1
Introduzione
Nel progetto a fatica delle strutture aeronautiche è di fondamentale importanza la filosofia progettuale “Damage Tolerance” (DT). La formulazione di questa metodologia si basa su due assunti:
• in una zona critica dell’elemento strutturale, preventivamente identificata in sede di progetto, possono esistere dei difetti nella struttura microcristallina, a causa del processo di produzione, a causa dei processi di lavorazione e sfuggiti ai controlli non distruttivi, o nucleatesi in conseguenza a fenomeni di fatica o corrosione,
• attraverso modalità numeriche e sperimentali è possibile determinare la velocità di crescita delle cricche, in modo che possano essere fissati degli intervalli di ispezione, durante i quali il carico sopportabile dalla struttura, seppur danneggiata, non sarà mai inferiore al carico limite.
Notevole interesse, ai fini di questa metodologia, ha assunto la possibilità di prevedere quando una fessura raggiunge la dimensione critica in quanto questo porta a definire gli intervalli di ispezione e quindi i tempi in cui il velivolo non può essere utilizzato. Il miglioramento della capacità di previsione della propagazione porta, inoltre, ad una valutazione più esatta della vita operativa e quindi ad uno sfruttamento maggiore dei componenti.
2 Le “short-cracks” o “small-cracks” (fessure corte) rivestono una notevole importanza dal punto di vista teorico per lo studio della nucleazione e della prima fase della propagazione delle fessure per fatica, poiché permettono di studiare il fenomeno dell’interazione con la struttura microcristallina del materiale e quindi i limiti della meccanica della frattura elastico-lineare.
Dal punto di vista della verifica della sicurezza di normali componenti strutturali, per elementi quali pannelli alari o di fusoliera, il problema delle short-crack non si pone dato che, ai fini del calcolo della loro vita a fatica, nella verifica a Damage Tolerance vengono previsti difetti iniziali di dimensione maggiore, il che equivale a non considerare la fase di nucleazione. In fase di progettazione, che generalmente segue la filosofia a Durability, è importante considerare tutta la vita del componente e quindi valutare anche quella parte interessata dalla nucleazione e dalla propagazione delle fessure corte, dato che si considera di partire da strutture prive di difetti iniziali.
Il problema delle short-crack riveste, invece, un’importanza notevole per le verifiche di sicurezza di tutti gli elementi che trascorrono buona parte della vita a fatica in presenza di difetti di dimensione appartenente al campo delle short-crack, come palette per turbine o perni per attacchi alari.
Anche negli approcci probabilistici, che sono stati oggetti della ricerca ADMIRE, che cercano di valutare i rischi di rottura di una struttura su basi statistiche, è di fondamentale importanza la conoscenza della dimensione delle cricche agli inizi della propagazione.
Le short-crack presentano delle peculiarità di comportamento che le differenziano dalle long-crack e che non rendono possibile estendere i dati di propagazione di queste ultime al campo delle cricche corte; si sono, quindi, resi indispensabili modelli matematici diversi per la previsione della short cracks e delle long cracks.
3 In particolare si è verificato che cricche per fatica di lunghezza inferiore ad un certo valore presentavano un comportamento di crescita anomalo; le short-crack hanno, infatti, a parità di fattore di intensificazione degli sforzi ΔK, una velocità di crescita maggiore rispetto alle long-cracks.
Altri fenomeni osservati nella propagazione delle fessure corte sono:
1) interazione con la microstruttura cristallina del materiale che causa rallentamenti e/o arresti temporanei al bordo dei grani,
2) dipendenza della velocità di propagazione anche dal carico medio e dalla velocità di applicazione del carico, oltre che dal valore di ΔK
3) soglia di propagazione ΔKth inferiore a quella delle cricche lunghe o addirittura inesistente.
Se, quindi, si prevedesse la vita a fatica di strutture che trascorrono gran parte di questa in presenza di short-crack con la meccanica della frattura lineare elastica, si andrebbe incontro a grandi errori di valutazione, ipotizzando vite superiori a quelle reali.
Per l’elevato numero di variabili da cui dipendono i risultati e per la natura statistica del fenomeno della fatica, la sperimentazione necessita dell’esecuzione di un grande numero di prove, molte delle quali identiche tra loro, ai fini di valutare la dispersione dei risultati stessi.
Per ridurre i tempi di sperimentazione sono stati creati dei sistemi automatici di prove a fatica; sistemi, cioè, che permettono l’automatizzazione del conteggio di cicli e la memorizzazione dei risultati. Fino a non molti anni fa, il metodo più utilizzato per la misurazione delle fessure corte, era quello delle repliche in acetato. Per il presente lavoro di sperimentazione si è preferito utilizzare il metodo di Analisi dell’Immagine, da qualche anno disponibile presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale (DIA).
Questo metodo si basa sull’elaborazione di immagini provenienti da una telecamera collegata ad un microscopio ottico e ad un sistema di slitte triassiali
4 per la sua movimentazione. Le immagini acquisite dalla telecamera vengono digitalizzate e memorizzate sul disco rigido del computer che controlla il sistema.
Dato che le short-cracks non sono individuabili con precisione nelle prime fasi della nucleazione se la superficie di sfondo non è ben levigata, è stato messo a punto un sistema di pulitura elettrolitica e ad ultrasuoni, che da un lato ha migliorato la resa visiva delle immagini e da un altro ha permesso di ottenere risultati con una qualità costante.
La possibilità di memorizzare ed analizzare un elevato numero di valori sperimentali di lunghezza di fessura durante le singole prove (centinaia di valori in confronto alle decine ottenibili con il metodo delle repliche) permette di effettuare uno studio teorico sulle componenti che determinano la velocità di propagazione delle short-cracks; questo è stato possibile separando i contributi che tendono a rallentare e fermare la propagazione (interazione con la struttura cristallina del materiale) e costruendo una funzione che tiene conto di questi “ritardi”.
I risultati ottenuti mostrano un buon accordo sia con i dati ottenuti dalla campagna di prove effettuata, sia con dati statistici e con quelli di altri lavori sul medesimo argomento.
