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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche © 2006 Politecnico di Torino 1 Fatica dei materiali 2 Propagazione delle cricche Il fenomeno e la legge di Paris Integrazione della legge di Paris

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Page 1: Fatica dei materiali - polito.itcorsiadistanza.polito.it/on-line/CMM/pdf/U12_L2.pdf · Legge di Paris – 1963 (4/4) C,n = costanti di Paris n = pendenza C = intercetta Diagramma

Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 1

Fatica dei materiali

2

Propagazione delle cricche

Il fenomeno e la legge di ParisIntegrazione della legge di Paris

Page 2: Fatica dei materiali - polito.itcorsiadistanza.polito.it/on-line/CMM/pdf/U12_L2.pdf · Legge di Paris – 1963 (4/4) C,n = costanti di Paris n = pendenza C = intercetta Diagramma

Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 2

Propagazione delle cricche

4

Introduzione (1/4)

σ

a

σ

w

σ

t

σmax

σmin

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 3

5

Introduzione (2/4)

σ

a

σ

w

σ

t

σmax

σmin

KaYK IcmaxImax = <σ

6

Introduzione (3/4)

σ

a

σ

w

σ

t

σmax

σmin

aYK

KaYK

minImin

IcmaxImax

=

=

σ

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 4

7

Introduzione (4/4)

σ

a

σ

w

σ

t

σmax

σmin

0K0aYK

KaYK

Iminmin

minImin

IcmaxImax

=

=

=

⇒<σ

σ

8

Modello di propagazione (1/7)

σ = 0

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 5

9

Modello di propagazione (2/7)

σ ↑

σ = 0

10

Modello di propagazione (3/7)

σ ↑

σ = 0

σ ↑ ↑

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 6

11

Modello di propagazione (4/7)

σ ↑

σ = 0

σ ↑ ↑ ↑

σ ↑ ↑

12

Modello di propagazione (5/7)

σ ↑

σ ↓

σ = 0

σ ↑ ↑ ↑

σ ↑ ↑

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 7

13

Modello di propagazione (6/7)

σ ↑

σ = 0

σ ↓

σ = 0

σ ↑ ↑ ↑

σ ↑ ↑

14

Modello di propagazione (7/7)

σ ↑

σ = 0

σ ↑

σ ↓

σ = 0

σ ↑ ↑ ↑

σ ↑ ↑

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 8

15

Miscrocopia SEM

12 µm

Striature(non sempre

presenti)

da http://www.mme.tcd.ie/~tlgnphln/Fatigue.html

Aspetto microscopico della superficie

Non sono i beach marks

16

Prove di propagazione (1/3)

σ

t

σmax0minσ =

∆σ

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 9

17

Prove di propagazione (2/3)

σ

t

σmax

0KK

RImax

Imin

max

min

0min

==σσ

σ

=

=

∆σ

18

Prove di propagazione (1/3)

σ

t

σmax

0KK

RImax

Imin

max

min

0min

==σσ

σ

=

=

∆σ

KI

t

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 10

19

02468

10121416

0 5 ·103 1.0·104 1.5 ·104 2.0 ·104 2.5 ·104

N

a (m

m)

∆σ

Risultato (a0 = cost.)

20

02468

10121416

0 5 ·103 1.0·104 1.5 ·104 2.0 ·104 2.5 ·104

N

a (m

m)

∆σ

Risultato (∆σ = cost.)

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 11

21N

aR=0

∆σ

Costruzione diag. di Paris (1/5)

22N

aR=0

P

∆σ

Costruzione diag. di Paris (2/5)

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 12

23N

aP

aR=0

P

∆σ

PdNda

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Costruzione diag. di Paris (3/5)

24N

aP

aR=0

P

∆σpP aYK σ∆∆ =

PdNda

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Costruzione diag. di Paris (4/5)

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 13

25N

aP

aR=0

PdNda

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

P

∆σdNda

∆K

pP aYK σ∆∆ =

PdNda

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Costruzione diag. di Paris (5/5)

PK∆

26

Legge di Paris – 1963 (1/4)

dNda

∆K

Diagramma doppio log

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 14

27

KCdNda n∆=

Legge di Paris – 1963 (2/4)

dNda

∆K

Diagramma doppio log

28

KlognClogdNda

log

KCdNda n

∆+=

∆=

Legge di Paris – 1963 (3/4)

C,n = costanti di Paris

dNda

∆K

Diagramma doppio log

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 15

29

dNda

∆K

KlognClogdNda

log

KCdNda n

∆+=

∆=

Legge di Paris – 1963 (4/4)

C,n = costanti di Parisn = pendenzaC = intercetta

Diagramma doppio log

30

Alcuni valori di C e n (1/3)

Acciai martensitici ( )sn mσ 480MPa,R 620MPa> >

10 2.25da1.35 10 K

dN−= ⋅ ∆

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 16

31

Alcuni valori di C e n (2/3)

Acciai martensitici ( )sn mσ 480MPa,R 620MPa> >

Acciai ferritici – perl. ( )sn mσ 550MPa,R 750MPa< <

10 2.25da1.35 10 K

dN−= ⋅ ∆

12 3.0da6.90 10 K

dN−= ⋅ ∆

32

Alcuni valori di C e n (3/3)

Acciai martensitici ( )sn mσ 480MPa,R 620MPa> >

Acciai ferritici – perl. ( )sn mσ 550MPa,R 750MPa< <

( )sn mσ 340MPa,R 650MPa< <Acciai austenici

10 2.25da1.35 10 K

dN−= ⋅ ∆

12 3.0da6.90 10 K

dN−= ⋅ ∆

12 3.25da5.60 10 K

dN−= ⋅ ∆

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 17

33

IIdNda

∆K

Diagramma di Paris completo (1/3)

34

I II

2.5 10-10

m/ciclo

dNda

∆K

Diagramma di Paris completo (2/3)

∆Kth

∆Kthvalore di soglia(limite di fatica)

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 18

35

I II IIIdNda

∆K

Diagramma di Paris completo (3/3)

∆Kth ∆Kcr

∆Kcr⇓

KImax = Kc

∆Kthvalore di soglia(limite di fatica)

2.5 10-10

m/ciclo

36

dNda

∆K

Effetto R>0

∆Kth

R=0R

2.5 10-10

m/ciclo

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 19

37

Esempio diagramma di Paris (∆Kth)

da http://www.lbl.gov/Ritchie/Programs/URI/Boyce1/boyce1.html

Propagazione delle cricche

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 20

39

( )σ∆=⇒∆= n

n

aYC

dadNKC

dNda

Integrazione per parti (1/2)

40

( )

( )∫σ∆

=

σ∆=⇒∆=

f

0

a

anf

nn

aYC

daN

aYC

dadNKC

dNda

Integrazione per parti (2/2)

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 21

41

Limiti di integrazione: a0 (1/2)

a0: rilevato mediante controlli non distruttivi o supposto in base a norme o a esperienza precedente

42

Limiti di integrazione: a0 (2/2)

a0: rilevato mediante controlli non distruttivi o supposto in base a norme o a esperienza precedenteNel caso in cui le prove non distruttive non evidenzino difetti le norme possono prevedere di ipotizzare un difetto di dimensioni pari alla sensibilità del metodo

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 22

43

Limiti di integrazione: af (1/5)

af: è la dimensione del difetto che porta al cedimento il componente o la struttura

44

Limiti di integrazione: af (2/5)

af: è la dimensione del difetto che porta al cedimento il componente o la struttura

Rottura fragile Ic max crK Yσ a=2

Iccr

max

Ka

Yσ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 23

45

Limiti di integrazione: af (3/5)

af: è la dimensione del difetto che porta al cedimento il componente o la struttura

Rottura fragile Ic max crK Yσ a=2

Iccr

max

Ka

Yσ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

Collasso plastico

⇒ sna

46

Limiti di integrazione: af (4/5)

af: è la dimensione del difetto che porta al cedimento il componente o la struttura

Rottura fragile Ic max crK Yσ a=2

Iccr

max

Ka

Yσ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

Collasso plastico sna

Cricche passanti (recipienti)

t (spessore)

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 24

47

Limiti di integrazione: af (5/5)

( )t,sncr a,aminfa =

af: è la dimensione del difetto che porta al cedimento il componente o la struttura

Rottura fragile Ic max crK Yσ a=2

Iccr

max

Ka

Yσ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

Collasso plastico

Cricche passanti (recipienti)

⇒ t (spessore)

sna

48

Risultato integrazione (1/3 )

... se Y = costante

( )( )σ∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−=⇒≠

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

n

2n

1

02n

1

ff

YC2n

1

aaN2n

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 25

49

Risultato integrazione (2/3 )

( )( )

( )( ) ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

σ∆=⇒=

σ∆⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−=⇒≠

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

0

f2f

n

2n

1

02n

1

ff

aa

lnYC

1N2n

YC2n

1

aaN2n

... se Y = costante

50

Risultato integrazione (3/3 )

( )( )

( )( ) ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

σ∆=⇒=

σ∆⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−=⇒≠

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

0

f2f

n

2n

1

02n

1

ff

aa

lnYC

1N2n

YC2n

1

aaN2n

... se Y ≠ costante ⇒ integrazione numerica

... se Y = costante

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Comportamento meccanico dei materiali Propagazione delle cricche

© 2006 Politecnico di Torino 26

51

02468

10121416

N

a (m

m)

NfNverifica

Programmazione controlli