Fatica Aero

Corso di Laurea Ingegneria Aerospaziale

Affidabilit dei sistemi

Prof. Stefano Beretta

RICHIAMI sulla RESISTENZA a FATICA

S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica

2 FATICA: LEVIDENZA SPERIMENTALE

Nel corso della storia dellindustria moderna sono avvenute rotture improvvise e inaspettate in: organi di macchine componenti strutture di macchine poco sollecitati rispetto ai limiti statici dei materiali, al di sotto del limite elastico, ma soggetti a sforzi variabili nel tempo. Esempi: assali ferroviari strutture, componenti e fusoliere di aerei alberi a gomiti ingranaggi e moltissimi altri


3 Fatica: levidenza sperimentale (2)

Assale ferroviario sollecitato a flessione rotante, con andamento che, in prima schematizzazione, sinusoidale, pi eventuale momento torcente.

Questo il disegno di uno dei primi cedimenti di assale ferroviario che si ricordi: incidente di Versailles,1842.


4 Fatica: levidenza sperimentale (3) Assale ferroviario Lassale sollecitato come una trave, ma ruota, quindi lo sforzo in ogni suo punto ha un andamento nel tempo variabile sinusoidalmente (se ruota a velocit costante!).



Fusoliera di aereo sollecitata a pressione pulsante, con andamento tipico

Si osserva che la differenza di pressione fusoliera/esterno segue un ciclo base cui sono sovrapposti cicli a frequenza maggiore (turbolenze, variazioni di quota etc).



Purtroppo vi sono stati numerosi incidenti dovuti a sottovalutazione degli effetti dei carichi variabili nel tempo. Il caso del COMET nei primi anni 50 rimasto famoso ed ha fornito preziosi insegnamenti



Il caso del COMET ha mostrato che tutti gli intagli sono critici nei componenti sollecitati a fatica

Sperimentazione di laboratorio Rottami recuperati in mare


8 Fatica: levidenza sperimentale (8) In generale i carichi sulle macchine non sono costanti, ma variabili nel tempo. Landamento dipende da molti fattori: funzionamento della macchina, utilizzo, altri fattori esterni, etc.

a. assale di autovettura b. pressione in un reattore c. ruota di vettura d. Mt albero laminatoio e. Mf fuso a snodo f. accelerazione aereo militare g. pressione oleodotto h. accelerazione aereo civile



Sospensione automobilistica e carichi variabili nel tempo.



In sintesi Levidenza sperimentale dimostra che si verificano cedimenti per carichi variabili nel tempo che assumono valori nettamente inferiori non solo al carico di rottura ma anche al carico di snervamento.

questo fenomeno si chiama

FATICA DEI MATERIALI e vale per tutti i materiali: metallici polimerici compositi etc


12 Fatica: limportanza

200 billion $ per years spent for fatigue failures

Italy, March 2004


13 FATICA: IL FENOMENO FISICO

Perch si verificano rotture per fatica con carichi variabili nel tempo inferiori allo snervamento o al limite elastico? La rottura per fatica, a differenza di quella monotna (cosiddetta statica: prova di trazione, carico crescente applicato una volta sola fino a rottura), pu avvenire fondamentalmente in due modi: per nucleazione, partendo dal vivo del materiale integro, con una cricca o fessura che inizia in una zona ad elevata sollecitazione (intagli etc) e si propaga ciclo dopo ciclo fino a interessare tutta la sezione che poi cede di schianto quando indebolita; a partire da un difetto (inclusione, etc) preesistente, e successiva propagazione, non necessariamente nella zona di massima solelcitazione.


14 Fatica: il fenomeno fisico (2)

Schema del fenomeno della nucleazione

Sulla superficie libera si nuclea la cricca, che, ciclo dopo ciclo, propaga allinterno del materiale (fra i grani o a bordo grano) fino a indebolire la sezione al punto che si rompe staticamente perch lo sforzo, a causa dellarea ridotta, diventato pari al carico di rottura.




Il meccanismo, schematicamente, quello dello scorrimento irreversibile di piani cristallini spessi circa 0,1 m, che, con cicli di carico successivi, producono in superficie un piccolo intaglio che diventa una cricca di fatica, che poi si propagher.



Schema del fenomeno della propagazione Dopo la nucleazione, per effetto del carico variabile nel tempo la cricca propaga allinterno del materiale, in direzione alincirca ortogonale al piano dello sforzo principale massimo



Schema del fenomeno della propagazione La propagazione avviene ciclo dopo ciclo, ed ogni ciclo fa avanzare la cricca di una piccola quantit che pu essere rilevata sulla superficie della frattura


19 Fatica: le fratture (1)

Apparenza delle rotture per fatica Provino per prove di flessione rotante in laboratorio d = 6 mm


20 Fatica: la frattura (2)

Apparenza delle rotture per fatica Dente di ruota dentata con trattamento di cementazione


21 Fatica: la frattura (3)

Apparenza delle rotture per fatica Provino per prove di flessione rotante in laboratorio d = 6 mm



Schema del fenomeno della propagazione da un difetto La propagazione pu partire da un difetto esistente allinterno del materiale, come quello illustrato nella foto


23 Fatica: aspetto generale fratture

Apparenza schematica delle rotture per fatica trazione compressione flessione alternata flessione rotante


24 Fattore di intaglio a fatica

Una evidenza sperimentale piuttosto tipica


25 Fatica: la macchina di prova a flessione rotante

Schema della macchina di prova a flessione rotante, la pi semplice ed economica macchina per prove di fatica



Foto di macchina di prova a flessione rotante



Foto di macchina di prova a flessione rotante (dettaglio)


28 Il diagramma di Whler 1 scala lineare


29 Il diagramma di Whler 2 scala lineare-logaritmica


30 Il diagramma di Whler 3 scala doppio logaritmica


31 Fatica: la sequenza di fenomeni

Cosa accade facendo una sperimentazione di laboratorio con carichi schematizzati con sinusoidi?


32 Fatica: la sequenza di fenomeni

Possiamo tracciare diagrammi nei quali siano separate: nucleazione propagazione (fino alla rottura del provino)


33


34 Fatica: la schematizzazione dei carichi variabili con prove di laboratorio (1)

Le sollecitazioni variabili nel tempo possono (o devono) essere schematizzate con cicli semplici, per effettuare in laboratorio sperimentazioni facilmente interpretabili per comprendere il fenomeno: andamento sinusoidale dello sforzo nel tempo ampiezza costante Inoltre applicando sforzi semplici: trazione-compressione flessione torsione a provini di forma semplice


35 Fatica: la schematizzazione dei carichi variabili con prove di laboratorio (2)

Andamento sinusoidale dello sforzo nel tempo: i parametri sono: ampiezza sollecitazione media, minima, massima


36 Fatica: la schematizzazione dei carichi variabili

con prove di laboratorio (3)

Definizioni

max

min

minmaxmed

minmaxa

R

2

2

!!=

!+!=!

!"!=!


37 Fatica: la schematizzazione dei carichi variabili

con prove di laboratorio (4)

I casi possibili sono molti:


38 Il diagramma di Whler 3 scala doppio logaritmica


39 Il diagramma di Whler 4 - schema del diagramma


40 Fatica: rapporti di fatica

faf

mR!


41 Fatica: rapporti di fatica

faf

mR!


42 Fattore di intaglio a fatica

Influenza combinata di materiale e intaglio a fatica


43 Il diagramma di Whler

il diagramma S-N del pezzo diverso da quello del materiale e risente di:

Dimensioni; Finitura; Intagli.

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