Fatica

La fatica è un fenomeno meccanico per cui un materiale sottoposto a carichi variabili nel tempo (in maniera regolare o casuale) si danneggia fino alla rottura (cedimento a fatica o rottura per fatica) anche se sia rimasto nel suo limite d’elasticità, cioè nonostante durante la vita utile del materiale l’intensità massima dei carichi in questione si sia mantenuta ad un valore sensibilmente inferiore alla tensione di rottura o di snervamento statico (cioè in assenza di cicli di sforzo) del materiale stesso.

Storicamente scoperta e studiata come fenomeno prettamente metallurgico (quindi nell’ambito dei materiali metallici), in seguito il termine “fatica” è stato usato anche per le altre classi di materiali, come i materiali polimerici o i materiali ceramici.

La fatica è il fenomeno responsabile della grande maggioranza dei cedimenti in esercizio di organi di macchine (oltre il 90%).

I primi studi intorno alla fatica vennero compiuti alla fine del secolo XIX, in seguito a una serie di rotture “inspiegabili” di assi ferroviari progettati per resistere a carichi (statici) ben superiori a quelli cui invece avveniva la loro rottura improvvisa in esercizio. August Wöhler intuì che il fenomeno era dovuto alla natura ciclica del carico cui l’assale era sottoposto (flessione rotante) e tentò di ricostruire lo stato di sollecitazione in laboratorio, mettendo in relazione l’ampiezza massima del ciclo di sollecitazione con il numero di cicli che il pezzo sopportava prima della rottura: ne ricavò una serie di curve su base statistica che sono chiamate “diagrammi di Wöhler” e costituiscono lo strumento base per la progettazione di componenti meccanici sollecitati a fatica.

Ad esempio un pezzo in grado di resistere a 50 kg/mm² in maniera statica (cioè in assenza di cicli di sforzo) può scendere a soli 10-12 kg/mm² se sottoposto a oltre 100 milioni di cicli. La curva di Wöhler divide il piano in due parti: per qualsiasi condizione al di sopra della curva il pezzo va incontro a rottura per fatica, mentre per qualsiasi condizione al di sotto della curva il pezzo non va incontro a rottura per fatica.

Da questi diagrammi si evidenzia per alcuni materiali l’esistenza di un limite inferiore di sforzo massimo al di sotto del quale il materiale non si rompe per effetto di fatica nemmeno per un numero “molto alto” (idealmente infinito) di cicli. Questo valore dello sforzo è detto limite di fatica del materiale.

Nel caso dei materiali metallici, la fatica è legata ai fenomeni di micro-deformazioni plastiche cicliche locali indotte dal ciclo di sollecitazioni. Esse sono dovute al fatto che, per effetto di vari tipi di microintagli e/o discontinuità (bordi di grano, inclusioni non metalliche, composti interstiziali, rugosità superficiali), il valore dello sforzo può superare localmente il carico di snervamento, anche se il carico macroscopico esterno rimane sempre al di sotto di esso.

In particolare il danneggiamento per fatica procede attraverso i seguenti stadi:

  • innesco della frattura: questo primo stadio, detto anche di assestamento microstrutturale, ha l’effetto di stabilizzare il ciclo di isteresi plastica della massa metallica (restringendolo o allargandolo a seconda dei materiali, se prevale l’incrudimento o l’addolcimento) e, di conseguenza, di stabilizzare alcune caratteristiche meccaniche e fisiche dello stesso. Slittamenti “disordinati” dei piani cristallini del metallo si localizzano in bande disposte a 45° rispetto alla direzione dello sforzo applicato, generando microintrusioni e microestrusioni. La frattura si innesca quasi sempre sulla superficie del pezzo ed è dovuta a irregolarità superficiali di qualsiasi tipo, ad esempio microcricche e microintagli. Anche se la superficie viene lappata ed eliminiamo tutte le irregolarità che possono innescare la frattura, il materiale da solo si ricrea da sé le irregolarità. Infatti anche se il carico è inferiore a quello di snervamento, localmente si manifestano tensioni superiori che innescano fenomeni di scorrimento; ciò causa la nascita di protuberanze sulla superficie del materiale. Anche quando si inverte la tensione σ, le protuberanze non rientrano, perché formano ossidi che ne impediscono i movimenti e perché essendo incrudite per farle rientrare ci vorrebbe una σ maggiore.
  • Nella successiva fase di nucleazione le microintrusioni e microestrusioni determinano l’innesco del danneggiamento per fatica. Infatti sul fondo di tali microintrusioni gli sforzi risultano amplificati per effetto d’intaglio, per cui il materiale in quel punto cederà facilmente e si formeranno delle microcricche. Queste tendono a riunirsi, andando a formare la cricca vera e propria, che si considera ormai nucleata quando raggiunge la profondità di circa 0,1 mm.
  • Propagazione della cricca: la cricca si propaga per un piccolo tratto lungo la direzione 45° dei difetti di estrusione, poi il suo cammino prosegue in direzione ortogonale alla direzione esterna. In particolare dopo la nucleazione della cricca, la sua propagazione avviene in maniera transgranulare (come una frattura fragile) e in senso perpendicolare a quello del massimo sforzo (non più a 45°); ad ogni ciclo di sforzo la cricca avanza di un “passo” e lascia a volte tracce caratteristiche, dette “striature”. All’apice della cricca si ha intensificazione degli sforzi. Se il materiale è tenace, si ha deformazione plastica e propagazione della cricca come nella frattura duttile; aumenta il raggio di plasticizzazione all’apice della cricca e di conseguenza σ max diminuisce (< σs), arrestando la cricca stessa. Questo arrestarsi e ripartire della cricca per ogni ciclo da origine alla formazione delle linee di spiaggia tipiche della zona di propagazione.
  • Frattura finale: l’avanzare della cricca porta ad una progressiva diminuzione di sezione resistente; quando la sezione resistente si riduce e la dimensione della cricca raggiunge il valore della sezione critica del materiale, si ha la frattura finale di schianto per sovraccarico (statico).

La propagazione della frattura è facilmente osservabile in qualunque oggetto rotto a fatica. Un oggetto rotto a fatica presenterà infatti due superfici diverse in corrispondenza della sezione di rottura:

  • superficie criccata: parte della superficie rotta perfettamente liscia, vellutata e lucida alla vista;
  • superficie di rottura per schianto: parte rugosa discontinua e piena di piccoli crateri ed opaca alla vista, questa parte della rottura è avvenuta per sovraccarico e può presentare la strizione.

Si considerano come fattori meccanici tutti quelli legati all’esercizio e al dimensionamento del pezzo metallico.

  • Dato che la cricca inizia spesso sulla superficie del pezzo, l’estensione di quest’ultima è proporzionale alla probabilità d’innesco. È fondamentale la finitura superficiale: In genere si definisce limite di fatica teorico, la grandezza Lf= σR/2, questo è però un dato molto indicativo, che si usa quando le curve di Wöhler non sono note e per materiali di uguale struttura e composizione.

È necessario eliminare i solchi lasciati dagli utensili di lavorazione, in quanto in essi si crea una concentrazione di tensioni. Comunque una superficie ben levigata apporta significativi vantaggi solo su pezzi in acciai ad alta resistenza, per i quali è quindi indispensabile una accurata lavorazione. Si sottolinea poi che è importante pure evitare che una successiva corrosione crei irregolarità superficiali.

  • È favorevole la presenza di stati di compressione superficiale: essi si oppongono infatti all’intensificazione degli sforzi, in trazione, all’apice della cricca, rendendo più difficoltoso il raggiungimento di σs. Stati di tensioni superficiali si ottengono con tempra superficiale, nitrurazione, cementazione e trattamenti meccanici di deformazione (pallinatura, Rullatura o smerigliatura). Bisogna solo porre attenzione a non favorire la formazione di microcricche sotto pelle.
  • Al crescere della temperatura diminuisce Rm e quindi la resistenza a fatica (solo l’acciaio al carbonio porta un’eccezione, quando tra i 100 e i 300 °C presenta un aumento di resistenza); se però essa diminuisce troppo i vantaggi sono ridotti o annullati dall’aumento del coefficiente di sensibilità all’intaglio. Inoltre per temperature particolarmente basse si verifica il fenomeno della fragilizzazione che consiste in una brusca riduzione delle caratteristiche duttili del materiale al punto che la tensione di rottura del materiale va a coincidere prima con quella di snervamento inferiore e poi per temperature ancora più basse con la tensione di snervamento superiore. Laddove si verifica rottura senza strizione (nel caso di una prova di trazione) si fissa la “temperatura di duttilità nulla del materiale”.
  • In fase di progetto e costruzione è sempre bene evitare difetti di intaglio, spigoli, variazioni di sezione, comunque è sempre bene fare raccordi con raggi significativi.
  • La cosa più importante comunque è la finitura superficiale. Si ha una diminuzione notevole del limite di fatica man mano che aumentiamo le irregolarità superficiali. Un’azione molto accentuata nell’abbassare il limite di fatica è svolta da una corrosione che sia contemporanea alla sollecitazione di fatica tanto è vero che il danneggiamento continua a crescere con il numero di cicli qualunque sia la sollecitazione applicata.
  • Anche la forma del pezzo ha importanza sulla vita a fatica: ogni lieve variazione di sezione, determinando delle concentrazioni di tensioni e localizzando le deformazioni, agisce sempre nel senso di una netta diminuzione del limite di fatica, per questo hanno un’azione dannosa fori, intagli e spigoli vivi.

Le cricche di fatica nucleano quasi sempre (eccetto alcuni casi tipici, come la fatica per contatto ciclico negli ingranaggi) su una superficie libera del pezzo in questione: questo per un concorso di cause (in superficie sono in genere massimi gli sforzi dovuti a flessione o torsione; in superficie sono in genere presenti difetti microscopici come la rugosità superficiale che fungono da microintagli e favoriscono l’innesco…). Per prevenire il danneggiamento per fatica o per migliorare la resistenza ad esso in genere si ricorre a trattamenti quali:

  • rullatura o pallinatura, che creano sforzi residui di compressione sulla superficie, i quali tendono a richiudere eventuali microcricche e rallentano l’evoluzione del danneggiamento;
  • carbocementazionenitrurazione o tempra superficiale, per indurire (e quindi rinforzare) lo strato superficiale del pezzo senza infragilirne il cuore;
  • rettifica o lappatura, per ridurre al minimo le rugosità superficiali.

È inoltre necessario, in fase di progettazione di un componente che dovrà resistere a fatica, curare bene il disegno dello stesso in modo che non presenti intagli o brusche variazioni di sezione che possano amplificare localmente gli sforzi e in tal modo favorire la nucleazione di cricche di fatica.

Fonte: Wikipedia