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Università del Salento Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Lezioni del corso di

Calcolo e Progetto di Macchine

prof. ing. Riccardo Nobile

Prove Sperimentali di

Meccanica della Frattura

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Considerazioni generali

Le prove di meccanica della frattura hanno l’obiettivo

di determinare la tenacità a frattura di un particolare

materiale nelle condizioni ambientali desiderate

Le prove consistono nella valutazione di come un

parametro di tenacità (K, J, CTOD) si evolva in funzione

dell’estensione della cricca

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Considerazioni generali

Se il meccanismo di frattura è dovuto al clivaggio, la

curva di resistenza del materiale (R curve) è piatta

In genere una sola prova consente di ricavare la

resistenza a frattura del materiale

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Considerazioni generali

Se il materiale presenta un meccanismo di frattura

duttile, la propagazione della cricca almeno nei primi

momenti avviene in maniera stabile

Di conseguenza è possibile utilizzare i dati di una

singola prova per determinare la curva di resistenza

almeno fino al punto di stabilità

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Geometria dei provini

Compact Tension specimen (CT)

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Geometria dei provini

Compact Tension specimen (CT)

Dettaglio dell’intaglio

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Geometria dei provini

Single Edge Notched Bend specimen (SENB)

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Geometria dei provini

Disk specimen

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Geometria dei provini

Arc-shaped specimen

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Geometria dei provini

Middle Tension specimen (MT)

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Parametri geometrici comuni

a – lunghezza della cricca

W – larghezza

B – spessore

In genere:

- a/W = 0.5

- W/B = 2

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Osservazioni sulla geometria dei provini

Le geometrie presentate sono quelle standardizzate

dalle norme e sono quelle utilizzate per la

caratterizzazione dei materiali

Le geometrie più utilizzate sono quelle del Compact

Tensile (CT) specimen e SENB

A fini di ricerca esiste una varietà di geometrie

Il provino CT è più economico perché consente un

notevole risparmio di materiale

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Osservazioni sulla geometria dei provini

Per evitare i fenomeni dell’incanalamento della cricca

(crack tunneling) e della formazione del bordo di taglio

(shear lip) il provino CT può presentare delle cave

laterali

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Orientazione dei provini Nonostante il materiale sia generalmente considerato

omogeneo isotropo, è quanto mai necessario nella

meccanica della frattura conoscere l’orientazione del

provino rispetto ad una direzione preferenziale, ad

esempio quella di laminazione o di forgiatura

L’orientazione comunemente utilizzata è la T-L o S-L

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Orientazione dei provini Per provini estratti da dischi o barre la denominazione

è di questo tipo

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Innesco della cricca Tutti i provini, dopo averne ricavato la corretta

geometria utilizzando delle appropriate lavorazioni

meccaniche, devono essere inizialmente criccati

E’ fondamentale che la cricca abbia un raggio di fondo

intaglio piccolissimo

La maniera ottimale è di realizzare una cricca

applicando dei cicli di fatica

L’innesco della cricca di fatica viene generalmente

favorito da una incisione praticata con una lama

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Innesco della cricca I cicli di fatica producono un apice della cricca avente

un raggio finito con una piccola zona plastica all’apice

I fenomeni di incrudimento e le tensioni residue

presenti nella zona plastica alterano l’originaria tenacità

a frattura del materiale

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Innesco della cricca La cricca di fatica deve soddisfare i seguenti requisiti:

il raggio della cricca di fatica iniziale deve essere

molto piccola rispetto al raggio al momento della

rottura finale

la zona plastica iniziale deve essere limitata

rispetto a quella al momento della frattura

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Misura dell’apertura di una cricca La misura dell’apertura di una cricca viene in genere

realizzata attraverso un estensometro a graffetta (clip

gage)

L’estensometro è costuito du due lamine metalliche

flessibili su cui sono installati 4 estensimetri elettrici a

ponte intero

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Misura dell’apertura di una cricca E’ possibile determinare l’avanzamento della cricca

misurando la corrente elettrica che attraversa il provino

criccato

Con la tecnica della caduta di potenziale (potential drop) si

fa passare una corrente costante tra le due estremità del

provino

L’aumento della tensione applicata al provino è direttamente

proporzionale all’avanzamento della cricca

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Determinazione del KIC – ASTM E399 ASTM E399 – Standard Method of Test for Plane-Strain

Fracture Toughness of Metallic Materials

La norma prevede l’utilizzo di provini CT, SENB, Disk

specimen e Arc-shaped

Le dimensioni sono tali da assicurare che le dimensioni della

zona plastica siano piccole

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Determinazione del KIC – ASTM E399

La verifica delle ipotesi geometriche si può effettuare solo

dopo aver completato il test vero e proprio utilizzando il valore

di tentativo KQ

Il requisito della norma è molto stringente e in pratica

determina la necessità di utilizzare provini di grandi

dimensioni

2

Q

Y

Ka,B 2.5

a0.45 0.55

W

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Determinazione del KIC – ASTM E399

La sollecitazione di fatica utilizzata per generare la cricca

deve essere tale che

L’applicazioni di carichi di fatica di poco superiori a tale

limite possono aver una certa influenza sulla successiva prova

statica

L’indicazione quindi è quella di applicare il più basso livello

di carico possibile

max IK 0.6K

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Determinazione del KIC – ASTM E399

La prova viene eseguita in controllo di carico utilizzando una

velocità tale che

Poiché la prova è condotta in controllo di carico, non appena

la cricca inizia a mostrare i primi segni di accrescimento e

quindi la cedevolezza cresce, la propagazione procede in

maniera estremamente rapida

1/2K MPa m0.55 2.75

t s

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Determinazione del KIC – ASTM E399

Le tipiche curve carico-allungamento hanno il seguente

aspetto

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Determinazione del KIC – ASTM E399

PQ coincide con il carico massimo ovvero con il carico

corrispondente ad una riduzione della rigidezza del 5% (retta

secante 5%)

Si deve verificare che Pmax/P5 < 1.10

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Determinazione del KIC – ASTM E399

Lo scostamento della linearità può dipendere sia dalla

plasticizzazione che dalla effettiva propagazione all’apice della

cricca

Il rispetto di entrambi i requisiti esclude il caso di

plasticizzazioni eccessive

esempio di prova

non valida

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Determinazione del KIC – ASTM E399

Il valore di PQ viene quindi utilizzato per calcolare KQ

Qualora KQ superi le verifiche geometriche, il suo valore è

pari proprio a KIC

Q

Q 1

2

Q

Q 3

2

P aK f

WBW

P S aK f

WBW

- provini CT

- provini SENB

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Determinazione del KIC – ASTM E399

I requisiti per la determinazione di KIC sono così stringenti

da richiedere provini di dimensioni molto grandi, problematici

specie per lo spessore, e possono risultare inapplicabili per i

materiali di interesse strutturale

D’altro canto se KIC può essere determinato in maniera

valida probabilmente il materiale non è adatto per

applicazioni strutturali

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Determinazione del KIC – ASTM E399

Determinare le dimensioni di un provino CT per la

valutazione del KIC di un acciaio strutturale avente le seguenti

caratteristiche:

Y = 350 MPa

KIC ≈ 250 MPa m1/2

2 2

Q

Y

K 250a,B 2.5 2.5 0.816m

350

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Considerazioni sulla modalità di prova di giunti saldati

Il processo di saldatura va ad incidere profondamente sul

comportamento a frattura di un materiale, riducendone in

particolare la tenacità

E’ molto importante quindi valutare attraverso la

sperimentazione l’effetto di un cordone di saldatura sul

comportamento a frattura di un materiale

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Alcune peculiarità dei provini ricavati da giunti saldati

La scelta e la realizzazione dei provini è più difficoltosa

partendo da piastre saldate a causa della presenza di

distorsioni e disallineamenti; talvolta è necessario raddrizzare

le piastre meccanicamente

L’eterogeneità della microstruttura della zona saldata e di

quella termicamente alterata pone dei problemi nella scelta di

dove realizzare l’intaglio

La presenza di tensione residue può rendere difficoltosa la

creazione della cricca iniziale attraverso i cicli di fatica

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Prove Sperimentali di Meccanica della Frattura

Alcune peculiarità dei provini ricavati da giunti saldati

Scelta dell’orientazione del provino

Cricca passante nello spessore

Cricca superficiale

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Alcune peculiarità dei provini ricavati da giunti saldati

Esempio di apice della cricca posizionato al margine del

metallo di apporto

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