fatica aero
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Corso di Laurea Ingegneria Aerospaziale
Affidabilit dei sistemi
Prof. Stefano Beretta
RICHIAMI sulla RESISTENZA a FATICA
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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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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.
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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!).
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
5 Fatica: levidenza sperimentale (4)
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).
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
6 Fatica: levidenza sperimentale (5)
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
7 Fatica: levidenza sperimentale (6)
Il caso del COMET ha mostrato che tutti gli intagli sono critici nei componenti sollecitati a fatica
Sperimentazione di laboratorio Rottami recuperati in mare
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
9 Fatica: levidenza sperimentale (9)
Sospensione automobilistica e carichi variabili nel tempo.
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
10 Fatica: levidenza sperimentale (10)
Sospensione automobilistica e carichi variabili nel tempo.
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
11 Fatica: levidenza sperimentale (11)
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
12 Fatica: limportanza
200 billion $ per years spent for fatigue failures
Italy, March 2004
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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.
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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.
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
15 Fatica: il fenomeno fisico (3)
Schema del fenomeno della nucleazione
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.
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
16 Fatica: il fenomeno fisico (4)
Schema del fenomeno della nucleazione
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
17 Fatica: il fenomeno fisico (5)
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
18 Fatica: il fenomeno fisico (6)
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
19 Fatica: le fratture (1)
Apparenza delle rotture per fatica Provino per prove di flessione rotante in laboratorio d = 6 mm
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20 Fatica: la frattura (2)
Apparenza delle rotture per fatica Dente di ruota dentata con trattamento di cementazione
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
21 Fatica: la frattura (3)
Apparenza delle rotture per fatica Provino per prove di flessione rotante in laboratorio d = 6 mm
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
22 Fatica: il fenomeno fisico (7)
Schema del fenomeno della propagazione da un difetto La propagazione pu partire da un difetto esistente allinterno del materiale, come quello illustrato nella foto
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
23 Fatica: aspetto generale fratture
Apparenza schematica delle rotture per fatica trazione compressione flessione alternata flessione rotante
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
24 Fattore di intaglio a fatica
Una evidenza sperimentale piuttosto tipica
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
26 Fatica: la macchina di prova a flessione rotante
Foto di macchina di prova a flessione rotante
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
27 Fatica: la macchina di prova a flessione rotante
Foto di macchina di prova a flessione rotante (dettaglio)
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
28 Il diagramma di Whler 1 scala lineare
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
29 Il diagramma di Whler 2 scala lineare-logaritmica
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
30 Il diagramma di Whler 3 scala doppio logaritmica
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
31 Fatica: la sequenza di fenomeni
Cosa accade facendo una sperimentazione di laboratorio con carichi schematizzati con sinusoidi?
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
32 Fatica: la sequenza di fenomeni
Possiamo tracciare diagrammi nei quali siano separate: nucleazione propagazione (fino alla rottura del provino)
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
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
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
36 Fatica: la schematizzazione dei carichi variabili
con prove di laboratorio (3)
Definizioni
max
min
minmaxmed
minmaxa
R
2
2
!!=
!+!=!
!"!=!
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
37 Fatica: la schematizzazione dei carichi variabili
con prove di laboratorio (4)
I casi possibili sono molti:
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
38 Il diagramma di Whler 3 scala doppio logaritmica
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
39 Il diagramma di Whler 4 - schema del diagramma
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
40 Fatica: rapporti di fatica
faf
mR!
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
41 Fatica: rapporti di fatica
faf
mR!
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S. Beretta Introduzione alla resistenza a fatica
42 Fattore di intaglio a fatica
Influenza combinata di materiale e intaglio a fatica
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S. Beretta Introduzione alla resistenza 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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