01) Quando un corpo si intende sollecitato a fatica?

Un corpo è sollecitato a fatica quando viene sottoposto ripetutamente a sforzi di intensità variabile. Queste sollecitazioni ripetute possono provocare la rottura del corpo, anche quando le sollecitazioni interne risultano essere sempre inferiori a quelle che applicate in modo statico (lentamente e per una singola volta), provocherebbero la rottura del pezzo.

02) I difetti e le anomalie sono importanti nelle sollecitazioni per fatica?

Ogni anomalia o difetto sia nella forma del pezzo, sia superficiale, sia strutturale nel senso più vasto del termine e tanto a livello macroscopico quanto microscopico o reticolare, può essere responsabile delle prime lesioni dalle quali, dapprima lentamente e poi sempre più rapidamente, progredisce la fessura di fatica fino alla rottura di schianto della residua parte della sezione.

03) Quando iniziarono le prime indagini sistematiche sul fenomeno di rottura a fatica?

Il problema della resistenza a fatica sorse con lo sviluppo delle ferrovie (1820¸1872) e principalmente attorno al 1850. Tali studi furono sviluppati prima in Europa e poi negli Stati Uniti. Il motivo era cercare di capire il perché delle rotture negli assali delle carrozze, nelle rotaie ed esaminare il comportamento dei ponti metallici ferroviari. Il primo che condusse una indagine sistematica dal 1852 al 1869 fu A. Wöhler, ingegnere delle ferrovie bavaresi. Impulsi successivi non mancarono e furono collegati ad un nuovo tipo di trasporto: quello aereo.

04) In quali campi sono importanti le conoscenze del fenomeno di fatica?

Attualmente il problema di questo fenomeno è esaminato, oltre al campo dei trasporti, nel campo del chimico e del nucleare.

05) Come si presenta la superficie di rottura per fatica? Come si può spiegare il fenomeno?

La superficie di rottura per fatica è sempre distinta in due zone:

1) una liscia, vellutata, a struttura finissima e brillante (ZONA DI FATICA): causata dallo sfregamento delle superfici a contatto e rappresenta la sezione rotta per fatica dopo un periodo molto lungo; in questa zona sono presenti delle linee, approssimativamente a forma di archi aventi centro comune nel punto in cui la frattura ha avuto inizio, dette LINEE D'ARRESTO, dovute probabilmente a periodi di riposo oppure ad incrudimenti localizzati che aumentando la resistenza del materiale provocano l'arresto della rottura.

2) una cristallina, a struttura fibrosa o a scaglie (ROTTURA DI SCHIANTO): causata dalla rottura finale avvenuta istantaneamente a causa della eccessiva diminuzione della sezione resistente relativamente alla sollecitazione applicata.

Le rotture per fatica hanno generalmente inizio in prossimità di qualche difetto, strutturale o geometrico (impurezze, soffiature, incisioni superficiali,…) che causa incrementi locali degli sforzi.

06) Analizzando il tipo di frattura cosa si può affermare?

Si può affermare che l'esame del rapporto fra l'area della superficie liscia e quella rugosa è un indice significativo per capire se la rottura è avvenuta per un'alta sollecitazione media o per una notevole punta di sollecitazione.

07) La frattura per fatica è influenzata dal bordo dei cristalli?

La rottura progressiva per fatica avviene per distruzione di coesione, per distacco di piani cristallini e non per scorrimento.

L'esame microscopico rivela che la frattura penetra nei cristalli e non viene influenzata dal bordo di essi.

08) Quali sono i fattori agenti sulla resistenza a fatica?

Una bassa rugosità (finitura elevata) aumenta il limite di resistenza a fatica, mentre una finitura grossolana favorisce gli inneschi a rottura. Impurezze, inclusioni, incisioni superficiali sono cause solite di innesco alla rottura e di conseguenza abbassano il limite di resistenza a fatica.

Trattamenti termici (nitrurazione) o tecnologici (pallinatura) che aumentano la durezza superficiale aumentano il limite. Trattamenti termici che creano tensioni interne abbassano il limite.

Bruschi cambiamenti di sezione, fori, filettature, ecc… abbassano il limite; per questo sono importanti i raccordi più ampi possibili, compatibilmente alla funzionalità del pezzo.

Corrosione e saldature creano innesco alla rottura. Fino a 300¸400 °C la temperatura non ha grande influenza sul limite di fatica. Negli acciai la struttura che resiste meglio alla fatica è la sorbite.

Tutto ciò che crea eterogeneità sia a livello dei piani cristallini, sia a livello della geometria o dello stato superficiale del pezzo, potrebbe essere causa di innesco alla rottura.

09) Quali possono essere i criteri di prova per verificare il comportamento a fatica?

Il criterio di prova per verificare il comportamento consiste nel sollecitare la provetta ad una data frequenza e rompere e fessurare in modo prefissato la provetta; raggiungere un numero prefissato di cicli senza che avvenga la rottura.

10) Che tipo di influenza ha la frequenza delle oscillazioni sulla resistenza a fatica?

La frequenza delle sollecitazioni fino a 100 Hz non ha alcuna influenza sulla resistenza a fatica per cui hanno importanza solo i valori massimi e minimi.

Da 100 a 150 Hz subentra il fenomeno di riscaldamento per isteresi che fa perdere al materiale parte della sua resistenza. Da 150 a 250 Hz se si potesse eliminare il calore si noterebbe un aumento di resistenza

11) Nel corso delle prove di fatica è presente una grande dispersione dei valori; da quali fattori viene provocata?

Nel corso prove di fatica è presente una grande dispersione dei valori provocata da diversi fattori:

eterogeneità del materiale, modalità di preparazione delle provette, temperatura, atmosfera d’esercizio, incertezza nell’esecuzione della prova.

12) Identificare sulla funzione sinusoidale i termini, i simboli, le definizioni ed i legami fra i vari parametri in gioco!

Tensione massima s_Max

Valore massimo algebrico della tensione durante un ciclo. Ai valori delle tensioni sono attribuiti segni algebrici: segno + nel caso della trazione e segno – nel caso della compressione.

Tensione minima s_min

Valore minimo algebrico della tensione durante un ciclo. Il calcolo della tensione viene eseguito trascurando gli effetti di concentrazione delle tensioni per brusche variazioni di sezione o per la presenza di intagli.

Tensione media

La tensione media s_M è il valore della media algebrica tra la tensione massima e la tensione minima per cui corrisponde alla componente statica della tensione: s_M = (s_Max + s_min)/2. Ai valori delle tensioni sono attribuiti segni algebrici: segno + nel caso della trazione e segno – nel caso della compressione.

Ampiezza di tensione s_a

Semidifferenza algebrica tra la tensione massima e minima (componente alternata della tensione).

Campo di variazione della tensione 2s_a

Differenza algebrica tra la tensione massima e quella minima.

Rapporto di tensione R_s

E’ il rapporto algebrico tra la tensione minima e quella massima.

Frequenza f

E’ l’inverso del periodo, cioè 1/T

13) Definizione del limite di fatica! Rappresentare su diagramma caratteristico.

LIMITE DI FATICA: è la massima ampiezza della sollecitazione di fatica che, pur applicata un numero infinito di volte, non provoca rottura. Alcuni materiali non hanno il limite di fatica.

Simbologia : s_d [N/mm²]. Per certi materiali può non esistere.

14) Definizione della resistenza a fatica per N cicli! Rappresentare su diagramma caratteristico.

La resistenza a fatica per durata limitata di N cicli è l’ampiezza di tensione alla quale una provetta ha una vita limitata, solitamente il numero dei cicli. Di solito la resistenza a fatica viene designata nel seguente modo: s_D= s_M± s_A’

Dove s_A’ rappresenta l’ampiezza della tensione corrispondente alla resistenza a fatica per N cicli.

15) Elencare le modalità operative tipiche per eseguire una prova di fatica con il metodo della freccia.

Si prepara la macchina e si posiziona la provetta bloccandola saldamente.

Si sceglie un carico di partenza F che genera una sollecitazione minore di quella di rottura.

Si applica il carico, che tramite appositi rinvii, agisce sull’estremità della provetta .

Si fissa il numero di giri N che devono essere sostenuti dalla provetta a carico costante (inizialmente F). Si fissa la frequenza di rotazione [Hz].

Tramite un comparatore si misura la freccia (l’inflessione, la deformazione della provetta ) causata dalla forza F. Con fp [mm] si indica la deformazione prima di compiere i cicli stabiliti.

Si aziona la macchina che fa girare la provetta alla frequenza stabilita. Compiuto il numero di cicli stabiliti si ferma la macchina e si misura nuovamente la freccia. Si indica con fd [mm] la deformazione della provetta, dopo aver compiuto i cicli.

Si aggiunge un carico DF (in modo che il carico totale risulti DF+F). Si misura fp.

Si compiono i cicli stabiliti e successivamente si misura fd.

Si ripete la procedura, aumentando ogni volta il carico del DF stabilito misurando fp e fd fino a quando la provetta non si rompe.

16) Descrivere la curva di Wöhler .

Il metodo più utilizzato di presentazione grafica dei risultati consiste nel riportare in ascisse i valori della durata in cicli e in ordinate i valori dell’ampiezza di funzioni o, secondo altra modalità di prova, la tensione massima. Una scala logaritmica è usata per la durata in cicli, mentre per le tensioni si può scegliere tra la lineare e la logaritmica. Una curva di Wöhler può essere tracciata per ciascuna serie di prove aventi una stessa tensione media, oppure uno stesso rapporto di tensione.

Può essere utile, se è il caso, indicare sul diagramma la larghezza della banda di dispersione dei risultati.