Analisi del comportamento di componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto

La presente Tesi di Dottorato ha come oggetto l’estensione del criterio di fatica multiassiale, proposto da Carpinteri e collaboratori, all'analisi del comportamento a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a contatto (fretting fatigue), in regime di alto numero di cicli. In particolare, tale estensione consiste nell’applicazione congiunta del criterio di Carpinteri et al. con approcci non-locali. L’obiettivo finale è quello di sviluppare nuovi criteri per la valutazione della vita a fatica e del piano di nucleazione delle fessure in componenti strutturali metallici in presenza di fatica da contatto. Nel Capitolo 1 viene introdotto il fenomeno della fatica nei componenti strutturali metallici soggetti a contatto, e delle relative problematiche ad esso associate. Inoltre, viene presentato il panorama storico al fine di definire l’evoluzione degli approcci impiegati nell’analisi del fenomeno. Il Capitolo 2 è dedicato all’analisi dello stato tensionale indotto all’interno di due corpi posti a contatto e soggetti a carichi tangenziali, di natura statica o ciclica, con particolare riferimento a contatti cilindrici e a contatti sferici. Vengono quindi fornite le espressioni analitiche, in forma approssimata e in forma chiusa, necessarie per la determinazione delle componenti del tensore degli sforzi in un punto generico del materiale. Tali componenti rappresentano i dati di ingresso per l’analisi a fatica. Nel Capitolo 3 viene presentata la procedura tipicamente impiegata per l’analisi del comportamento a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto. Tale procedura, in particolare, consiste nell’applicazione congiunta di criteri di fatica multiassiale con approcci non-locali, con il fine di tenere in considerazione la presenza degli elevati gradienti tensionali, tipici della fatica da contatto. Per tale motivo viene inizialmente illustrato il criterio di fatica multiassiale proposto da Carpinteri e collaboratori, originariamente proposto per la valutazione della vita a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a carichi ciclici multiassiali (fatica pura). Successivamente, viene presentato lo stato dell’arte dei più comuni approcci non-locali basati sul concetto di distanza critica, al fine di individuare un punto rappresentativo del materiale in cui eseguire l’analisi a fatica del componente. Il Capitolo 4 è dedicato alla valutazione della vita a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto. Più precisamente, il criterio di Carpinteri e collaboratori viene esteso considerando quattro diverse tipologie di approccio non-locale, basate sul concetto di distanza critica: (i) approccio non-locale 1, in cui viene assunta una distanza critica costante; (ii) approccio non-locale 2, in cui viene proposta una nuova formulazione della distanza critica, funzione del gradiente tensionale; (iii) approccio non-locale 3, in cui viene proposta una nuova formulazione del Line Method (appartenente alla Teoria della Distanza Critica); (iv) approccio non-locale 4, in cui viene proposta una nuova formulazione dell’Area Method (appartenente alla Teoria della Distanza Critica). Al fine di verificare la validità dell’estensione considerata, vengono impiegati dati sperimentali reperiti in letteratura, relativi a contatti cilindrici e sferici. Infine, il Capitolo 5 è dedicato alla determinazione del piano di nucleazione della fessura in componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto. Tale determinazione viene condotta estendendo il criterio di Carpinteri e collaboratori, attraverso tre distinte procedure: (i) procedura 1, nella quale il piano di nucleazione della fessura viene valutato come media della giacitura dei piani critici determinati lungo un dato percorso curvo; (ii) procedura 2, nella quale il piano di nucleazione della fessura viene assunto coincidente con il piano critico al centro di una regione di materiale, detta volume strutturale; (iii) procedura 3, nella quale il piano di nucleazione della fessura viene determinato impiegando il Critical Direction Method congiuntamente al criterio di Carpinteri et al. L’accuratezza di tali metodi viene valutata impiegando dati sperimentali, reperiti in letteratura, relativi a prove di fatica condotte in presenza di contatti cilindrici.