La fatica

La rottura per fatica si attiva per mezzo di un processo a 3 stadi:

• innesco della frattura. L’innesco è sviluppato in profondità, quindi superficialmente non si notano differenze . Nello specifico possiamo notare:

  • nucleazione della cricca. In questa fase si innesca il processo di rottura per fatica, si ha l’effetto d’intaglio

• propagazione della frattura. Questa fase procede rapidamente e generalmente porta ad una zona irregolare. Entrando nello specifico possiamo notare:

  • propagazione della cricca. La cricca si propaga per un tratta a 45° lungo i difetti di estrusione, per poi proseguire ortogonalmente. Ad ogni ciclo della forza, la cricca si estende

• frattura finale. La cricca avanza, diminuendo la sezione resistente. Quando la cricca raggiunge il valore della sezione critica del materiale, si ha la rottura finale per schianto

Sul nostro materiale possono agire sollecitazioni di:

• trazione

• compressione

• pressione

• torsione

Queste sollecitazioni possono essere semplici (presenza di una sola sollecitazione) o combinate (più sollecitazioni contemporanee).

Generalmente, la sollecitazione più presente è quella di flessotorsione (quindi trazione, compressione e torsione).

Generalmente si suppone che l’andamento della sollecitazione sia sinusoidale. Il grafico (tempo; intensità) risultante avrebbe quindi nel primo e quarto quadrante una sinusoide. Individuando l’asse di inversione della sinusoide, possiamo trovare:

• σmax -> max valore algebrico toccato dalla tensione durante il ciclo

• σmin -> min valore algebrico toccato dalla tensione durante il ciclo

• σmedio -> tensione media. È la semisomma= (σmax + σmin) / 2

• σa = ampiezza di tensione. È la semidifferenza. σa = (σmax - σmin) / 2

Questi dati vanno individuati per ciclo. Un ciclo è l’insieme di valori assunti dalla funzione(tensione-tempo). I cicli sono fondamentali per individuare la durata del materiale, ovvero la quantità di cicli che può sopportare prima di rompersi.

Non bisogna assumere che solo i materiali criccati o intagliati possano rompersi per fatica: tutti i materiali sono caratterizzati da disomogeneità, micro-vacanze e micro-difetti reticolari.

Queste irregolarità interne del materiale generano una disomogeneità del materiale considerato, diventando punti dove gli sforzi si possono localizzare.

In queste porzioni di materiale, è facile superare il limite di snervamento, proprio perché le tensioni non sono uniformi. Questo può verificarsi anche se localmente la tensione calcolata è più bassa di quella che porterebbe a rottura.

La rottura a fatica è quindi difficile da prevedere e improvvisa. La rottura a fatica dipende dal livello di tensione alternata (periodica) e da come sono distribuite le disomogeneità nel materiale.

Le curve di Wohler sono curve che permettono di esporre i dati relativi alla fatica per il materiale considerato.

Queste curve permettono di mettere in relazione la componente di sollecitazione alternata di un certo ciclo di fatica col numero di cicli che il provino ha sopportato prima di rompersi.

Queste curve si rappresentano in un grafico(logN; σ). Notare come i cicli si indichino in scala logaritmica: questo è dovuta al fatto che un materiale deve sopportare un numero elevato di cicli (se così non è, il materiale è difettoso o inadeguato o ci sono altri problemi).

La curva che viene rappresentata è di tipo sperimentale/empirico, ovvero si ottiene facendo esperimenti che vengono accertati nella loro coerenza.

Per costruire la curva:

• si fissa un determinato ciclo di sollecitazione con una data ampiezza

• si applica questo ciclo ad un numero elevato di provini

• si annota il numero di cicli che i provini sopportano prima di rompersi

• si costruisce la curva

• si ripete quanto fatto con valori differenti di tensione alternata

I cicli di applicazione possono essere sostanzialmente differenti. Si distingue sempre però una sinusoide.

Dopo un certo numero di cicli (10^3 - 10^5) il materiale perde le sue caratteristiche e arriva a fine vita. Con tensioni inferiori al limite di fatica σ🇩 (asintoto orizzontale) un materiale avrà vita virtualmente infinita, nonostante i cicli.

Viceversa, sopra questo limite la rottura sarà inevitabile. L’obiettivo di un progettista quindi è quello di trovare il materiale idoneo all’applicazione con un limite di fatica abbastanza alto da non soffrire dei cicli.

NOTA: Si può decidere di costruire il grafico anche con una scala doppio logaritmica, questo consente di trasformare le curve in rette e avere un grafico più leggibile.

Diagramma con lo scopo di prevedere la durata di un organo sottoposto a una sollecitazione di una certa entità o di valutare entro quali limiti debba essere contenuta la sollecitazione affinché la vita del pezzo possa superare una certa durata.

Questa tipologia di diagrammi variano leggermente per i tipi di sollecitazione presi in esame.

Il grafico si compone in questo modo:

Asse Y [in ordine di altezza decrescente]

• Rm (carico di rottura statico)

• ReL (carico di snervamento)

• σ 'Fa (limite di resistenza a fatica pulsante dallo zero)

• σ Fa (limite di resistenza a fatica alternata)

Asse X

• σ m (tensioni medie)

Si collegano i punti in successione:

• C-A-E-H-G dove rappresenta le tensioni limite massime (σ LFmax)

• D-B-F-K-G dove rappresenta le tensioni limite minime (σ LFmin)

Si può notare:

• il segmento AB rappresenta un ciclo alterno asimmetrico

• il segmento CD rappresenta un ciclo alterno simmetrico

• il segmento EF rappresenta un ciclo pulsante dallo zero

• il segmento HG è la linea della deformazione plastica, corrispondente al raggiungimento della tensione di snervamento ReL

Il diagramma di Goodman-Smith, quindi, consente di leggere, per un valore qualunque della tensione media, i rispettivi valori delle tensioni limite di fatica, corrispondenti ai diversi tipi di sollecitazione.