1.1 Cenni storici C 1 – I G

3

C

APITOLO

1

–

I

L

G

LARE

1.1 Cenni storici

Alla fine degli anni settanta iniziarono gli studi sui laminati metallici rinforzati con fibre. Vennero condotti alcuni test di fatica con carichi ad ampiezza costante e con carichi ad ampiezza variabile, i primi sembravano dare risultati promettenti ma i secondi risultavano avere solo marginali miglioramenti rispetto ai precedenti materiali metallici utilizzati per le costruzioni aeronautiche.

Negli anni a seguire si svilupparono gli FML (Fibre Metal Laminates) lavorando sull’ottimizzazione dello spessore delle lamine di alluminio, sul tipo di fibre e sul “fibre volume fraction” (Vf), ovvero il valore percentuale in volume di fibre presenti nel

laminato. Tali tipi di laminati in fibra–metallo portarono a soddisfacenti risultati per quanto riguarda la resistenza a carichi di fatica.

La prima generazione di FML, basata sull’impiego di fibre aramidiche, venne chiamata ARALL (Aramid Reinforced ALuminium Laminate). Questi laminati, costituiti da strati di fibre unidirezionali interposti a strati di metallo, alluminio appunto, vennero inizialmente sviluppati per realizzare componenti alari, dimostrandosi purtroppo però non essere buoni candidati per la realizzazione di strutture di fusoliera.

Alla fine degli anni ottanta si iniziò a lavorare su una seconda generazione di FML, basata sull’impiego di fibre con migliori caratteristiche di resistenza a compressione rispetto a quelle utilizzate per l’ARALL. Gli studi portarono alla messa a punto di un nuovo laminato a cui venne dato il nome di GLARE (GLass Aluminium REinforced fibre). Le prime applicazioni di tale materiale laminato evidenziarono subito i benefici da esso tratti in termini di peso, anche se, per contro, si dovettero evidenziare i suoi elevati costi di produzione. Da questo quindi, l’attenzione su tali tipi di laminati metallici si concentrò sull’esigenza di abbassare i costi di fabbricazione per renderli così commerciabili e utilizzabili.

4 Durante lo scorso decennio si riuscì, con innovativi processi produttivi, ad abbassare i costi di realizzazione dei laminati in fibra, dando così lo slancio necessario per iniziare su essi una più accurata e doverosa sperimentazione al fine di valutare con precisione le caratteristiche di tali tipi di materiali laminati. Da essa venne evidenziato subito, oltre ad un ridotto peso complessivo, un minor modulo di elasticità del laminato rispetto all’alluminio monolitico, che rese il GLARE un ottimo materiale per le costruzioni aeronautiche, in special modo per pannelli dorsali di fusoliera. Questo perché tale caratteristica fornisce al laminato una maggiore resistenza ai carichi affaticanti, i quali riducono la velocità di propagazione delle eventuali fessure createsi nelle varie ed inevitabili giunzioni presenti nelle strutture aeronautiche [1].

1.2 Panoramica sul GLARE

Il Glare è un materiale ibrido, costituito da strati di alluminio con spessore compreso tra 0.2 e 0.5mm, con interposti strati di preipregnato di fibra di vetro (figura 1.1) il cui comportamento è determinato in prima approssimazione dalle caratteristiche dei suoi costituenti, nonché della loro interazione.

5 Il processo di produzione del Glare viene eseguito in un’ambiente ad atmosfera controllata, come per la realizzazione dei normali compositi, e dopo l’impilamento dei vari strati dell’ alluminio e del preipregnato, si procede ad un ciclo di curing in autoclave a temperatura e pressione elevata (figura 1.2).

Figura 1.2: Autoclave per il ciclo di curing del Glare

Le alte temperature sono necessarie alla polimerizzazione della resina, mentre la pressione elevata serve ad assicurare una certa omogeneità nella sua distribuzione. Dopo la produzione si controlla la qualità del laminato attraverso l’impiego di ultrasuoni.

Oggi giorno il Glare ha sei varianti standard (Tabella 1.1), che differiscono tra loro per il numero e per l’orientazione degli strati di fibre: tutti presentano un impilamento simmetrico, mentre il Glare 3 e il 6 no. Inoltre il GLARE 1 si distingue da tutti gli altri tipi di GLARE in quanto ha un adesivo epossidico denominato FM906, mentre gli altri sono caratterizzati dall’avere un adesivo epossidico denominato FM94.

6 Metal layers Fibre layers

Material Grade

Sub

grade Alloy type Thickness [mm] Orientation [°] Thickness [mm] Main beneficial characteristics GLARE 1 – 7475 – T761 0.3 – 0.4 0/0 – 90/90 0.254

fatigue, strength, yeld stress

A 2024 – T3 0.2 – 0.5 0/0 0.254 fatigue, strength

GLARE 2 _{B 2024 – T3 0.2 – 0.5 90/90 0.254 fatigue, strength} GLARE 3 – 2024 – T3 0.2 – 0.5 0/90 0.254 fatigue, impact

A 2024 – T3 0.2 – 0.5 0/90/0 0.381 fatigue, strength in 0° direction GLARE 4 B 2024 – T3 0.2 – 0.5 90/0/90 0.381 fatigue, strength in 0° direction GLARE 5 – 2024 – T3 0.2 – 0.5 0/90/90/0 0.508 impact

A 2024 – T3 0.2 – 0.5 +45/ – 45 0.508 shear, off – axis

properties

GLARE 6

B 2024 – T3 0.2 – 0.5 – 45 / +45 0.508 shear, off – axis

properties

Tabella 1.1: Varianti standard del Glare

La direzione delle fibre nei fogli di preipregnato è correlata alla direzione di laminazione dell’alluminio e quindi si indica come direzione 0° quella delle fibre nella direzione L, mentre 90° indica le fibre in direzione T (figura 1.3). I fogli esterni sono sempre in alluminio.

7 Ogni variante del Glare ha un numero variabile di strati di fibre e un variabile spessore dell’alluminio. La nomenclatura standard della sigla che identifica il tipo di Glare utilizzato è mostrata in figura 1.3: la prima parte identifica il particolare tipo di Glare (tabella 1.1), il secondo numero invece indica la quantità in numero di strati rispettivamente dell’alluminio e delle fibre di vetro. Infine l’ultima sigla identifica lo spessore dei fogli di alluminio.

1.3 Principali caratteristiche del GLARE

Le proprietà ricercate negli FML sono quelle derivanti dalla combinazione delle migliori proprietà dei loro costituenti (Alluminio e Fibre), cercando di limitare l’effetto degli aspetti negativi. Tali caratteristiche possono essere riscontrate in alcuni casi particolari in cui il GLARE mostra delle proprietà significativamente migliori rispetto a quelle che ci si potrebbe attendere dalla combinazione delle proprietà dei due componenti.

• Pregi

E’ stato verificato che il GLARE ha una buona risposta per quel che concerne la resistenza al fuoco, all’impatto, alla corrosione ma soprattutto al Damage Tolerance.

• Difetti

E’ stato riscontrato un valore più basso sia della tensione di snervamento sia dell’allungamento a rottura. Un altro aspetto sfavorevole attribuito al GLARE è il degrado della struttura dovuto agli sbalzi termici, all’assorbimento di umidità e alle esposizioni agli agenti chimici.

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1.3.1 Proprietà meccaniche

Molti sono in generale i parametri da cui dipendono le caratteristiche di un laminato: le proprietà meccaniche dei suoi costituenti, lo spessore degli strati, il loro impilamento, la direzione delle fibre, etc. Per ottenere un buon FML ognuno di questi parametri caratterizzanti il laminato andrebbe ottimizzato, ma la cosa, come si può intuire, non è di facile realizzazione. Basti pensare che, nel caso di alluminio monolitico, la variazione del solo spessore comporta non solo una diversa microstruttura e un differente stato di tensione residua a seguito delle lavorazioni, ma anche un passaggio da condizioni di prevalente stato piano di tensioni a condizioni di prevalente stato piano di deformazione.

Le caratteristiche meccaniche del GLARE sono in gran parte legate a quelle dei suoi costituenti: l’alluminio, le fibre e l’adesivo epossidico che li unisce. Si rimanda al capitolo successivo per una descrizione dettagliata delle principali proprietà dei costituenti del GLARE.

In figura 1.4 sono riportate le principali proprietà statiche di alcuni tipi di GLARE, paragonate con le proprietà della lega di alluminio più comunemente utilizzata: Al 2024–T3 . I risultati mostrati sono espressi in termini percentuali dei valori caratteristici del Al 2024–T3 , posti uguale a 100.

Come si vede, i risultati ottenuti dal GLARE sono tutti inferiori a quelli dell’alluminio ad eccezione della tensione ultima a rottura. In particolare per quanto riguarda tensione di snervamento e modulo di Young, il valore più basso deriva dalle peggiori caratteristiche delle fibre rispetto all’alluminio, mentre per quanto riguarda il modulo di taglio G, la causa va ricercata nel fatto che le fibre lavorano solo a sforzo normale. Al contrario, le ottime capacità di resistenza a rottura delle fibre comportano l’elevata resistenza a rottura del GLARE.

Comunque per poter fare una comparazione più significativa bisogna anche tenere conto del fatto che il GLARE ha un peso specifico minore dell’alluminio. La figura 1.5 mostra tutte le proprietà divise per la densità, così da mettere in luce i vantaggi in termini ponderali. Si nota che le proprietà migliorano nettamente, infatti si ottengono valori comparabili con l’alluminio anche per le proprietà peggiori, mantenendo elevatissimi valori di resistenza.

9 Figura 1.4: Caratteristiche meccanico–statiche di alcune varianti di GLARE

Figura 1.5: Caratteristiche meccanico–statiche di alcune varianti di GLARE

Come già detto le proprietà del GLARE dipendono dalle proprietà dei materiali che lo compongono, sarà quindi necessario un metodo che cerchi di combinare i loro singoli contributi al laminato che compongono.

10 Tale metodo si basa sul Metal Volume Fraction (in sigla MVF), attraverso il quale si definisce il contributo degli strati di metallo sul laminato e le caratteristiche proprie di ogni famiglia di GLARE: di conseguenza, note le proprietà di un certo tipo di materiale, si possono definire le caratteristiche di tutti gli altri materiali della stessa famiglia senza dover necessariamente fare dei test. In questo modo è possibile determinare la tensione di snervamento, il carico ultimo, la resistenza a trazione, a taglio, a compressione, etc. Nel dettaglio il MVL è un semplice metodo matematico che standardizza questa classe di FML e ciò è molto importante in aeronautica, poiché è possibile ridurre il rischio di comportamenti inaspettati del materiale.

L’approccio al MVF è il seguente.

• Si definisce la frazione di volume del metallo nel GLARE come:

lam n Al

t

t

MVF

∑

=

- tAl = spessore degli strati di alluminio;

- tlam = spessore del laminato;

- n = numero degli strati di alluminio.

Ovvero il MVF è definito come la somma degli spessori di tutti gli strati di alluminio rispetto allo spessore totale del GLARE in questione.

• Si determina la proprietà del GLARE che interessa ricavare con la seguente formula:

(

)

MVF

P

MVF

P

P

=

⋅

+

1

−

⋅

- Plam = proprietà del laminato che si vuole determinare;

- PAl = proprietà corrispondente dell’alluminio;

- Pfibre = proprietà corrispondente delle fibre.

E’ possibile riscontrare una proporzionalità alla prima potenza tra la proprietà e il valore di MVF. Quando:

11 MVF = 1 contributo del metallo

MVF = 0 contributo delle fibre

Per MVF = 1 si ha il solo contributo del metallo perché, ovviamente, tutto lo spessore totale è dato unicamente dallo spessore dell’alluminio, cioè come avere un pezzo monolitico. Il valore MVF = 0 viene invece ricavato per estrapolazione dal grafico, dato che il metodo risulta valido solo per 0.45 < MVF < 0.85, ed implica la totale assenza di metallo nel laminato e quindi la sola presenza di fibra.

I test effettuati sul GLARE hanno dimostrato un errore medio tra i risultati sperimentali e quelli ottenuti con tale metodo matematico del 5% ed è possibile vedere che le proprietà del GLARE si hanno per valori di MVF compresi tra 0.45 e 0.85 che sono anche i valori limiti di validità.

1.3.2 Resistenza a corrosione

Strettamente legato all’ambiente di operazione è il processo corrosivo a cui il materiale può essere soggetto. In aeronautica il fenomeno prende un’importanza predominante ed è opportuno prevenire il verificarsi dei vari tipi di corrosione che si hanno a causa dei materiali diversi che si utilizzano per le strutture, delle varietà delle condizioni ambientali in cui si può venire ad operare, delle configurazioni strutturali che è possibile utilizzare.

Sicuramente l’alluminio è il metallo più utilizzato di cui è noto in modo esaustivo il comportamento in presenza di corrosione, ma con esso è possibile utilizzare componenti in lega di titanio, magnesio, in composito con proprietà diverse. I cambiamenti climatici, le variazioni sensibili di temperatura, gli agenti chimici acidi presenti in atmosfera, i raggi ultravioletti etc., possono favorire l’attacco del materiale con fenomeni corrosivi. Grande importanza riveste anche l’ambiente interno, per il quale è opportuno prevenire il contatto diretto tra il metallo e i liquidi quali quelli provenienti dalla toilette, dalle bevande servite a bordo, l’acqua di condensa con possibili sostanze contaminanti, liquidi del sistema antighiaccio, oli e lubrificanti.

12 Nelle aree rivettate o comunque dove sono presenti fori, si deve prevedere l’uso di sigillanti e primer di protezione ed inoltre, dove c’è la possibilità di avere corrosione galvanica, è conveniente separare i metalli con diverso potenziale con strati di materiale isolante e comunque prevedere una parte anodica di maggiore estensione rispetto a quella catodica. Da questo punto di vista, l’impiego di FML metallo/fibra di carbonio è sfavorevole perché queste fibre sono conduttori elettrici.

Per ridurre o prevenire il rischio di corrosione si utilizzano dei metodi che vanno dall’applicazione di sigillanti di natura polimerica, che isolano il materiale dall’ambiente esterno, all’ossidazione tramite attacco acido e/o anodizzazione, alla cromatura, alla stesura di primer di natura epossidica, con vernici con contenuti in poliuretano, all’ applicazione di un clad, ovvero di uno strato di metallo non sensibile a corrosione, che nel GLARE interessa solo il lato esposto all’ambiente degli strti esterni in alluminio. In figura 1.6 è possibile vedere una sezione di un FML con trattamenti superficiali anticorrosione.

Figura 1.6: Strato di primer anticorrosione

Nel GLARE il problema della conduttività delle fibre non c’è perché vengono usate fibre di vetro, con buone proprietà isolanti. Inoltre le fibre assolvono ad una funzione secondaria di barriera contro la corrosione in quanto bloccano il passaggio della corrosione attraverso lo spessore del laminato, cosa impossibile in uno spessore monolitico di alluminio per esempio, si veda per questo le figure 1.7. e 1.8.

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Figura 1.7 Figura 1.8

1.3.3 Resistenza all’impatto

L’impatto può essere definito come una forma di danno accidentale, caratterizzato da una deformazione della struttura a seguito di un urto tra la struttura stessa ed un corpo. Un velivolo può subire urti per grandine, per detriti presenti sulla pista, per lavorazioni meccaniche, per frammenti di motori, per operazioni di carico e scarico con mezzi di servizio.

Le proprietà di resistenza all’impatto di vari tipi di GLARE con fibre in entrambe le direzioni 0°/90° sono molto migliori di quelle dell’alluminio, mentre quelle di un composito in fibra di vetro sono nettamente inferiori a quelle dell’alluminio stesso. Questo permette a strutture danneggiate in GLARE di resistere tranquillamente a carichi che farebbero collassare le corrispondenti strutture in alluminio o in composito. Inoltre un altro vantaggio del GLARE è che il danno all’interno del materiale è decisamente più piccolo rispetto alla zona improntata, e ciò permette di localizzarlo meglio in fase di ispezione. Si veda la figura 1.9 e 1.10 per avere un’idea dell’area d’impatto e delle caratteristiche di quest’ultimo rispettivamente.

14 Figura 1.10: Area d’impatto

1.3.4 Tecniche di giunzione

Inizialmente il GLARE era stato concepito per essere prodotto in pannelli, che sarebbero stati utilizzati allo stesso modo delle lamine di alluminio (giunzioni rivettate, pannelli a singola e doppia curvatura); successivamente ci si è resi conto che il risparmio ottenuto in termini di peso e il miglioramento nelle caratteristiche meccaniche derivato non erano tali da compensare l’elevato aumento dei costi di produzione, e quindi il rapporto costi/benefici non consentiva di giustificare l’utilizzo di pannelli in GLARE al posto di quelli in alluminio.

Grazie alle sue elevate caratteristiche meccaniche il GLARE è stato però preso in considerazione per risolvere problemi specifici, in cui la notevole semplificazione strutturale permessa, giustificava un elevato costo del materiale base. Infatti una delle caratteristiche interessanti del processo di produzione è la possibilità di realizzare indifferentemente o fogli di materiale, o strutture complete, che possono includere irrigidimenti, e altre parti che normalmente necessiterebbero di un collegamento rivettato. Uno dei problemi però da tenere in considerazione sono le giunzioni. Ciò è dovuto ai bassissimi spessori richiesti per la produzione del GLARE, che obbligano talvolta a fresare chimicamente fogli di spessore superiore, non essendo disponibili, o essendo relativamente troppo costosi, i laminati di spessore maggiore.

Questo sistema portava a significative delaminazioni ed a locali indebolimenti della struttura, e così si è giunti a soluzioni tipo quella riportata in figura 1.11.

15 Figura 1.11: Esempio di giunzione nel GLARE

Un altro sistema che è attualmente in fase di studio prevede l’uso di tecniche particolari di saldatura (es. Friction Stir Welding) che permettono di saldare tra loro, senza apprezzabili deformazioni, lamiere di piccolo spessore (vedasi un esempio in figura 1.12).

16

1.3.5 Resistenza al fuoco

La resistenza del GLARE al fuoco è molto superiore a quella dell’alluminio. L’elemento di distinzione tra i due materiali è costituito proprio dalle fibre di vetro e dall’adesivo. Gli strati di alluminio del GLARE si comportano come se fossero strati monolitici di alluminio stesso ed in più, essendo molto sottili, raggiungono la completa combustione in pochi secondi. Il successivo strato di fibre di vetro in matrice epossidica ancora una volta funge da barriera per la propagazione della fiamma pur essendo le fibre esposte a temperature di 1100° C, in quanto la loro temperatura di fusione è ancora superiore.

Questo non è vero per la resina che, avendo di gran lunga superato la sua temperatura di curing (intorno ai 120° C), carbonizza totalmente provocando delaminazione e permettendo in questo modo l’incameramento di aria tra gli strati delaminati. Sia la resina stessa, così carbonizzata, sia l’aria, fungono da isolanti e risulta assai probabile che, in questo modo, gli strati di alluminio che non sono a diretto contatto con la fiamma non siano seriamente danneggiati e che si mantengano a temperature molto più basse di quelle raggiunte negli altri punti.

La resistenza al fuoco del GLARE può arrivare anche a 10 volte la resistenza di spessori di allumino monolitico variabili da 1.5 a 2mm. Per questo si può osservare la figura 1.13, la quale mette in luce il confronto tra la resistenza al fuoco dell’alluminio 2024 T3 con il GLARE 4 3/2 0.5.

17 Nella figura 1.14 è possibile vedere un test di resistenza al fuoco effettuato su una lamina di GLARE.

Figura 1.14: Test di resistenza al fuoco

1.4 Resistenza statica del GLARE

Quando trattiamo la resistenza statica in presenza di un danno nel GLARE, dobbiamo distinguere tra due differenti tipologie di difetto che si possono presentare nel laminato.

• Cricca che interessa simultaneamente alluminio e fibre e che può essere originata tipicamente da impatti di una certa entità, e definita come “ through the thickness crack ”;

• Cricca presente in uno o più fogli di alluminio ma con gli strati di fibre di vetro ancora integri (originata tipicamente da carichi affaticanti), e definita come “ part through crack ”.

La resistenza statica residua di un pannello in GLARE contenente una cricca di fatica (part through crack) è notevolmente superiore sia a quella in un pannello in alluminio avente un difetto delle stesse dimensioni, sia a quella del GLARE in cui il difetto sia passante. Nel seguito vengono descritti i meccanismi che portano a rottura il GLARE per i due differenti tipi di difetti considerati e vengono illustrati alcuni strumenti utili per lo studio della meccanica della frattura [1].

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1.4.1 Through the thickness crack

Un pannello in GLARE con una “through the thickness crack ” sottoposto ad un carico di trazione, mostra inizialmente una buona capacità di mantenere stabile la crescita della cricca, e successivamente, raggiunta una certa estensione del difetto, una propagazione instabile che porta alla rottura finale. Questo comportamento è mostrato in figura 1.15 che mostra una tipica curva tensione–lunghezza fisica di cricca in un pannello di GLARE con cricca centrale, caricato con un carico uniassiale di trazione. In figura 1.16 vengono invece riportate delle immagini riprese con una telecamera ad altissima risoluzione dell’apice della fessura del suddetto pannello.

L’intaglio inizialmente presente viene effettuato con un seghetto, ed è quindi passante. Il provino viene quindi sottoposto ad una serie di cicli affaticanti che fanno nucleare e

Figura 1.15: Propagazione sotto un carico statico di una cricca passante

successivamente propagare una cricca di fatica, così come visibile in figura 1.16a. Durante questo processo, le fibre rimangono intatte e tendono a chiudere (bridging) la cricca presente nell’alluminio riuscendo a portare una certa quantità di carico attraverso la cricca stessa. Quindi, all’inizio della prova di resistenza, la lunghezza della cricca nell’alluminio e nelle fibre è diversa. A causa inoltre del diverso modulo di elasticità di fibre ed alluminio, si genera uno sforzo di taglio nello strato di adesivo che unisce i due materiali. Sottoposto localmente a questi sforzi, l’adesivo tende a rompersi

19 ed a creare un’area in cui non c’è più coesione tra il preimpregnato e il foglio di alluminio (delaminazione). Questo fenomeno è fondamentale, infatti l’azione di bridging da parte delle fibre è efficace fino a che la deformazione indotta dal trasferimento di carico sulle fibre stesse è inferiore alla loro deformazione ultima, che è molto bassa. D’altra parte la delaminazione, aumentando la lunghezza della parte di fibra interessata dall’aumento di carico, riduce la deformazione percentuale evitando così la rottura delle fibre.

Durante l’applicazione del carico statico, la cricca di fatica nell’alluminio comincia ad aprirsi e successivamente, raggiunto un certo valore del carico, tale cricca comincia a propagare. Questo tipo di propagazione crea una superficie di frattura più irregolare rispetto alla cricca iniziale, come si può osservare in figura 1.16b. In questa fase si ha anche la creazione di una zona elasticizzata all’apice della cricca.

Figura 1.16: Ripresa di propagazione di una cricca passante

A circa il 90% del carico di rottura del provino si osservano le prime rotture delle fibre all’apice dalla cricca di fatica, come si vede in figura 1.16c, dove le fibre rotte sono più brillanti rispetto a quelle integre. Aumentando ancora il carico si notano rotture di fibre che avvengono in modo pressoché casuale tra l’apice dell’intaglio (saw cut) e quello della cricca di fatica del foglio di alluminio.

20 Numerosi studi hanno dimostrato che nella successiva fase del processo di frattura l’estensione della cricca nell’alluminio e di quella nel preipregnato risultano all’incirca la stessa. Ciò non è comunque rilevabile visivamente a causa dell’irregolarità della superficie di frattura dell’alluminio.

A questo punto entra nuovamente in gioco la differente rigidezza dei costituenti del GLARE. La deformazione ultima delle fibre di vetro è di circa il 4.5%, contro il 19% di quella dell’alluminio, quindi a causa dell’apertura della cricca e dell’aumento della deformazione del pannello, le fibre cominciano a rompersi. L’alluminio non riesce più a sopportare da solo questo aumento di carico e si ha una reazione a catena molto rapida che porta allo rottura instabile del pannello (figura 1.15). La figura 1.16d evidenzia lo stato della cricca dopo la rottura del pannello.

1.4.2 Part through crack

A differenza della cricca passante, nel caso di un difetto interamente generato per fatica, viene a mancare quasi completamente la parte di crescita stabile. Infatti fino a che non si raggiunge il carico ultimo, non si ha propagazione del difetto. Una volta raggiunto il valore massimo del carico, la rottura avviene in maniera pressoché istantanea. In questo caso, rispetto al caso di difetto passante descritto al paragrafo precedente, la propagazione instabile della frattura avviene ad un valore del carico sensibilmente maggiore, fino a più del 50%.

Questo incremento può essere spiegato con il passaggio di una buona parte del carico attraverso gli strati di fibre integre e con la conseguente azione di chiusura che le fibre stesse hanno sulla cricca. Superato un certo carico (molto vicino a quello di rottura) le fibre cominciano a rompersi dal centro del pannello, dove la loro deformazione è maggiore, causando via via una maggiore apertura della cricca.

Questa maggior apertura causa a sua volta il superamento del valore della deformazione ultima delle fibre successive provocando la loro rottura. L’effetto a catena che ne consegue porta rapidamente al collasso del pannello.

21 Figura 1.17: Schematizzazione del processo di frattura

In figura 1.17 è stato messo a confronto il differente comportamento del GLARE 2 e del GLARE 3 a parità di difetto iniziale. Durante l’aumento di carico, la cricca si apre lentamente in entrambi i materiali, con il carico che viene ridistribuito dalla presenza delle fibre intatte. Nel GLARE 2, una volta arrivati vicino al carico di rottura, si crea una zona delaminata attorno al centro della cricca che preserva le fibre di questa zona dalla rottura; questa delaminazione comporta un aumento dell’apertura della cricca nell’alluminio. La rottura avviene quando cominciano a rompersi le fibre all’apice della cricca, non interessate dalla delaminazione. Nella suddetta figura si osserva come nel pannello rotto le fibre centrali siano rimaste intatte. Nel GLARE 3 invece non sia ha delaminazione, probabilmente a causa della minor quantità di fibra in direzione del carico rispetto al GLARE 2 che diminuisce il carico massimo raggiungibile. Quindi la rottura delle fibre comincia dal centro del difetto e ciò causa un aumento dell’apertura della cricca che porta, come nel caso precedente, alla rottura del pannello. Questo meccanismo spiega la maggior resistenza a carichi uniassiali del GLARE 2 rispetto al GLARE3.

22

1.4.3 Strumenti per l’analisi delle fratture nel GLARE

Per poter predire il comportamento a frattura di un materiale e la sua resistenza statica residua in presenza di difetti è necessario un criterio che sia indipendente sia dalle dimensioni del provino utilizzato, sia dalle dimensioni del difetto.

Uno dei metodi utilizzati nella meccanica della frattura è quello basato sul concetto delle curve – R. Questo metodo si basa su considerazioni di tipo energetico; infatti, per definizione, per ottenere una frattura in un materiale, l’energia a disposizione per far crescere la cricca (energy relase rate G) deve essere maggiore della resistenza opposta dal materiale all’avanzamento della cricca (R).

Una curva R è un grafico che riporta il valore della resistenza all’avanzamento della cricca in funzione della sua lunghezza, ottenuto facendo aumentare il fattore di intensificazione degli sforzi KR. Si veda un esempio di curva – R in figura 1.18 [4].

Figura 1.18: Curva – R per il GLARE 3 3/2 0.3 per differenti W ed a0

Considerando un provino con cricca centrale di dimensione iniziale 2a0 il valore di KR

23       ⋅ ⋅ ⋅ = _∞ W a a K_{R eff} eff π π σ _sec

La relazione che lega la resistenza all’avanzamento della cricca R (uguale al rateo di energia G rilasciata durante la propagazione) e il fattore K è data da:

( )

( )

R _eff = ⋅ eff

2

Nelle curve – R in ascissa può essere riportata o la lunghezza fisica della cricca o la sua lunghezza effettiva.

In accordo con quanto riportato nelle norme ASTM Standard E561, affinché queste curve possano essere utili a fornire previsioni sulla resistenza statica residua di un componente, deve essere usata la lunghezza di cricca effettiva.

L’applicazione del concetto di curva – R richiede la conoscenza della cosiddetta lunghezza effettiva di cricca, e cioè della lunghezza fisicamente misurabile, aumentata di una quantità derivante dagli effetti della deformazione plastica all’apice della cricca stessa. Questa quantità può essere calcolata con due metodi: il metodo di correzione plastica di Irwin e il Compliance method.

Il primo prevede che la lunghezza effettiva di cricca sia uguale a quella di una cricca elastica che si estende fino al centro della zona plastica, mentre il secondo assume che la lunghezza di cricca effettiva sia uguale a quella di una teorica cricca elastica con un COD uguale a quello della cricca fisicamente presente. Si veda la figura 1.19.

24 Il metodo di Irwin è di più semplice applicazione in quanto non necessita di dati sperimentali, ma solo della conoscenza della tensione di snervamento del laminato. Esso tuttavia presenta anche alcuni problemi. In primo luogo i risultati ottenuti perdono di validità nel momento in cui la lunghezza effettiva di cricca supera la semilarghezza del pannello (il contributo della zona plastica può anche essere dello stesso ordine di grandezza di quello della stessa cricca fisica), ed inoltre non si possono ottenere risultati attendibili quando la tensione asintotica supera la tensione di snervamento del laminato.

1.5 Resistenza a fatica del GLARE

L’ottimo comportamento a fatica del GLARE è una delle sue caratteristiche più apprezzate. In questo paragrafo viene in primo luogo spiegato il meccanismo che regola la propagazione di difetti sotto carichi ripetuti, e successivamente viene indicato un metodo di calcolo per poter approcciare analiticamente il fenomeno della fatica nel GLARE [1].

1.5.1 Nucleazione di una cricca nel GLARE

Essendo la fatica un processo che nel GLARE interessa soprattutto i fogli di alluminio, il processo di nucleazione di un difetto è in tutto simile a quello che si ha in un provino di alluminio monolitico, cioè in entrambi i casi si ha lo stesso effetto causato da uno stato di tensione affaticante. L’unica differenza sostanziale sta nella diversa tensione che i due provini vedono sotto lo stesso carico asintotico.

Nel laminato che costituisce il GLARE lo stato di tensione è causato dal carico esterno e dalle tensioni residue dovute al processo di produzione (curing) imputabile ai differenti coefficienti di dilatazione termica dell’alluminio e del preimpregnato. Quest’ultimo dipende dal tipo di GLARE che viene preso in considerazione. Inoltre, a causa delle suddette differenti proprietà meccaniche, l’alluminio, che è il costituente più rigido, deve sopportare il carico maggiore. In conclusione, la tensione che vede l’alluminio del GLARE è significativamente più elevata della tensione asintotica e quindi il numero di cicli necessari per la nucleazione di una cricca è significativamente più basso. Le fibre invece rimangono integre.

25

1.5.2 Propagazione di una cricca nel GLARE

La più importante ipotesi che viene fatta nello studio della propagazione dei difetti nel GLARE è che la dimensione della cricca sia uguale in tutti i fogli di alluminio vedasi figura 1.20.

Figura 1.20: Through the thickness crack distribution

Varie sperimentazioni hanno mostrato che ciò è realistico per pannelli con cricche centrali (CCT) in presenza di un carico monoassiale. In presenza di bending (ad es. nelle giunzioni), la cricca nuclea e propaga prima nel foglio di alluminio sottoposto a carico maggiore e questa schematizzazione non è più valida.

Durante la propagazione, una parte significativa del carico viene trasferita attraverso le fibre integre (si veda la figura 1.21).

26 Il trasferimento di carico avviene attraverso lo strato di adesivo che unisce fibra e alluminio, inducendo uno sforzo di taglio ciclico nell’adesivo stesso. Come spiegato nel paragrafo 1.4 e illustrato in figura 1.22, questo carico ciclico fa sì che si crei una delaminazione nello strato di resina/fibra tra la zona più ricca di resina e quella più ricca di fibra.

Figura 1.22: Meccanismo della delaminazione

Mano a mano che la delaminazione cresce, la lunghezza delle fibre deformate dal trasferimento di carico è maggiore, inducendo quindi una minor deformazione percentuale ed una minore tensione sulle fibre stesse.

Questo meccanismo fa sì che le fibre restino intatte durante la propagazione e che trasferiscano una parte significativa del carico attraverso la cricca (bridging), riducendo quindi l’apertura della stessa. Come conseguenza si ottiene una riduzione della tensione all’apice della cricca stessa, la quale è quindi praticamente in grado di portare una parte del carico, e ciò è evidentemente impossibile che succeda nel caso di un pannello in alluminio.

Questo comporta che la crescita di un difetto di fatica nel GLARE rimanga praticamente costante e quindi si traduca in un fattore di intensificazione degli sforzi costante nei fogli di alluminio costituenti.

27 Il fenomeno della laminazione e quello del bridging sono strettamente correlati tra loro. Se l’area delaminata a causa della fatica è piccola, e cresce poco nella direzione di propagazione della cricca, significa che si è verificata la rottura delle fibre fin dall’inizio della propagazione. Se invece le fibre sono integre la delaminazione assume una forma intermedia fra un ellisse ed un triangolo, quindi più larga al centro della cricca e via via decrescente fino all’apice. La ragione di questo comportamento è da ricercarsi nel modo in cui le fibre vengono caricate, infatti queste al centro della cricca portano più carico, conseguentemente gli sforzi sono maggiori e quindi la delaminazione è più ampia nel centro.

La differenza principale tra l’alluminio ed il GLARE è la vita a fatica. Nell’alluminio la maggior parte della vita a fatica viene spesa nella fase di nucleazione della cricca mentre la successiva fase di propagazione è abbastanza rapida, vedasi figura 1.22.

Figura 1.23: Confronto tra la vita a fatica dell’alluminio e del GLARE

Il Glare invece presenta una nucleazione della cricca estremamente rapida ma per contro una fase di propagazione molto lunga e costante, che gli permette di avere una vita a fatica maggiore, di circa un ordine di grandezza rispetto a quella dell’alluminio. La maggior propagazione dei difetti iniziali nel GLARE può essere spiegata con il fatto che il carico portato dalle fibre è direttamente correlato con il livello di apertura della cricca. All’inizio della propagazione l’apertura della cricca (COD) è molto piccola e quindi il fenomeno del bridging non è ancora completamente attivato.

28

1.5.3 Fattore di intensificazione degli sforzi

Per quanto riguarda il calcolo di intensificazione degli sforzi nel GLARE, bisogna tener presente che negli strati di alluminio è presente una cricca mentre gli strati di fibra sono integri. Quindi nella relazione:

a

K

=

⋅

∆

⋅

⋅

∆

β

σ

π

Il valore di “a” non è chiaramente definito, in quanto non può essere la dimensione fisica della cricca nell’alluminio, dato che le fibre intatte portano comunque carico. Bisogna quindi seguire un’altra strada descritta di seguito.

Il valor istantaneo del fattore di intensificazione degli sforzi all’apice di una cricca presente nei fogli di alluminio di un pannello in GLARE può essere determinato tramite prove di fatica usando la relazione di Paris–Walzer:

( )

[

]

K

R

C

dN

da

∆

⋅

−

=

1

- C, n, m sono le costanti di Paris–Walzer; -max min σ σ =

R è il rapporto tra tensione minima e massima; - ∆K_eff è il valore effettivo di ∆K =K_max −K_min

Il problema si sposta quindi sulla determinazione di ∆Keff .Un approccio empirico a

tale problema è stato proposto da Guo e Wu [2][3]. Il loro lavoro si basa su una presunta (e verificata dall’esperienza) crescita costante dei difetti nel GLARE, e conseguentemente su di una costanza del fattore di intensificazione degli sforzi. Guo e Wu hanno quindi definito una lunghezza di cricca equivalente “l0” come un

29

eff

K

∆ può essere quindi calcolato come di consueto sostituendo al valore di “a” quello di “l0”.

0

l

K

=

⋅

∆

⋅

⋅

∆

β

σ

π

E’ stato dimostrato che “l0” dipende, oltre che dal tipo di GLARE, anche dalle

dimensioni iniziali del difetto e dagli effetti di bordo (pannelli di larghezza finita). Questi effetti possono essere messi in conto con una relazione empirica.

Alderliestern [6] e Homan, [5], hanno introdotto alcune correzioni:

(

)

L0 dipende dai fattori di correzione per la rigidezza, da un rapporto di rigidezze E*,

dallo spessore del singolo foglio di alluminio e dalla forma dell’area delaminata, ed è definito come: α β2 * 2 2 0 0 E t F F L ⋅ ⋅ ⋅ m ⋅ =

F0 ed F sono correzioni dovute alla finitezza della larghezza, mentre E* è definito come:

(

)

Dove i pedici f ed m stanno rispettivamente per fibra e metallo.

Per maggiori approfondimenti e chiarimenti sulle molteplici proprietà del laminato in fibra denominato GLARE si rimanda ai diversi riferimenti bibliografici attinenti a tali argomenti citati nella bibliografia di tale lavoro.