Fatica dei metalli

Il cedimento per fatica nelle strutture metalliche sottoposte a carico ciclico può verificarsi senza preavviso a carichi significativamente inferiori alla resistenza ultima di una struttura. È difficile modellare questo comportamento, quindi è importante valutare le caratteristiche di fatica in laboratorio e monitorare le cricche da fatica sul campo.

Il crollo del Silver Bridge sul fiume Ohio portò l'importanza della fatica dei metalli all'attenzione della comunità ingegneristica nel 1967. Il ponte crollò in modo fragile a causa della fatica da corrosione, uccidendo 46 persone. Il cedimento per fatica si è verificato in una connessione della barra oculare non visibile agli ispettori ed è stato probabilmente dovuto a un difetto di fabbricazione.

Il cedimento per fatica può verificarsi poiché i materiali subiscono molti cicli di carichi a sollecitazioni che possono essere solo il 30-40% della loro resistenza finale. La crescita e la propagazione delle cricche durante questo tipo di carico ciclico possono provocare un improvviso cedimento per fatica con pochi segnali di avvertimento. La fatica è un processo complesso con molti fattori che influenzano la resistenza alla fatica.

Condizioni di ciclo elevato e basso intervallo di sollecitazione si verificano in apparecchiature o strutture con parti mobili o carichi, come automobili su ponti o macchinari rotanti in un impianto di produzione. La fatica a basso numero di cicli e ad alto intervallo di sollecitazione si verifica in situazioni come i terremoti.

Questo video illustrerà la necessità di test di laboratorio sui materiali e il monitoraggio di strutture soggette a ripetute basse sollecitazioni e ad alto carico di ciclo per evitare catastrofici cedimenti per fatica.

Una cricca da fatica di solito inizia ad angolo rispetto alla normale sollecitazione, ma poi gira e cresce perpendicolarmente alla principale sollecitazione di trazione. La cricca si propaga sotto trazione o sollecitazione pura, ma non sotto sollecitazione di compressione.

Dopo ripetuti caricamenti, la crepa raggiunge una lunghezza critica e si propaga improvvisamente alla velocità del suono, portando a un guasto immediato. La crescita iniziale della cricca produce caratteristici segni di spiaggia sulla superficie della frattura da fatica. Sulla superficie del materiale si produce una superficie di frattura più ruvida che si rompe improvvisamente.

Il cedimento per fatica è definito dal numero di cicli e dall'intervallo di sollecitazione fino al cedimento. All'aumentare dell'intervallo di sollecitazione applicata, il numero di cicli fino al cedimento diminuisce. La maggior parte dei metalli e delle leghe ferrose ha un limite di resistenza al di sotto del quale non si guastano indipendentemente dal numero di cicli. I cicli a un particolare intervallo di sollecitazione sono casuali nel carico ciclico reale. Per questo motivo, esiste più di un intervallo di sollecitazione e più di un numero corrispondente che rappresenta i cicli fino al cedimento.

La regola del miner viene utilizzata definendo un insieme di intervalli di stress e raggruppando i cicli in questi intervalli. Il numero di cicli di carico previsti viene diviso per i cicli fino al cedimento per ciascun intervallo di sollecitazione e sommato. Se la somma è maggiore di 1, è possibile il cedimento per fatica. Sebbene non esista una base fisica per questa equazione, è utile per scopi di progettazione ingegneristica. Un gran numero di intervalli di sollecitazione e cicli di rottura possono essere testati utilizzando un test a trave rotante.

In questo test, viene utilizzata una configurazione di flessione a sbalzo mentre il provino viene ruotato. Il carico da applicare viene determinato utilizzando il carico di snervamento per calcolare una serie di intervalli di sollecitazione. Ad esempio, un tipico acciaio strutturale ha un carico di snervamento di 50 ksi e il calcolo per il primo intervallo di sollecitazione di più o meno 15% fornisce un carico di più o meno 7,5 ksi. Questo carico viene applicato e il campione subisce la massima tensione e compressione completa durante ogni giro.

Viene prodotta una curva S-N che mette in relazione l'intervallo di sollecitazione con il valore logaritmico del numero di cicli fino al cedimento. Nella prossima sezione, testeremo i campioni di acciaio utilizzando una macchina a trave più rotante per produrre una curva S-N per il materiale.

Ottenere cinque campioni di grado A572 da testare utilizzando una configurazione a sbalzo rotante su una macchina a trave rotante Moore. Le dimensioni dei campioni utilizzati e le distanze dai punti di carico sono specifiche per la macchina di prova utilizzata.

Queste dimensioni possono variare in base alla configurazione del test. I nostri esemplari sono lunghi 2,40 pollici e hanno un diametro di 0,15 pollici. La piccola sezione a collo di ogni esemplare è lunga 0,50 pollici e ha un diametro di 0,04 pollici.

Montare il primo provino nella macchina con la sezione a collo vicino al centro della trave. Misurare la distanza dal centro del provino al punto di carico. Allineare con cura i campioni in modo che la trave ruoti liberamente e senza oscillare, quindi applicare un carico all'estremità del cantilever. Il provino a sbalzo viene caricato in punta utilizzando un carico puntuale generato da una serie di molle e il cui valore è monitorato da una cella di carico. Il carico viene applicato attraverso un cuscinetto in modo che la forza sia sempre rivolta verso il basso mentre la trave ruota.

La velocità della macchina viene impostata a 1400 giri/min, il contatore dei cicli viene impostato su 0 e viene avviato il test. La velocità, le dimensioni del campione e la sollecitazione applicata variano a seconda della macchina di prova. Attendere che il campione si guasti e registrare il numero di cicli fino al cedimento. Rimuovere il campione fallito dalla macchina di prova e ispezionare le sue superfici di frattura.

Ripetere, testando un campione in ciascuno degli intervalli di sollecitazione da testare. Molti più campioni dovrebbero essere testati in ogni intervallo di stress per ottenere dati statisticamente validi.

Tabulare gli intervalli di sollecitazione e il numero di cicli e tracciare i risultati. La tensione di snervamento effettiva del provino era di 65,3 ksi e la sua resistenza alla trazione era di 87,4 ksi. Gli intervalli di sollecitazione qui mostrati corrispondono tra il 23% e il 92% della resa.

I dati mostrano che per un intervallo di stress superiore a 15 ksi e cicli inferiori a 100.000, c'è una diminuzione della relazione lineare tra l'intervallo di stress e il log del numero di cicli. La linea di adattamento indica quindi per un intervallo di sollecitazione di 25 ksi, il numero di cicli fino al cedimento è di circa 31.000.

Al di sotto di un intervallo di sollecitazione di 15 ksi, non è indicato alcun guasto. Questo è considerato il limite di resistenza. L'affidabilità del limite di resistenza può essere migliorata testando più campioni tra 10 ksi e 20 ksi.

Se si presume che la storia del carico ciclico di un ponte consista in un numero di cicli e intervalli di sollecitazione e conosciamo il comportamento a fatica del materiale, possiamo utilizzare la regola di Miner per calcolare i cicli fino al cedimento.

Come previsto, in percentuale, gli intervalli di stress più elevati hanno un impatto molto maggiore sull'accumulo di danni. La struttura sembra essere vicina alla sua capacità di vita a fatica di progetto poiché il valore è vicino a 1,0.

Ora che hai apprezzato il ruolo del carico, del test e del monitoraggio ciclico nel cedimento per fatica, diamo un'occhiata a esempi di come la fatica influisce sulle strutture che usiamo ogni giorno.

I ponti subiscono quotidianamente un carico ciclico. Fortunatamente è stato evitato un guasto catastrofico sul ponte sul fiume Brandywine a Wilmington, nel Delaware. Una crepa significativa scoperta da un jogger sul sentiero sottostante nel 1997 è stata trovata propagarsi da un difetto di brandimento. Le riparazioni sono state effettuate e il ponte continua a trasportare 6 corsie di traffico mentre viene monitorato nel suo utilizzo.

Gli ingegneri hanno immerso la fusoliera in una piscina per simulare la pressurizzazione e la depressurizzazione dopo che 3 aerei sono esplosi in volo negli anni '50. È stato determinato che dopo ripetuti carichi dovuti alle concentrazioni di sollecitazioni agli angoli delle finestre, si è verificato un cedimento per fatica. Di conseguenza, il design moderno degli aeroplani include angoli più arrotondati per contrastare questa forza e ridurre le concentrazioni di stress.

Hai appena visto l'introduzione alla fatica dei metalli di JoVE. A questo punto dovreste comprendere l'idea del carico ciclico e il suo effetto sul cedimento a fatica dei metalli.

Grazie per l'attenzione!