Meccanica della frattura
La meccanica della frattura esamina gli aspetti della cricca: crescita, propagazione e arrestabilità su componenti e materiali in condizioni operative. I valori caratteristici del materiale determinati dalla funzione sforzo-tempo influenzano la progettazione e la fabbricazione di un componente.
La meccanica della frattura gioca un ruolo importante in molti settori industriali come l'industria aerospaziale e automobilistica. Stimando la vita utile o la durata dei componenti affetti da cricche, è possibile definire in modo specifico gli intervalli di ispezione e manutenzione.
È necessario fare una distinzione tra: linear-elastic fracture mechanics (LEFM) e yielding fracture mechanics (YFM).
Meccanica della frattura lineare-elastica LEFM Meccanica della frattura a snervamento YFM Normative Propagazione della cricca metalli Forme provino Macchine d prova
Meccanica della frattura lineare-elastica (LEFM)
Nella meccanica della frattura lineare elastica (adatta ai materiali fragili), il comportamento del materiale è elastico lineare fino a quando non si verifica la frattura senza deformazione (propagazione instabile della cricca) Un classico valore caratteristico della LEFM è K1C, che descrive l'intensità (K) di sollecitazione critica (C) durante il modo 1 di apertura della cricca.
Meccanica della frattura a snervamento (YFM)
Se il materiale cede in modo duttile, ossia con una deformazione plastica al picco della cricca, si usa il concetto di yielding fracture mechanics. Qui dev’essere fatta una distinzione in base a come sono stati determinati i valori caratteristici: tramite l'energia accumulata nella zona intorno al picco della cricca (concetto integrale J) o attraverso lo spostamento di apertura della punta della cricca (CTOD "crack tip opening displacement").
Normative di riferimento per la meccanica della frattura
- ASTM E399-09 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K1C of Metallic Materials
- ASTM E647 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates (da/dN)
- ASTM E1820-11 – Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness (metals)
- ISO 12135 - Unified Method of Test for the Determination of quasistatic fracture toughness
Propagazione della cricca nei componenti metallici
I difetti legati alla produzione nel componente o sulla sua superficie rappresentano nuclei di cricche che ne favoriscono la formazione sotto carico.
Nella successiva fase di propagazione della cricca, la cricca continua a crescere nel componente fino a quando l'intensità di sollecitazione K davanti alla punta della cricca supera un valore critico e il componente si rompe bruscamente.
Le cricche si propagano in modo stabile (stato pre-critico) o instabile (stato critico) in componenti sottoposti a carico continuo o ciclico. Per i materiali fragili, può essere specificata la grandezza della sollecitazione critica K1C, la cui determinazione è descritta in ASTM E399. Se l'intensità di sollecitazione K della cricca in crescita è inferiore al fattore K1C, la cricca si propaga in modo stabile e può essere fermata in qualsiasi momento quando il carico viene rimosso. Se il valore K1C viene superato, si verifica una crescita instabile della cricca e il componente cede bruscamente.
La curva di crescita della cricca può essere divisa in tre fasi:
Forma del provino nella meccanica della frattura
Nella meccanica della frattura vengono utilizzati provini di forme diverse, selezionati in base alla normativa da rispettare e al materiale da testare. Le forme standardizzate sono definite negli standard per facilitare la comparazione dei risultati dei test.
Provini C(T)
Nella meccanica della frattura i provini più usati sono i Compact Tension (CT).
All’interno delle normative sono indicate ulteriori forme di provino da selezionare in base al settore industriale e alle materie prime disponibili.
- Provini M(T) - Middle tension specimen ASTM E647
- Provini ESE(T) - Eccentrically loaded single edge crack tension specimen ASTM E647
- Provini SE(B) - Single-edge bend specimen ASTM E399
- Provini DC(T) - Disc-shaped compact tension specimen ASTM E399
- Provini A(T) - Arc-shaped tension specimen ASTM E399
- Provini A(B) - Arc-shaped bend specimen ASTM E399
