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Meccanica del mezzo continuo e dei
materiali
AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)
Cap. ATS-H01 - Meccanica - Pag. ATS-H01.14
Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2012 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina
- Principi di Meccanica della Frattura
- Determinazione KIC (ASTM E 399)
- Rottura per fatica
- Scorrimento viscoso
- Usura
Spesso gli elementi strutturali sono soggetti a rotture improvvise per sollecitazioni statiche inferiori alla tensione di rottura del materiale senza che si verifichino deformazioni macroscopiche apprezzabili.
In molti casi la rottura inizia da una discontinuità (o difetto) del materiale, anche di piccole dimensioni, avente raggio di curvatura nullo alle estremità (frattura, cricca) che, a certe condizioni, si propaga a velocità elevata. Difetti iniziali possono essere: microporosità, inclusioni di sostanze estranee, profondi graffi superficiali, delaminazioni in materiali a strati.
I fattori da cui dipende il fenomeno sono: la dimensione del difetto, lo stato tensionale, le caratteristiche del materiale, la geometria dell'elemento nelle vicinanze del difetto, la temperatura.
La propagazione dei difetti con raggio di raccordo nullo è oggetto di studio della meccanica della frattura, che si basa su un’idealizzazione del materiale considerato come continuo, studiato mediante la teoria dell'elasticità lineare o dell’elasto-plasticità. Il problema è studiato da un punto di vista macroscopico.
Le strutture sono normalmente progettate in modo che le sollecitazioni esterne non superino in alcun punto il limite di elasticità del metallo. Una specifica di progetto di questo tipo mette la struttura al riparo da una rottura classica di tipo duttile.
Tuttavia altre modalità di rottura sono spesso osservate (fragile oppure semi-fragile). Questo evento può avere luogo in circostanze diverse da quelle usuali, quali, ad esempio:
- basse temperature;
- elevate velocità di applicazione del carico;
- difetti preesistenti oppure generatesi durante il servizio
Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamente
elastico nella quale sia presente una fessura passante di lunghezza 2a e di spessore trascurabile, lo sforzo normale σn, in prossimità dell’apice della cricca, ortogonale al piano della fessura stessa, è legato alla geometria della cricca attraverso un parametro KI detto il fattore di intensità delle tensioni (modo I). Tale intensificazione delle tensioni è dovuta proprio alla presenza contemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuità della matrice metallica.
Propagazione della cricca rispetto alla direzione di laminazione
IC( )
La metodologia è basata su prove di trazione o di flessione su tre punti effettuate su provette intagliate e precriccate a fatica. Durante queste prove di trazione o di flessione si registra la curva carico-apertura dell’apice dell’intaglio (Load-COD, ove per COD si intende Crack Opening Displacement) e si determina il carico che corrisponde ad una propagazione della cricca del 2%.
Le condizioni che devono essere prese in considerazione affinché il risultato sia valido sono:
• La zona plastica all’apice della cricca deve essere trascurabile rispetto alle dimensioni del provino, in modo che il comportamento sia il più possibile elastico.
• Le dimensioni del provino devono essere sufficienti da assicurare per la prova delle piene condizioni di deformazione piana.
Difetti ed anomalie nei metalli:
• Vacanze reticolari - Rottura
• Dislocazioni
• Struttura policristallina finale
• Inclusioni non metalliche
• Porosità - Striature
• Segregazioni fatica
• Tensioni residue
Le condizioni della superficie influenzano la resistenza a fatica L’ambiente influenza la resistenza a fatica.
Possibilità riduzione della frequenza rottura per fatica:
• Ottimizzare disegno del pezzo.
• Scelta del metallo e del ciclo di lavorazione.
• Controlli di accettazione dei semilavorati e dei pezzi finiti.
• Controlli in esercizio.
Per migliorare il comportamento a fatica si può:
• Migliorare la finitura della superficie.
• Incrudire superficialmente.
• Indurire superficialmente.
• Effettuare cicli di “allenamento”.
• Proteggere contro attacchi corrosivi.
E’ un fenomeno di deformazione continuamente crescente nel tempo, con il carico che resta costante nel tempo. I meccanismi principali sono legati ai processi di incrudimento e di ricristallizzazione:
Struttura migliore
• Slittamento piani cristallografici (movimento dislocazioni)
• Formazione sottograni
• Scorrimento del bordo dei grani
Si definisce temperatura omologa di un metallo To il rapporto fra la temperatura a cui si trova il metallo e la sua temperatura di fusione, entrambe espresse in K.
Lo scorrimento viscoso inizia ad attivarsi per To superiori a 0.4 ÷ 0.5
Tutti gli ostacoli alla restaurazione favoriscono la tenuta allo scorrimento viscoso:
- struttura cristallina compatta (EC oppure CFC);
- presenza di precipitati stabili termicamente;
- dato che la rottura avviene essenzialmente per decoesione intergranulare, la presenza dei bordi grano è negativa; da questa considerazione ha origine lo sviluppo di metalli a solidificazione orientata o monocristallini.
E’ dovuta alla interazione fra superfici in contatto ed in moto relativo.
Consiste in una progressiva asportazione di metallo dalla superficie.
Si possono distinguere:
• Usura adesiva: si hanno delle locali saldature in corrispondenza delle asperità superficiali, e può essere distinta in usura leggera (il ponte che si forma ha una resistenza inferiore dei due metalli base) oppure forte (il ponte ha una resistenza superiore).
• Usura abrasiva: si ha quando si ha l’interposizione fra le superfici a contatto di particelle estranee dure.
• Usura corrosiva
• Usura erosiva
• Usura per fatica
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