4 fasi di sviluppo della frattura da fatica

Per un componente con una cricca iniziale di dimensioni a0, quando è sottoposto a carichi statici, finché la sollecitazione di lavoro (σ) è inferiore alla sollecitazione critica (σc), il componente funzionerà in modo sicuro e affidabile sotto il livello di sollecitazione statica. La rottura fragile si verifica solo quando σ=σc o K1=K1c.

Tuttavia, se il componente subisce una sollecitazione alternata con un valore di σ<σc, la cricca iniziale a0 aumenterà gradualmente di dimensioni sotto l'influenza della sollecitazione alternata. Quando raggiunge la dimensione critica di a=ac, il componente diventa instabile e si danneggia.

Il processo di crescita della dimensione iniziale della cricca a0 fino alla dimensione critica ac è definito crescita subcritica della cricca da fatica o fase di vita residua della macro-cricca a0, come illustrato nella Figura 1.

Fig. 1

La vita totale a fatica (N) di un materiale consiste in due fasi: la vita di iniziazione (Ni) e la vita di propagazione (Np) dalla crescita della cricca alla frattura.

Il processo di frattura da fatica è complessa e influenzata da molti fattori, ma in generale può essere suddivisa in quattro fasi in base allo sviluppo delle crepe:

N = N_i + N_p

1. Fase di nucleazione della cricca

Quando un componente è sottoposto a carichi alternati e non presenta cricche o difetti, anche se la sollecitazione nominale è inferiore al limite di snervamento del materiale, la superficie del componente può comunque subire uno slittamento in aree localizzate a causa dell'irregolarità del materiale.

Questo perché la superficie del componente si trova in uno stato di tensione piana, che la rende suscettibile di slittamento senza alcuna deformazione plastica. Nel corso del tempo, i ripetuti processi ciclici di slittamento portano alla formazione di bande di estrusione e slittamento del metallo, creando il nucleo per le microfessure.

2. Fase di propagazione della microfrattura

Una volta formatosi il nucleo della cricca, la microcricca si propaga lungo la superficie di scorrimento a 45° sotto l'influenza della sollecitazione principale.

In questa fase, la profondità della cricca nella superficie è molto bassa, solo una decina di micron, e ci sono molte cricche lungo la banda di scorrimento, come illustrato nella Figura 2.

Questo è lo stadio iniziale della crescita della cricca.

3. Stadio di crescita della macro-cricca

Questa fase segna il passaggio dalle microfessure alle macrofessure.

Il tasso di crescita delle cricche aumenta e la direzione di crescita è perpendicolare alla tensione di trazione, con una singola cricca che cresce.

È generalmente accettato che la lunghezza della cricca compresa tra 0,01 mm e ac rappresenti lo stadio di crescita della macro-cricca, noto anche come secondo stadio di crescita della cricca.

4. Fase finale di frattura

Quando la dimensione della cricca raggiunge la dimensione critica ac, si verifica la propagazione dell'instabilità e la frattura avviene rapidamente.

Questo è un tipico processo di frattura per fatica per componenti con superfici lisce e senza cricche iniziali.

Per i materiali ad alta resistenza, grazie alla loro elevata resistenza allo snervamentoGrazie all'elevata sensibilità agli intagli e alla presenza di inclusioni interne e particelle dure, le cricche si formano spesso direttamente nei punti di concentrazione delle macrostrutture e si incrinano per la prima volta lungo le inclusioni e l'interfaccia con la matrice, dando inizio alla fase di crescita stabile delle macrocricche piuttosto che alla fase di crescita inclinata delle microcricche.

La fase di crescita della macro-cricca è la fase più significativa per l'analisi della fatica dal punto di vista del meccanica della frattura.