A&T 2016

slide 1

A&T 2016 Sessione specialistica: Manutenzione e processi

Torino, 20-21 aprile 2016

SINTESI DEL COMPORTAMENTO A FATICA

A TRAZIONE ALTERNA DI UN ACCIAIO INOSSIDABILE

IN TERMINI DI ENERGIA DISSIPATA

Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Padova G. Meneghetti, M. Ricotta

G. Meneghetti, M. Ricotta

Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Padova, via Venezia, 1 – 35131 Padova

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slide 2

Catalbiano T., Geraci A., Orlando M.,Il Progettista Industriale, n° 2, 1984.

Curti G., La Rosa G., Orlando M., Risitano A., XIV Convegno Nazionale AIAS, 1986.

DT

s a3

s a2

s a1

N

< sa

> sa

0.1·Nf

0.1°C 1°C

1°C10°C

100°C

Andamento della temperatura in prove a fatica su materiali metallici

• Plastic strain hysteresis (sa>sa)

• Anelastic strain hysteresis (sa<sa)

Feltner CE, Morrow JD. Trans. ASME, J Basic Engineering, 1961

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Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova B. Atzori, G. Meneghetti, M. Ricotta

N1 = N2

Tmax1 Tmax2

Q1=Q2

• Stessa durata

• Temperature diverse

• Stessa energia dissipata

L’energia specifica dissipata Q[J/(m3·ciclo)] per ciclo è un parametro promettente

per la stima di durata a fatica di alcuni materiali metallici

Q si può stimare da misure di temperatura , ad esempio con termocamere a raggi infrarossi

Temperatura ed Energia Termica specifica

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Ep = energia immagazzinata nel materiale per ciclo

Q = energia termica dissipata per ciclo

W = energia meccanica fornita per ciclo

Indicatori del danneggiamento

pEQW Unità: J/(m3ciclo)

Kaleta J, Blotny R, Harig H. Energy stored in a specimen under fatigue limit loading conditions. J

Test Eval 1990.

B. Atzori, G. Meneghetti, M. Ricotta, Key Engineering Materials, 2010.

Ellyin (F. Ellyin, Fatigue damage, crack growth and life prediction, Chapman & Hall 1997)

affermò: “… because of measurement difficulties with regard to the heat loss, Q, the

energy associated with damage, Ep, can be related to the supplied energy, W ”

V S cd

S cv

n

W

Q

Ep

S ir

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Stima sperimentale di Q (1)

t [s]

T[°C]

X

X

X

X

t*

Equazione di bilancio:

dV Et

TcdVHHH

dVw

pircvcd

All’istante t=t*+:

• W=0, Ep=0

• il flusso termico totale (Hcd+Hcv+Hir) non cambia,

poichè la temperatura del provino T(x,y) e la

temperatura ambiente Tamb non cambiano

Pertanto:

ircvcd

*tt

HHHt

Tc

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t [s]

T [°C]

t*

*ttt

Τ

f

HQ

H potenza termica specifica

[W/m3]

densità [kg/m3]

c calore specifico [J/(kg·K)]

f frequenza di prova [cicli/s]

Q energia termica specifica

[J/(m3·cycle)]

*tt

*ttt

TcH

Stima sperimentale di Q (2)

G. Meneghetti, Int. J. Fatigue, 2007

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Tipica attrezzatura sperimentale per misurare l’energia dissipata

PC

for frame acquisition

Testing

machine

Infrared camera Flir Thermovision A40

Blower

PC&Digital

Controller

45,2°C

26,1°C

10 m

m

Superficie del provino

verniciata per aumentarne

l’emissività

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Indipendenza dell’energia dissipata dalle condizioni al contorno termiche e meccaniche

36

0

32

0

25

0

18

0

14

0

R40

78

29

0

49

7

Termocoppia n°5

Termocoppia n°4

Termocoppia n°3

Termocoppia n°2

Termocoppia n°1

40

• Aisi 304L, spessore 6 mm

• 5 Termocoppie Rame-Costantana lungo l’asse del provino

• Macchina MFL 250 kN/MTS TestarIIm

• sa=160 MPa (ampiezza costante), R=0.05. Diversi valori di f e cond. ambiente.

• Misura dell’energia dissipata in corrispondenza delle 5 termocoppie con la tecnica del

gradiente di raffreddamento

0

10

20

30

40

50

60

70

100 200 300 400

DT

[

C]

Posizione longitudinale [mm]

2.5 Hz

5 Hz

7 Hz

7 Hz bis

8 Hz

9 Hz

25 Hz

blower1 Hz phon

0

10

20

30

40

50

60

70

100 200 300 400

Q [

kJ/

(m3 c

iclo

)]

Posizione longitudinale [mm]

2.5 Hz

5 Hz

7 Hz

7 Hz

bis8 Hz

9 Hz

25 Hz

blower1 Hz

phon

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• Prove a fatica:

– Controllo di deformazione (Re=-1); Frequenze di prova f= 0.1-5 Hz

– Criterio di rottura: 4x3-mm-long crack (verificato a posteriori imponendo un prefissato calo di rigidezza)

– Estensometri MTS, base di misura 25 mm (Fig.a) o 5 mm (Fig. b)

– Misura della temperatura: AGEMA THV 900 LW/ST (accuratezza 0.1 °C, frequenza di acquisizione 7 Hz) oppure THERMOVISION A40 (accuratezza di 0.1 °C, frequenza di acquisizione 50 Hz)

– Elaborazione immagini termografiche con software dedicato AGEMA Research 2.1

Materiale, geometria dei provini, condizioni di prova

• AISI 304L

• Spessore 6 mm

• Macchina

servoidraulica Schenck

100 kN

• RT3 TrioSistemi

30

12 13

3

30

30

30

R30

(a)

11

3

30

25

30

R30

7

(b)

10

(c)

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Prove a fatica:

• Controllo di forza (Rs=-1); Frequenze di prova f= 1-30 Hz

• Criterio di rottura: – liscio: separazione completa del provino

– Intagliato: cricca 4 mm (stereoscopio Leica a bordo macchina, max 50x)

• Misure temperatura: Liscio: THERMOVISION A40 (accuratezza di 0.1 °C, campionamento 50 Hz). Intagliato: Termocoppie rame-costantana, f=0.127 mm, accuratezza 0.02°C

• Elaborazione immagini termografiche con software dedicato AGEMA Research 2.1, acquisizione termocoppie: HP 34970°, campionamento 22 Hz

Materiale, geometria dei provini, condizioni di prova

• AISI 304L

• Spessore 6 mm

• Macchina

servoidraulica Schenck

100 kN

• RT3 TrioSistemi

120

10

7

30

R30

(c)

40

12

0

16

(d)

10

0 R5

10

30

(e)

R3 90°

120

10

30

(f)

Ktn=2.2 Ktn=3.0 Ktn=3.7

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Sintesi dei risultati in termini di ampiezza di tensione (R=-1)

Ampiezza di tensione stabilizzata o al 50% di vita

100

700

300

s a,net [MPa]

10 2 10

3 10

4 10

5 10

6 10

7

N f , numero di cicli a rottura

Prove controllo deformazione

Forati, R=8 mm: k=8.9; T N =4.3 Intaglio a U, R=5 mm Intaglio a V, R=3 mm Stair case rotti Stair case non rotti

Materiale base: k=17.2; T N =20.0

k=5.8; T N =4.5

(cricca 4mm)

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AISI 304L, R=3 mm

sanet=120MPa, Nrottura=61082, f =8Hz

R 3

Esempio di filmato termografico

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slide 13

Stima dell’energia dissipata: provino liscio controllo e

Control area Control area 39

41

43

45

47

49

51

53

55

0 15 30 45 60

T [°

C]

time [s]

9977 . 0 R

79 . 55 t 336 . 0 ) t ( T 2

@ 4 °C

@ 13 s

t*

@ 4 °C

@ 13 s

t*

• Parametri di prova: e a =0.5%, N f =3697 cicli , f=0.4 Hz

• t* : istante in cui la prova è stata interrotta N/ N f =0.2

• Massima temperatura all’interno dell’area di controllo

• Frequenza di acquisizione delle immagini termografiche: Agema THV 900, 7 Hz

Effetto termoelastico

* t t t

T c H

f

H Q Units : J/(m 3 cycle)

dN Q Q f Units : J/m 3

Analysis of data:

* t t t

T c H

f

H Q Units : J/(m 3 cycle)

Units : J/m 3

* t t t

T c H

f

H Q Unità : J/(m 3 cycle)

Analisi dei dati:

Control area

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Andamento dell’energia specifica dissipata Q durante le prove

Prove controllo deformazione [18] Materiale base Materiale base [17] Forati, R=8mm [18] Intaglio a U, R=5mm Intaglio a V, R=3mm

0.01

0.1

1

10

100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Q [

MJ/

(m3 c

iclo

)]

N/Nf

• Nf: numero di cicli a rottura

(completa separazione)

• Stabilizzazione di Q

• Progressiva diminuzione

dell’energia dissipata

localmente nel caso di provini

intagliati

0,5mm

Posizione

Termocoppia

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Sintesi di tutti i risultati usando l’energia dissipata

f

0.01

0.1

1

10

Q [MJ/(m3·ciclo)]

102 10

3 10

4 10

5 10

6 10

7

Nf, numero di cicli a rottura

Prove controllo deformazione [18]

Materiale base ( da [17])

Forati, R=8 mm [18]

Intaglio a U, R=5 mm

Intaglio a V, R=3 mm

Stair case rotti [17]

Stair case non rotti [17]

1 2.11

TN,Q=4.51

QA,50%=0.133 [MJ/(m3ciclo)]

(cricca 4mm)

• Tutti dati elaborati insieme

• TN,Q=4.51 simile a quello

della sola serie «forati» in

termini di tensione TN,s=4.3

• Pendenza unica da 102 a

2·106 cicli

• L’energia varia di due

ordini di grandezza

• L’energia specifica

dissipata tiene conto della

sensibilità all’intaglio

mostrata dal materiale

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Conclusioni

• L’energia specifica dissipata Q è utile per la previsione di vita a fatica di alcuni

materiali metallici

•

• Q ha permesso di sintetizzare in un’unica banda risultati di prove a fatica (84 punti

sperimentali) ottenuti con diverse geometrie di intaglio

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Q

f

0.01

0.1

1

10

Q [MJ/(m3·ciclo)]

102 10

3 10

4 10

5 10

6 10

7

Nf, numero di cicli a rottura

Prove controllo deformazione [18]

Materiale base ( da [17])

Forati, R=8 mm [18]

Intaglio a U, R=5 mm

Intaglio a V, R=3 mm

Stair case rotti [17]

Stair case non rotti [17]

1 2.11

TN,Q=4.51

QA,50%=0.133 [MJ/(m3ciclo)]

Q [J/(m3 ciclo)]

N. cicli

1

X

Y

Z

SEP 27 2012

15:02:24

ELEMENTS1

MN

MX

X

Y

Z

0

19.898839.7976

59.696579.5953

99.4941119.393

139.292159.191

179.089

SEP 27 2012

15:04:46

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

S1 (AVG)

DMX =.062202

SMX =179.089

Q

f

0.01

0.1

1

10

Q [MJ/(m3·ciclo)]

102 10

3 10

4 10

5 10

6 10

7

Nf, numero di cicli a rottura

Prove controllo deformazione [18]

Materiale base ( da [17])

Forati, R=8 mm [18]

Intaglio a U, R=5 mm

Intaglio a V, R=3 mm

Stair case rotti [17]

Stair case non rotti [17]

1 2.11

TN,Q=4.51

QA,50%=0.133 [MJ/(m3ciclo)]

Q [J/(m3 ciclo)]

N. cicli

•L’energia dissipata Q può essere misurata direttamente in un punto di un

componente in prova mediante una misura di temperatura.

• Dato un componente fatto in materiale caratterizzato in energia, la previsione di

vita a fatica (analisi del danneggiamento) risulta immediata e si basa solo su misure

sperimentali di temperatura