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PORTALE DELLA DIDATTICA

Meccanica dei materiali/Metallurgia meccanica

06JWLNE

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 50
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
L’insegnamento si propone di fornire i concetti fondamentali e le principali applicazioni del comportamento meccanico dei materiali alle condizioni che portano alla frattura dei componenti strutturali sollecitati sia con carichi statici sia con carichi variabili. Sono quindi affrontate in modo approfondito le tematiche della meccanica della frattura (lineare e elastoplastica), della plasticità e della fatica e sottolineati i possibili interventi progettuali sui componenti e sulla scelta dei materiali per evitare cedimenti in opera. L’insegnamento è offerto nell’orientamento "Progettazione meccanica" della Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica e fra le scelte consigliate dalla Facoltà della Laurea Magistrale in Ingegneria dei Materiali.
The subject aims to illustrate the fundamental concepts and the principal applications of the mechanical behaviour of materials up to the conditions that lead to failure of structural components, both under static and alternate loads. Fracture mechanics (linear and elastoplastic) and metal fatigue are presented in depth with regard to the possible interplay between component design and material selection to avoid failures under load. The most used methods of Non Destructive Testing are exposed to arrive to the concepts of Non Destructive Evaluation. Also the main methods of analysis of failure are presented. The course is offered in the "Mechanical design" elective curriculum of the MSc in Mechanical Engineering and among the electives recommended by the Faculty of MSc Programme in Material Engineering.
Comprendere le caratteristiche del comportamento dei materiali strutturali: meccanica della frattura sia lineare-elastica sia elasto-plastica; meccanica della frattura assistita dall'ambiente; fatica in controllo di tensione, di deformazione e ad altissimo numero di cicli; fatica con sollecitazioni multi assiali complesse; comportamento meccanico ad elevata velocità di deformazione; plasticità dei materiali metallici; cedimento per frattura duttile o fragile. Capacità di utilizzare le conoscenze avanzate sul comportamento dei materiali all’interno del processo di progettazione. Capacità di analizzare cedimenti individuandone la causa e suggerendo i metodi per evitarle.
Knowledge of the characteristics and behaviour of structural materials: linear-elastic and elastic-plastic fracture mechanics, stress-corrosion, fatigue in control of stress, strain and very high cycles fatigue, complex multi-axial fatigue. Basic knowledge of methods for failure analysis. Knowledge of the main non-destructive testing methods Ability to use advanced knowledge on the behaviour of materials within the design process. Ability to define the controls in production or work necessary to preserve the structural integrity of mechanical components. Ability to analyze failures by identifying the cause and suggesting ways to avoid them.
Conoscenze di base del calcolo delle sollecitazioni e della tecnologia dei materiali metallici
Basic knowledge of strength of material and basic metallurgy (especially heat treatment).
Programma 1) Introduzione al insegnamento e richiami di meccanica del continuo, elasticità La prova di trazione, richiami sullo stato di tensione, di deformazione e sulle ipotesi di rottura, modalità di cedimento dei materiali. Costanti elastiche dei materiali, proprietà elastiche di materiali metallici, ceramici e polimerici, materiali iperelastici. Effetti di intaglio e sensibilità all'intaglio. 2) Fenomeni di frattura Resistenza teorica di un reticolo perfetto e meccanismi di frattura reali. Frattura fragile e duttile e transizione fragile - duttile. Prove Charpy e Pellini. Frattografia: analisi macroscopica e microscopica delle superfici di frattura e meccanismi microscopici di frattura (clivaggio, frattura intergranulare, frattura duttile). Principi ed esempi di failure analisys. 3) Meccanica della frattura lineare elastica Approccio energetico (criterio di Griffith), tasso di rilascio energetico (G); descrizione del campo di tensione e di deformazione all'apice di una cricca; fattore di intensità delle tensioni (K); tenacità alla frattura (GIc e KIc); deformazioni plastiche all'apice di una cricca; competizione fra le modalità di cedimento; effetti di scala. Prove di tenacità alla frattura secondo le normative. 4) Meccanica della frattura elastoplastica Fattori che influenzano la tenacità alla frattura; transizione duttile-fragile; tenacità alla frattura di diversi materiali anche in funzione dei trattamenti termici e delle tecnologie di produzione. Curve di resistenza alla propagazione di frattura (curve-R). Meccanica della frattura elasto-plastica: apertura e arrotondamento all'apice della cricca; definizione e significato dell'apertura all'apice della cricca (CTOD) e dell'integrale J; zona HRR e zona K-dominata; applicazioni alla progettazione; metodi di misura secondo le normative. 5) Fenomeni di frattura assistita dall'ambiente Richiami sulla corrosione. Fenomeni di tensocorrosione e di infragilimento da idrogeno. Prove sperimentali di con campioni integri o con campioni precriccati. Cenni sulla fatica assistita dall'ambiente. 6) Fatica ad alto numero di cicli Diagrammi SNP, metodi di determinazione delle curve di fatica, effetto delle tensioni medie e diagrammi di fatica. Dai provini ai componenti: fattori che influenzano la vita a fatica, effetto degli intagli. Fatica con carichi di ampiezza variabile: metodi di conteggio, ipotesi di danneggiamento cumulativo. Aspetti micro e macroscopici e meccanicistici della fatica; approccio alla fatica con la meccanica della frattura; legge di Paris, il fenomeno del ritardo; misura sperimentale della curva di Paris. 7) Plasticità Introduzione agli aspetti microscopici della deformazione plastica, dislocazioni e difetti, prova di trazione, necking e modello di Bridgman, modellazione della curva di flusso plastico, incrudimento ed effetto Bauschinger, criteri di cedimento e plasticità multiassiale. Effetto di temperatura, strain-rate e triassialità sul comportamento plastico dei materiali. Leggi costitutive per la modellazione della curva di flusso plastico. 8) Fatica a basso numero di cicli Introduzione alla fatica oligociclica, Equazione di Manson-Coffin; effetto della tensione media; approcci a due stadi. 9) Fatica a altissimo numero di cicli Fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF); curve SN duplex e doppia pendenza; macchine di prova ad ultrasuoni; meccanismi di nucleazione. 10) Modellazione della frattura e danno duttile Modelli per la previsione del cedimento di materiali fragili, modelli di cedimento di materiali duttili in condizioni di carico multiassiale, frattura per spall. Transizione duttile-fragile. 11) Comportamento in condizioni di carico idrostatico Comportamento dei materiali ad elevata triassialità, propagazione di onde di tensione e di shock, equazioni di stato multifase. 12) Meccanica della frattura elasto-dinamica Introduzione; caricamento rapido di un campione precriccato; velocità di propagazione (fragile) di una cricca; tensioni all'apice di una cricca in corso di propagazione. Misure dinamiche nell'ambito della meccanica della frattura: KIc a carico rapido, KI dinamico (KID), KI di arresto (KIA).
Remainders of stress and strain state and on fracture criteria, collapse modes of materials, fractography. Elastic and plastic stress concentration factors. Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM): energy approach; strain energy release rate (G); stress and strain field at the tip of a crack; stress intensity factor (K); fracture toughness (GIc e KIc); plastic deformation at the crack tip; competition among collapse modes. Standard fracture toughness tests. Fracture toughness controlling parameters. Ductile-to-brittle fracture transition. Fracture toughness of various materials as a function of heat-treatments and fabrication processes. Crack propagation resistance curves (R-curves). Elasto-plastic fracture mechanics (EPFM), crack tip blunting; COD-CTOD and engineering design curves, J-integral. Elements of stress-corrosion fracture mechanics. Non destructive tests and evaluation. Defect categorization. Fatigue fracture mechanics; Paris relationship, Load interaction: retardation . Macro- and micro-scopic characteristics of a fatigue crack, fatigue micromechanisms. Corrosion-fatigue. High Cycles Fatigue (HCF): SNP diagrams, standard tests for fatigue curves determination.; mean stress effect; samples to components results transfer. Parameters influencing fatigue life; notch effect. Critical Distance Method. Very High Cycles Fatigue (VHCF); SN duplex and double slope curves; ultrasonic testing machines; nucleation micromechanisms. Low Cycle Fatigue (LCF): Strain controlled tests, Manson Coffin Equation; mean stress effect; two stages approaches. Non–constant amplitude load histories: counting methods, Cumulative damage hypothesis. Gassner Curves and Locati method; Miner’s rule for strain controlled fatigue; Paris relationship for variable load histories. Multi-axial: classic and critical plane approaches. Mesoscopic approach
L'insegnamento prevede alcune esercitazioni con analisi di frattografie e analisi morfologica delle fratture; microscopia ottica e elettronica a scansione; determinazione della tenacità alla frattura (KIc e JIc);
Drill exercises compiled by the students in the class room in self-controlled mode, Laboratory experiences: Fractographic analysis and macroanalysis of rupture surfaces; Optical and Scanning Electron Microscopy; Fracture toughness tests (KIc e JIc); Non Destructive Tests.
Appunti forniti dai docenti. Eventuali testi di approfondimento verranno segnalati dai docenti durante il semestre.
M. Rossetto - Introduzione alla fatica dei materiali e dei componenti meccanici - Levrotto & Bella, Torino Further reading will be advised by the instructors.
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma del insegnamento e la capacità di applicare la teoria ed i suoi metodi alla soluzione di esercizi. L’esame è costituito da una parte scritta con domande aperte (Metallurgia Meccanica) ed a risposta multipla (Meccanica dei Materiali). La valutazione dello scritto è unica tra le due parti dell’insegnamento ed è espressa in trentesimi. La prova è considerata sufficiente se la votazione dello scritto è pari o superiore a 18/30. Durante lo scritto non si possono portare in aula libri di alcun tipo o appunti dell’insegnamento. L’esame scritto è rivolto anche ad accertare la capacità di risoluzione di quesiti e calcoli (sia simbolici che numerici) inerenti gli argomenti trattati nell’insegnamento. Tempo a disposizione: 2 ore. I risultati della prova scritta saranno pubblicati sul portale della didattica.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
The exam consists in an oral test aimed at evaluating the knowledge on mechanical behavior of materials and the capability to use such competences in the design and in the production process as well in the failure analysis, also availing oneself of control techniques.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
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