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 Generalità

A volte i materiali sottoposti a carichi ciclici giungono a rottura senza che venga mai raggiunto il limite di snervamento; questo fenomeno è stato definito come "fatica".

La durata della vita di un componente meccanico sottoposto a sollecitazioni cicliche dipende in generale dai seguenti fattori principali:

• Materiale costituente il pezzo
• Tipo e valore delle sollecitazioni di lavoro
• Geometria del pezzo, ed in particolare presenza di concentratori di sollecitazione (intagli)
• Ambiente operativo (più o meno aggressivo)
• Finitura superficiale (rugosità, eventuali stati di tensione superficiale)
• Frequenza del ciclo di carico.

Gli approcci più recenti al problema della fatica distinguono il fenomeno in una fase di incubazione della fessura di fatica ed in una fase di propagazione della fessura stessa, e si concentrano in particolare su questa seconda fase.

L'approccio classico si basa sul numero di cicli di carico necessari per portare a rottura un provino standard, ed ha condotto, in passato, a stabilire per alcune tipologie di materiali (acciai da bonifica) il concetto di "limite di fatica".

Definizioni

Sono state assunte le definizioni americane, utilizzate da MIL-HDBK-5.

• Sollecitazione massima Smax: massimo valore di sollecitazione raggiunto nel ciclo di fatica
• Sollecitazione minima Smin: minimo livello (algebrico) della sollecitazione raggiunto nel ciclo di fatica
• Rapporto di sollecitazione R = Smin / Smax; si ha in particolareR = -1 per fatica alternata ed R = 0 per fatica pulsante

• Cicli alla rottura N: numero di cicli di fatica al quale si verifica la rottura del provino; in molti casi nelle rappresentazioni grafiche viene riportato, anziché il valore di N, il relativo logaritmo decimale.
• Fattore di intaglio K_t : fattore di intensificazione locale della sollecitazione per effetto della presenza di intagli; per provini lisci si ha K_t = 1
• Velocità di propagazione della fessura da/dN, ove 2a è la lunghezza della fessura ad un certo istante della fase di propagazione.
• Stress Intensity Factor Range D K = Y (Smax - Smin) √a , dove Y è una costante numerica ed a la lunghezza della fessura

Presentazione dei dati

In generale le proprietà di resistenza a fatica di un materiale vengono ricavare sperimentalmente su provini e presentate in forma grafica sotto forma di

• Curve di fatica (diagrammi Smax verso N ovvero Smax verso log(N)), che riportano il numero di cicli a rottura verso la sollecitazione massima; questi diagrammi dovrebbero riportare il tipo di sollecitazione applicata (a trazione, flessione, ecc), il coefficiente di intaglio, il rapporto di sollecitazione, il tipo di ambiente (se diverso dall'aria in condizioni normali di temperatura ed umidità relativa), la frequenza di applicazione del carico (se diversa da quelle normalmente utilizzate per le prove e per le quali i valori sperimentali si possono ritenere praticamente non influenzati dalla frequenza), e, per le leghe di alluminio ed altri materiali anisotropi, le direzioni di prelievo dei provini.

• Diagrammi di propagazione della fessura (diagrammi da/dN verso D K) che riportano la velocità di propagazione della fessura in funzione dell'intensità delle sollecitazioni applicate.

Concentratori di tensioni

I pezzi meccanici contengono in generale variazioni di sezione, fori, raccordi, cave che, sotto carico, producono localmente sollecitazioni più elevate delle sollecitazioni medie calcolate sulla base della sezione resistente nominale.

Tali sollecitazioni locali dipendono dalla geometria del pezzo e dal tipo di materiale.

Si definisce fattore geometrico di concentrazione delle tensioni o fattore di intaglio K_t il rapporto tra la sollecitazione locale massima e la sollecitazione media riferita alla sezione resistente; il valore di questo fattore viene ricavato dalla relativa manualistica, ovvero sperimentalmente mediante analisi fotoelastica o con l'uso di vernici fragili, ovvero teoricamente con tecniche di calcolo agli elementi finiti.

A titolo di esempio si riportano i dati per un pezzo a sezione circolare retta sollecitato a trazione.

Principi di progettazione

Nella progettazione di un pezzo soggetto a fatica occorre tener presenti almeno le seguenti considerazioni:

• Scelta del materiale: alcune leghe di alluminio, specialmente quelle di derivazione aeronautica, sono state accuratamente caratterizzate a fatica; i dati relativi sono disponibili in bibliografia. In generale le leghe con valori meccanici statici più elevati presentano anche le resistenze a fatica più elevate.
• Geometria del pezzo: occorre prestare particolare attenzione ai concentratori di tensioni; in particolare vanno evitati ove possibile raccordi e cave con spigoli vivi.
• Finitura delle superfici: i dati delle curve di fatica sono generalmente ricavati su provini finiti alla tela; finiture superficiali di utensile grossolane peggiorano sensibilmente la resistenza a fatica; lo stesso dicasi per graffi ed incisioni profonde. Nei casi più critici possono essere previsti trattamenti di precompressione locale delle superfici (pallinature o rullature).
• Protezione superficiale: deve essere adeguata all'ambiente in cui opererà il componente, in quanto un eventuale attacco corrosivo può innescare la formazione di fessure di fatica; occorre fare attenzione che, specialmente per fatica oligociclica, l'anodizzazione (e in modo particolare l'anodizzazione dura) riduce la resistenza a fatica.