intera missione.

Applicando la “regola” di Miner anche sul ciclo GAG (oltre allo spettro di fatica), si ottiene un numero molto inferiore all’unità. Il suo inverso, moltiplicato per il numero di ore rappresentativo dello spettro di fatica, fornisce la vita del pezzo.



ALTRI TIPI DI FATICA

Oltre alla fatica propriamente detta, esistono altri tipi di fatica:

1. Fatica acustica: E’ indotta da vibrazioni sulla struttura,

derivanti da onde sonore. Un tipico esempio è la fatica indotta dal

rumore dei motori a getto sulla struttura alare.




2. Fatica termica: È tipica dei pezzi soggetti a frequenti

riscaldamenti e raffreddamenti. Esempi: stampi da fonderia, attrezzi per le

autoclavi, freni, condutture ove si alternano flussi caldi e freddi, valvole dei motori a scoppio, ecc.

In alcuni casi si somma anche la fatica meccanica, che aggrava i problemi di vita del pezzo.

Tipiche rotture sono le screpolature superficiali che avanzano nel tempo.




3. Fatica di contatto: Riguarda pezzi sottoposti ad elevate

pressioni localizzate che variano ciclicamente.

Esempi: ruote dentate, cuscinetti volventi. Le rotture tipiche partono sotto forma di

alveoli o screpolature, che si propagano nel tempo.

Per i liquidi a contatto con giranti si parla di cavitazione.




4. “Fretting”: E’ un tipico fenomeno di fatica-corrosione. Si verifica quando si è in presenza di due

pezzi in contatto. Esempi: volano o ruota dentata forzati a

caldo su un albero, giunto chiodato. Tra i due pezzi si originano micromovimenti

relativi, di pochi micron di ampiezza, che danno origine a piccole scaglie di materiale (polvere). Da questi punti si propagano le cricche di fatica che portano a rottura il pezzo più sollecitato.

Documents

Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali FATICA PER MATERIALI ISOTROPI PARTE 2 Prof. Claudio Scarponi Ing. Carlo Andreotti