Fasi della vita a fatica

3.2.3.1 Nucleazione della cricca

Le indagini a livello microscopico condotte nel corso del Novecento hanno messo in luce come il fenomeno prenda avvio da piccole microcricche in corrispondenza delle bande di scorrimento, che si formano, in modo praticamente istantaneo al momento dell’applicazione del carico, nei grani i cui piani di scorrimento sono più favorevolmente orientati rispetto alla sollecitazione esterna e che poi crescono in dimensione e numero, interessando più grani.

Anche se il carico macroscopico esterno rimane sempre al di sotto del valore di snervamento, localmente il valore dello sforzo può superare tale limite a seguito dell’intensificazione delle tensioni in corrispondenza di microintagli e discontinuità, quali bordi di grano, inclusioni e rugosità superficiale. Ciò determina la manifestazione a livello locale di deformazioni plastiche, come risultato del movimento delle dislocazioni all’interno del reticolo cristallino, limitate ad un piccolo

La fatica

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numero di grani del materiale, poiché il livello tensionale, inferiore al valore di snervamento, è modesto.

Figura 3.4: Nucleazione della cricca

La nucleazione delle microcricche è favorita in corrispondenza della superficie libera dell’elemento per un concorso di cause:

- essendo il materiale presente solamente su un lato, la deformazione, impedita in misura minore, può avvenire per tensioni inferiori;

- in superficie sono in genere presenti difetti microscopici (rugosità superficiale, micro-intagli, ecc.) che favoriscono l'innesco;

- sulla superficie possono essere presenti intagli o cavità che determinano la concentrazione delle tensioni in corrispondenza di essi;

- in superficie sono massimi gli sforzi dovuti alle sollecitazioni di flessione e torsione. Anche se la superficie viene lavorata in modo da eliminare le irregolarità che possono dare avvio alla frattura, il materiale, a seguito dell’innescarsi dei fenomeni di scorrimento, ricrea le irregolarità attraverso la formazione delle già citate microintrusioni e microestrusioni.

La superficie dell’elemento metallico riveste quindi un ruolo importante per la vita a fatica del pezzo ed è necessario prestare la giusta attenzione alla finitura superficiale degli elementi impiegati. Per prevenire il danneggiamento per fatica o per migliorare la resistenza ad esso, oltre a fare in modo che l’elemento non presenti intagli o brusche variazioni di sezione che possano amplificare localmente gli sforzi e favorire la nucleazione di cricche di fatica, si ricorre a trattamenti superficiali di vario genere con differenti risultati; essi sono esposti con maggiore dettaglio al paragrafo 3.4.2.

A differenza di quanto avviene nei materiali duttili come i metalli, che sono oggetto della presente trattazione, nei materiali a comportamento fragile non si ha la formazione delle bande di

Aspetto microscopico

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scorrimento e le microcricche si formano direttamente in corrispondenza di discontinuità, come inclusioni e vuoti, e da qui procedono lungo i piani in cui è massimo lo sforzo di trazione.

In generale molte microcricche arrestano il loro sviluppo e solo alcune raggiungono profondità di alcune decine di µm.

3.2.3.2 Propagazione della cricca

All’interno del processo di accrescimento delle cricche, che si formano in corrispondenza delle bande di scorrimento locali, si possono individuare due fasi, indicate come stadio I e stadio II.

Figura 3.5: Stadio I e II di sviluppo della cricca

Lo stadio I riguarda l’accrescimento delle microcricche e può anche essere considerato come facente parte della fase di nucleazione precedentemente descritta. Durante questa fase la cricca si sviluppa dalla superficie e cresce nel piano in cui sono massime le tensioni tangenziali, nel caso di trazione monoassiale con inclinazione di 45°; tale crescita è solitamente di modesta estensione e coinvolge solo alcuni grani. In molti casi, per i materiali metallici, questa fase interessa la maggior parte della vita a fatica del pezzo.

Al procedere della sollecitazione ciclica, le microcricche tendono ad unirsi e a formare una macrocricca, determinando l’inizio della fase di propagazione vera a e propria, indicata come stadio II. La cricca così formata cresce perpendicolarmente alla massima tensione di trazione all’interno del materiale, scaricando parzialmente le altre microcricche e generando una forte concentrazione di tensione all’apice. Il suo sviluppo risulta essere un fenomeno legato non più alle condizioni superficiali, ma alla resistenza del materiale: si manifesta un’estensione sia intercristallina, lungo i bordi dei grani, sia transcristallina, con attraversamento dei bordi dei grani,

La fatica

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più frequente e con maggiore estensione rispetto al primo tipo di crescita. Il materiale non può più essere considerato come un mezzo continuo ed omogeneo dal punto di vista macroscopico.

Ad ogni ciclo di sforzo, la cricca avanzando può lasciare tracce caratteristiche: su entrambe le superfici di frattura si manifestano piccole rughe o avvallamenti, dette striature; il loro aspetto è simmetrico sulle due superfici di frattura affacciate. Se il ciclo di carico rimane costante, con riferimento al valore massimo, le striature vicino all'origine sono estremamente piccole e vicine tra di loro; all'avanzare della frattura, la sezione resistente si riduce e, a parità di carico massimo, aumenta la tensione applicata, determinando un aumento della spaziatura tra le striature.

Tali segni non sono sempre visibili sulla superficie del metallo e possono essere facilmente confusi quando si analizzano fratture di metalli a struttura lamellare: in questo caso l'orientamento delle lamelle varia casualmente da un punto all'altro, mentre le striature sono solitamente concentriche intorno all'origine della microcricca.

L’accrescimento della cricca si verifica ad ogni ciclo di sollecitazione con un meccanismo ripetitivo di arrotondamento e affilamento del suo apice: quando la cricca viene sollecitata a trazione, i suoi lembi vengono distanziati e all’apice deve formarsi una superficie; quando poi la sollecitazione si inverte la cricca viene compressa e i lembi si avvicinano, la nuova superficie appena creata viene schiacciata e in tal modo va ad allungare il lembi della cricca.

La velocità di avanzamento della cricca rientra nell’ambito della teoria della meccanica della frattura.

Figura 3.6: Meccanismo di accrescimento di una cricca sottoposta a cicli alternati di trazione e compressione

All'apice della cricca si ha intensificazione degli sforzi; se il materiale è duttile, come nel caso dei metalli, si ha deformazione plastica, aumento del raggio di plasticizzazione all'apice e conseguente diminuzione di σmax al di sotto del valore di snervamento, fermando la cricca stessa.

Questo arrestarsi e ripartire della cricca dà origine alla formazione delle linee di spiaggia, tipiche della zona di propagazione, presentate parlando dell’aspetto macroscopico al paragrafo 3.3.

3.2.3.3 Rottura di schianto

Quando le dimensioni della cricca diventano critiche, la sua crescita diventa instabile e si manifesta la frattura. Infatti, l’accrescimento della cricca porta ad una progressiva diminuzione di

Aspetto macroscopico