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.

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.

Conoscenze di base del calcolo delle sollecitazioni e della tecnologia dei materiali metallici

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).

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);

Appunti forniti dai docenti.
Eventuali testi di approfondimento verranno segnalati dai docenti durante il semestre.

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.