Prove da sforzo: come prevenire ed eliminare i problemi di fatica strutturale

La fatica strutturale dei materiali è un processo che porta a un cedimento meccanico locale, causato da un carico alternato, variabile e solitamente di valore molto inferiore rispetto a un carico statico che porta alla rottura. Il cedimento meccanico può essere caratterizzato da fessurazioni, screpolature o rottura completa dopo un numero sufficiente di galleggiamenti.

Se si considera la dipendenza dal materiale e dalla geometria, si può affermare che la fatica è locale, progressiva e cumulativa. Sono stati necessari molti sforzi, tempo e investimenti in ricerca e prove per comprendere e cercare di prevenire i guasti meccanici dovuti alla fatica dei materiali.

Il documento "Fatigue and Durability of Structural Materials" (Fatica e durabilità dei materiali strutturali) di S.S. Manson e G.R Halford, ASM, sulla base di studi approfonditi del NIST (National Institute of Standards and Technologies), dimostrano che su 230 pezzi falliti documentati e valutati, 141 si sono guastati a causa della fatica.

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Stima e calcolo della vita da sforzo dei materiali

L'analisi e le prove da sforzo richiedono all'analista o allo sperimentatore l'utilizzo delle seguenti informazioni: geometria del componente, carico applicato e proprietà del materiale. 

Con queste informazioni e una metodologia appropriata, si ottiene la vita o la durata del componente. L'immagine idealizza il flusso di informazioni per la stima della vita sotto sforzo di un provino, di un componente o di un sistema.

Un dato fondamentale per questa valutazione è la proprietà del materiale, che si ottiene dai test.

Le proprietà principali dei materiali sono tre: la vita in funzione della sollecitazione nominale, la vita in funzione della deformazione locale e la relazione ciclica sollecitazione-deformazione.

La prima è una curva chiamata curva SN (stress - life): S - stress e N - numero di cicli di carico fino al cedimento (life). Occorre tenere presente che i carichi, e quindi le sollecitazioni, sono alternati e ciclici.

Quindi, N è il numero di cicli di carico applicati fino al cedimento del componente, ad esempio la vita del componente espressa in numero di cicli di carico. Il fallimento sarà caratterizzato dalla perdita delle funzionalitá.

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Una delle verifiche a fatica tipica per rilevare le proprietà di fatica dei materiali è stata originariamente ideata da August Wöhler: la prova di flessione rotante, in cui si prevede che l'applicazione del carico sia simile a quella di un albero rotante carico: l'intera superficie del provino sarà sottoposta a sollecitazioni di trazione e compressione a ogni ciclo.

La proprietà di durata del materiale in funzione della deformazione locale è data da una curva chiamata E-N (Epsilon-N) dove E è la deformazione locale e N è il numero di cicli di carico fino alla rottura. In questo tipo di prova, il cedimento è dato dall'innesco di una cricca e la prova viene eseguita su provini standardizzati.

I campioni utilizzati in questa prova sono di alta qualità, trattati superficialmente per evitare tensioni residue e lucidati. La premessa dell'assenza di fessure iniziali è fondamentale.

La prova viene eseguita e le proprietà rilevate in conformità alla E0606 "Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing" e al Manuale "ASTM STP 465 on Low Cycle Fatigue Testing". Si ottengono le curve E-N (Deformazione - Cicli di Vita) e la curva ciclica Sforzo - Deformazione.

Vediamo una curva E-N.

La curva sforzo-deformazione ciclica (CSSC) del materiale si ottiene dalla stessa prova.

La figura seguente mostra una curva di sollecitazione-deformazione ciclica ricavata dalla fine dei cicli di isteresi e confrontata con una curva monotona di sollecitazione-deformazione ricavata da una prova statica del materiale.

Ansys Workbench Fatica Meccanica e stima della vita da sforzo

I metodi di stima della vita sotto sforzo SN e EN fanno parte degli strumenti di analisi strutturale del software CAE basati sul metodo degli elementi finiti.

Le proprietà meccaniche del materiale, e in particolare le curve SN ed EN, ottenute dalle prove sotto sforzo sono riportate nel software. Il modello matematico a elementi finiti rappresenta naturalmente la geometria del componente, mentre il carico alternato e le sollecitazioni e le deformazioni calcolate sono altri dati necessari per eseguire la stima della durata.

Questa prova virtuale permette di valutare la vita della struttura con una rapida variazione di una qualsiasi delle variabili (geometria, carico, proprietà) a un costo molto basso rispetto a una prova di laboratorio.

Lo strumento Ansys Mechanical Workbench Fatigue è usato per semplici casi di carico e con capacità di base di stima della vita sotto sforzo, mentre un secondo strumento completo di stima della vita sotto sforzo, Ansys nCode Design Life, è stato sviluppato in collaborazione con HBM-Prenscia (nCode).

Per le analisi a elementi finiti, Ansys Mechanical è il vostro strumento di risoluzione dei problemi. 

L'uso di strumenti CAE consente di valutare la vita delle strutture nelle prime fasi della progettazione, nella fase di dettaglio, nella fase di collaudo e prototipazione dei componenti e successivamente per la struttura in servizio. Ciò rende l'analisi molto utile per comprendere il comportamento e stimare la vita da sforzo delle strutture.

Questa valutazione ci permette di valutare se si verificheranno guasti e di prendere decisioni per prevenirli. Per saperne di più sugli strumenti CAE e sull'implementazione della simulazione nella vostra azienda, contattate ESSS.

Il Batelle Institute (Batelle Columbus Laboratories), in collaborazione con lo stesso NIST, ha dimostrato che il costo totale dei guasti dei componenti dovuti alla fatica per l'economia statunitense era di 119 miliardi di dollari, circa il 4% del PIL dell'epoca (1982).