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A&T 2016 Sessione specialistica: Manutenzione e processi
Torino, 20-21 aprile 2016
SINTESI DEL COMPORTAMENTO A FATICA
A TRAZIONE ALTERNA DI UN ACCIAIO INOSSIDABILE
IN TERMINI DI ENERGIA DISSIPATA
Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Padova G. Meneghetti, M. Ricotta
G. Meneghetti, M. Ricotta
Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Padova, via Venezia, 1 – 35131 Padova
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Catalbiano T., Geraci A., Orlando M.,Il Progettista Industriale, n° 2, 1984.
Curti G., La Rosa G., Orlando M., Risitano A., XIV Convegno Nazionale AIAS, 1986.
DT
s a3
s a2
s a1
N
< sa
> sa
0.1·Nf
0.1°C 1°C
1°C10°C
100°C
Andamento della temperatura in prove a fatica su materiali metallici
• Plastic strain hysteresis (sa>sa)
• Anelastic strain hysteresis (sa<sa)
Feltner CE, Morrow JD. Trans. ASME, J Basic Engineering, 1961
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Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova B. Atzori, G. Meneghetti, M. Ricotta
N1 = N2
Tmax1 Tmax2
Q1=Q2
• Stessa durata
• Temperature diverse
• Stessa energia dissipata
L’energia specifica dissipata Q[J/(m3·ciclo)] per ciclo è un parametro promettente
per la stima di durata a fatica di alcuni materiali metallici
Q si può stimare da misure di temperatura , ad esempio con termocamere a raggi infrarossi
Temperatura ed Energia Termica specifica
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Ep = energia immagazzinata nel materiale per ciclo
Q = energia termica dissipata per ciclo
W = energia meccanica fornita per ciclo
Indicatori del danneggiamento
pEQW Unità: J/(m3ciclo)
Kaleta J, Blotny R, Harig H. Energy stored in a specimen under fatigue limit loading conditions. J
Test Eval 1990.
B. Atzori, G. Meneghetti, M. Ricotta, Key Engineering Materials, 2010.
Ellyin (F. Ellyin, Fatigue damage, crack growth and life prediction, Chapman & Hall 1997)
affermò: “… because of measurement difficulties with regard to the heat loss, Q, the
energy associated with damage, Ep, can be related to the supplied energy, W ”
V S cd
S cv
n
W
Q
Ep
S ir
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Stima sperimentale di Q (1)
t [s]
T[°C]
X
X
X
X
t*
Equazione di bilancio:
dV Et
TcdVHHH
dVw
pircvcd
All’istante t=t*+:
• W=0, Ep=0
• il flusso termico totale (Hcd+Hcv+Hir) non cambia,
poichè la temperatura del provino T(x,y) e la
temperatura ambiente Tamb non cambiano
Pertanto:
ircvcd
*tt
HHHt
Tc
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t [s]
T [°C]
t*
*ttt
Τ
f
HQ
H potenza termica specifica
[W/m3]
densità [kg/m3]
c calore specifico [J/(kg·K)]
f frequenza di prova [cicli/s]
Q energia termica specifica
[J/(m3·cycle)]
*tt
*ttt
TcH
Stima sperimentale di Q (2)
G. Meneghetti, Int. J. Fatigue, 2007
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Tipica attrezzatura sperimentale per misurare l’energia dissipata
PC
for frame acquisition
Testing
machine
Infrared camera Flir Thermovision A40
Blower
PC&Digital
Controller
45,2°C
26,1°C
10 m
m
Superficie del provino
verniciata per aumentarne
l’emissività
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Indipendenza dell’energia dissipata dalle condizioni al contorno termiche e meccaniche
36
0
32
0
25
0
18
0
14
0
R40
78
29
0
49
7
Termocoppia n°5
Termocoppia n°4
Termocoppia n°3
Termocoppia n°2
Termocoppia n°1
40
• Aisi 304L, spessore 6 mm
• 5 Termocoppie Rame-Costantana lungo l’asse del provino
• Macchina MFL 250 kN/MTS TestarIIm
• sa=160 MPa (ampiezza costante), R=0.05. Diversi valori di f e cond. ambiente.
• Misura dell’energia dissipata in corrispondenza delle 5 termocoppie con la tecnica del
gradiente di raffreddamento
0
10
20
30
40
50
60
70
100 200 300 400
DT
[
C]
Posizione longitudinale [mm]
2.5 Hz
5 Hz
7 Hz
7 Hz bis
8 Hz
9 Hz
25 Hz
blower1 Hz phon
0
10
20
30
40
50
60
70
100 200 300 400
Q [
kJ/
(m3 c
iclo
)]
Posizione longitudinale [mm]
2.5 Hz
5 Hz
7 Hz
7 Hz
bis8 Hz
9 Hz
25 Hz
blower1 Hz
phon
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• Prove a fatica:
– Controllo di deformazione (Re=-1); Frequenze di prova f= 0.1-5 Hz
– Criterio di rottura: 4x3-mm-long crack (verificato a posteriori imponendo un prefissato calo di rigidezza)
– Estensometri MTS, base di misura 25 mm (Fig.a) o 5 mm (Fig. b)
– Misura della temperatura: AGEMA THV 900 LW/ST (accuratezza 0.1 °C, frequenza di acquisizione 7 Hz) oppure THERMOVISION A40 (accuratezza di 0.1 °C, frequenza di acquisizione 50 Hz)
– Elaborazione immagini termografiche con software dedicato AGEMA Research 2.1
Materiale, geometria dei provini, condizioni di prova
• AISI 304L
• Spessore 6 mm
• Macchina
servoidraulica Schenck
100 kN
• RT3 TrioSistemi
30
12 13
3
30
30
30
R30
(a)
11
3
30
25
30
R30
7
(b)
10
(c)
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Prove a fatica:
• Controllo di forza (Rs=-1); Frequenze di prova f= 1-30 Hz
• Criterio di rottura: – liscio: separazione completa del provino
– Intagliato: cricca 4 mm (stereoscopio Leica a bordo macchina, max 50x)
• Misure temperatura: Liscio: THERMOVISION A40 (accuratezza di 0.1 °C, campionamento 50 Hz). Intagliato: Termocoppie rame-costantana, f=0.127 mm, accuratezza 0.02°C
• Elaborazione immagini termografiche con software dedicato AGEMA Research 2.1, acquisizione termocoppie: HP 34970°, campionamento 22 Hz
Materiale, geometria dei provini, condizioni di prova
• AISI 304L
• Spessore 6 mm
• Macchina
servoidraulica Schenck
100 kN
• RT3 TrioSistemi
120
10
7
30
R30
(c)
40
12
0
16
(d)
10
0 R5
10
30
(e)
R3 90°
120
10
30
(f)
Ktn=2.2 Ktn=3.0 Ktn=3.7
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Sintesi dei risultati in termini di ampiezza di tensione (R=-1)
Ampiezza di tensione stabilizzata o al 50% di vita
100
700
300
s a,net [MPa]
10 2 10
3 10
4 10
5 10
6 10
7
N f , numero di cicli a rottura
Prove controllo deformazione
Forati, R=8 mm: k=8.9; T N =4.3 Intaglio a U, R=5 mm Intaglio a V, R=3 mm Stair case rotti Stair case non rotti
Materiale base: k=17.2; T N =20.0
k=5.8; T N =4.5
(cricca 4mm)
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AISI 304L, R=3 mm
sanet=120MPa, Nrottura=61082, f =8Hz
R 3
Esempio di filmato termografico
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Stima dell’energia dissipata: provino liscio controllo e
Control area Control area 39
41
43
45
47
49
51
53
55
0 15 30 45 60
T [°
C]
time [s]
9977 . 0 R
79 . 55 t 336 . 0 ) t ( T 2
@ 4 °C
@ 13 s
t*
@ 4 °C
@ 13 s
t*
• Parametri di prova: e a =0.5%, N f =3697 cicli , f=0.4 Hz
• t* : istante in cui la prova è stata interrotta N/ N f =0.2
• Massima temperatura all’interno dell’area di controllo
• Frequenza di acquisizione delle immagini termografiche: Agema THV 900, 7 Hz
Effetto termoelastico
* t t t
T c H
f
H Q Units : J/(m 3 cycle)
dN Q Q f Units : J/m 3
Analysis of data:
* t t t
T c H
f
H Q Units : J/(m 3 cycle)
Units : J/m 3
* t t t
T c H
f
H Q Unità : J/(m 3 cycle)
Analisi dei dati:
Control area
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Andamento dell’energia specifica dissipata Q durante le prove
Prove controllo deformazione [18] Materiale base Materiale base [17] Forati, R=8mm [18] Intaglio a U, R=5mm Intaglio a V, R=3mm
0.01
0.1
1
10
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Q [
MJ/
(m3 c
iclo
)]
N/Nf
• Nf: numero di cicli a rottura
(completa separazione)
• Stabilizzazione di Q
• Progressiva diminuzione
dell’energia dissipata
localmente nel caso di provini
intagliati
0,5mm
Posizione
Termocoppia
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Sintesi di tutti i risultati usando l’energia dissipata
f
0.01
0.1
1
10
Q [MJ/(m3·ciclo)]
102 10
3 10
4 10
5 10
6 10
7
Nf, numero di cicli a rottura
Prove controllo deformazione [18]
Materiale base ( da [17])
Forati, R=8 mm [18]
Intaglio a U, R=5 mm
Intaglio a V, R=3 mm
Stair case rotti [17]
Stair case non rotti [17]
1 2.11
TN,Q=4.51
QA,50%=0.133 [MJ/(m3ciclo)]
(cricca 4mm)
• Tutti dati elaborati insieme
• TN,Q=4.51 simile a quello
della sola serie «forati» in
termini di tensione TN,s=4.3
• Pendenza unica da 102 a
2·106 cicli
• L’energia varia di due
ordini di grandezza
• L’energia specifica
dissipata tiene conto della
sensibilità all’intaglio
mostrata dal materiale
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Conclusioni
• L’energia specifica dissipata Q è utile per la previsione di vita a fatica di alcuni
materiali metallici
•
• Q ha permesso di sintetizzare in un’unica banda risultati di prove a fatica (84 punti
sperimentali) ottenuti con diverse geometrie di intaglio
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Q
f
0.01
0.1
1
10
Q [MJ/(m3·ciclo)]
102 10
3 10
4 10
5 10
6 10
7
Nf, numero di cicli a rottura
Prove controllo deformazione [18]
Materiale base ( da [17])
Forati, R=8 mm [18]
Intaglio a U, R=5 mm
Intaglio a V, R=3 mm
Stair case rotti [17]
Stair case non rotti [17]
1 2.11
TN,Q=4.51
QA,50%=0.133 [MJ/(m3ciclo)]
Q [J/(m3 ciclo)]
N. cicli
1
X
Y
Z
SEP 27 2012
15:02:24
ELEMENTS1
MN
MX
X
Y
Z
0
19.898839.7976
59.696579.5953
99.4941119.393
139.292159.191
179.089
SEP 27 2012
15:04:46
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =1
TIME=1
S1 (AVG)
DMX =.062202
SMX =179.089
Q
f
0.01
0.1
1
10
Q [MJ/(m3·ciclo)]
102 10
3 10
4 10
5 10
6 10
7
Nf, numero di cicli a rottura
Prove controllo deformazione [18]
Materiale base ( da [17])
Forati, R=8 mm [18]
Intaglio a U, R=5 mm
Intaglio a V, R=3 mm
Stair case rotti [17]
Stair case non rotti [17]
1 2.11
TN,Q=4.51
QA,50%=0.133 [MJ/(m3ciclo)]
Q [J/(m3 ciclo)]
N. cicli
•L’energia dissipata Q può essere misurata direttamente in un punto di un
componente in prova mediante una misura di temperatura.
• Dato un componente fatto in materiale caratterizzato in energia, la previsione di
vita a fatica (analisi del danneggiamento) risulta immediata e si basa solo su misure
sperimentali di temperatura