A&T 2016, Torino Lingotto Fiere Sessione specialistica del 20 aprile 2016, ore 10:30 - 12:45 Relatore: Giovanni Meneghetti (Università di Padova)

1. A&T 2016
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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

2. A&T 2016
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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
sa3
sa2
sa1
N
< sa
> sa
 0.1·Nf
0.1°C 1°C
1°C10°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
Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Padova
G. Meneghetti, M. Ricotta

3. A&T 2016
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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

4. A&T 2016
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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 Scd
Scv
n
W
Q
Ep
Sir
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G. Meneghetti, M. Ricotta

5. A&T 2016
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Stima sperimentale di Q (1)
t [s]
T[°C]
X
X
X
X
t*
Equazione di bilancio:
  dVE
t
T
cdVHHH
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
HHH
t
T
c 




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G. Meneghetti, M. Ricotta

6. A&T 2016
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t [s]
T [°C]
t*
*ttt
Τ









f
H
Q 
 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
*tt
t
T
cH
Stima sperimentale di Q (2)
G. Meneghetti, Int. J. Fatigue, 2007
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7. A&T 2016
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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
10mm
Superficie del provino
verniciata per aumentarne
l’emissività
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8. A&T 2016
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Indipendenza dell’energia dissipata dalle condizioni al contorno termiche e meccaniche
360
320
250
180
140
R40
78
290
497 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
blower
1 Hz phon
0
10
20
30
40
50
60
70
100 200 300 400
Q[kJ/(m3ciclo)]
Posizione longitudinale [mm]
2.5 Hz
5 Hz
7 Hz
7 Hz
bis
8 Hz
9 Hz
25 Hz
blower
1 Hz
phon
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9. A&T 2016
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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
133
3030
30
R30
(a)
113
30
25
30
R30
7
(b)
10
(c)
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10. A&T 2016
slide 10
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
120
16
(d)
100
R5
10
30
(e)
R3
90°
120
10
30
(f)
Ktn=2.2 Ktn=3.0 Ktn=3.7
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11. A&T 2016
slide 11
Sintesi dei risultati in termini di ampiezza di tensione (R=-1)
Ampiezza di tensione stabilizzata o al 50% di vita
100
700
300
sa,net [MPa]
102
103
104
105
106
107
Nf, 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; TN=20.0
k=5.8; TN=4.5
(cricca 4mm)
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12. A&T 2016
slide 12
Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Padova
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AISI 304L, R=3 mm
sanet=120MPa, Nrottura=61082, f =8Hz
R 3
Esempio di filmato termografico

13. A&T 2016
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Stima dell’energia dissipata: provino liscio controllo e
Control areaControl area
39
41
43
45
47
49
51
53
55
0 15 30 45 60
T[°C]
time [s]
9977.0R
79.55t336.0)t(T
2


@4 °C
@13 s
t*
@4 °C
@13 s
t*
• Parametri di prova: ea=0.5%, Nf=3697 cicli , f=0.4 Hz
• t*: istante in cui la prova è stata interrotta N/Nf=0.2
• Massima temperatura all’interno dell’area di controllo
• Frequenza di acquisizione delle immagini termografiche: Agema THV 900, 7 Hz
Effetto termoelastico



*ttt
T
cH
f
H
Q  Units: J/(m3cycle)
  dNQQf Units: J/m3
Analysis of data:



*ttt
T
cH
f
H
Q  Units: J/(m3cycle)
Units: J/m3



*ttt
T
cH
f
H
Q  Unità: J/(m3cycle)
Analisi dei dati:
Control area
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14. A&T 2016
slide 14
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
ciclo)]
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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15. A&T 2016
slide 15
Sintesi di tutti i risultati usando l’energia dissipata
f
0.01
0.1
1
10
Q [MJ/(m3
·ciclo)]
102
103
104
105
106
107
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/(m3
ciclo)]
(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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16. A&T 2016
slide 16
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
103
104
105
106
107
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/(m3
ciclo)]
Q [J/(m3 ciclo)]
N. cicli
X
Y
Z
MN
MX
X
Y
Z
0
19.8988
39.7976
59.6965
79.5953
99.4941
119.393
139.292
159.191
179.089
Q
f
0.01
0.1
1
10
Q [MJ/(m3
·ciclo)]
102
103
104
105
106
107
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/(m3
ciclo)]
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