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Anno Accademico 2007/08
01BQCDS
Metallurgia meccanica
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Meccanica - Vercelli
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Matteis Paolo ORARIO RICEVIMENTO A2 ING-IND/21 30 20 0 0 4
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/21 5 C - Affini o integrative Discipline ingegneristiche
Esclusioni:
02CGY
Obiettivi dell'insegnamento
L'isegnamento è costituito da una parte di metallurgia generale (acciai comuni e da bonifica; acciai inossidali; leghe di alluminio) e da una parte di meccanica della frattura e fatica (effetti di intaglio, meccanica della frattura lineare elastica, fatica, meccanica della frattura elasto-plastica); le due parti vengono svolte in modo contestuale e presentano significativi punti di sovrapposizione (per esempio, transizione fragile-duttile e frattura assistita dall'ambiente). Obiettivo della parte di metallurgia è la comprensione delle proprietà meccaniche degli acciai (con particolare riferimento ai diversi stati di trattamento termico massivo e di trattamento termico e termochimico superficiale, ed alla transizione fragile-duttile) e delle leghe di alluminio (con particolare riferimento alle condizioni di colata, deformazione plastica e trattamento termico), nonché delle proprietà di resistenza a corrosione degli acciai inossibili. Obiettivo della parte di meccanica della frattura e fatica è la comprensione dei metodi matematici e sperimentali impiegati per caratterizzare il comportamento dei materiali metallici in presenza di difetti e di carichi statici oppure ciclici (eventualmente in ambienti aggressivi), e per stimare il rischio di frattura fragile di componenti strutturali. Obiettivo comune alle due parti è la comprensione delle interrelazioni tra proprietà meccaniche e caratteristiche metallurgiche (microstrutture, trattamenti termici).
Prerequisiti
Concetti di base di meccanica dei continui e di scienza dei materiali.
Programma
ACCIAI COMUNI E DA BONIFICA
Cenni alla fabbricazione degli acciai: ciclo integrale e da rottame; elaborazione in siviera; degasaggio; colata in lingotti e colata continua; fucinatura; laminazione a caldo. Inclusioni non metalliche negli acciai: origine, modificazioni durante la laminazione a caldo.
Diagramma di stato Fe-C (stabile e metastabile). Richiami: regola della leva, regola delle fasi di Gibbs. Trasformazione di acciai C80 e C40 durante raffreddamento lento da temperatura di austenitizzazione; morfologia della perlite. Dipendenza delle trasformazioni dalla velocità di raffreddamento. Trasformazione martensitica: aspetti cristallografici e fenomenologici. Diagrammi TTT: definizione, uso, esempi (C80, C40, acciaio legato). Bainite (cenni). Diagrammi CCT: definizione, uso, confronto con diagrammi TTT.
Ricottura e normalizzazione: esecuzione, scopi (isotropia, distensione, lavorabilità, omogeneizzazione), differenze.
Bonifica: definizione; trasformazioni durante la tempra; effetti del rinvenimento della martensite. Dipendenza dei risultati della tempra dal materiale, dalla geometria e dal mezzo temprante.
Temprabilità degli acciai: definizione di diametro critico, tempra ideale, diametro ideale critico DIc; calcolo del DIc in base alla composizione (norma ASTM A255); prova Jominy: esecuzione e significato. Calcoli di tempra: concetto di posizione Jominy equivalente; metodo di Lamont; equazioni di conduzione del calore (caso monodimensionale); numero di Biot e coefficiente di Grossman; cenni a metodi più avanzati.
Tensioni residue, deformazioni permanenti, e rischio di rottura durante la tempra degli acciai: origine (diagramma di dilatazione/contrazione termo-metallurgica, deformabiità dei costituenti metallurgici) ed influenza di geometria, mezzo temprante, temprabilità; uso del mezzo meno drastico possibile; tempra differita.
Tempra superficiale: definizione e scopi; influenza della microstruttura iniziale; spessore convenzionale. Tempra superficiale ad induzione: effetto pelle; transizione di Curie; influenza di resistività e proprietà termofisiche.
Cementazione: definizione e scopi; atmosfera carburante (endogas); equilibrio di Bodoir; tempo di trattamento; tempra e distensione; tipi di acciaio e cicli di lavorazione.
Nitrurazione e nitrocarburazione ferritica: definizione e scopi; strato dei composti e strato di diffusione; temperature; tipi di acciaio e cicli di lavorazione.
Confronto tra tempra ad induzione, cementazione e nitrurazione (profondità, durezze, durate di trattamento, stabilità in temperatura).
Saldatura e saldabilità: descrizione; definizione e caratteristiche della ZTA; fragilità della ZTA; relazione tra saldabilità e temprabilità; il criterio del Ceq. Difetti di saldatura: difetti di solidificazione; cricche e tensioni residue.

RICHIAMI DI TEORIA DELL'ELASTICITÀ
Stati di tensione piana e deformazione piana nel caso di materiali elastici: indipendenza dello stato tensionale dalle caratteristiche elastiche; equazioni risolutive tensionali (di equilibrio e di compatibilità) (enunciato); corrispondenza tra i casi di tensione piana e di deformazione piana e costanti elastiche irrigidite E' e ν'; snervamento (criterio di Tresca) nei due casi; relazioni tra tensioni e deformazioni (enunciato).

EFFETTI DI INTAGLIO
Caso del foro circolare in lastra tesa: soluzione di Kirsch (enunciato). Caso del foro ellittico in lastra tesa: soluzione di Inglis (enunciato). Caso limite per raggio di curvatura all'apice dell'ellisse tendente a zero. Caso di un campione con larghezza finita ed intaglio centrale: soluzione di Dixon (enunciato).
Prove di trazione di campioni intagliati: rapporto di resistenza all'intaglio NSR, effetti di rafforzamento e di indebolimento. Deformazione plastica e tensione sulla sezione minima nel caso di un provino intagliato. Coefficiente di concentrazione della tensione in campo plastico Kpf ed esempio di determinazione sperimentale (caso di un acciaio temprato e rinvenuto a temperature crescenti).

MECCANICA DELLA FRATTURA LINEARE ELASTICA (MFLE)
Resistenze teoriche σth e τth in un reticolo perfetto. Rapporto σth/τth e modo di frattura.
Bilancio energetico dell'avanzamento di una cricca (criterio di Griffith). Estensione al caso di materiali duttili (Irwin, Orowan). Definizione del tasso di rilascio di energia elastica G; definizione dell'energia potenziale nei casi di controllo di carico costante o di spostamento costante e dimostrazione dell'indipendenza di G dal tipo di controllo. Relazione tra G e forza applicata.
Concentrazione degli sforzi all'apice di un difetto con raggio di curvatura tendente a zero (soluzione di Inglis); difetto con raggio di fondo pari alla distanza interatomica.
La teoria di Griffith per materiali non fragili: correzione per la deformazione plastica all'apice della cricca.
Tensioni e deformazioni all'apice di una cricca in stato di tensione piana o deformazione piana, nei modi di carico I, II e III (soluzione di Westergaard). Definizione del fattore di intensità delle tensioni KI. Determinazione di KI in campioni/strutture di dimensione finita.
Metodi per la determinazione del fattore KI mediante calcolo ad elementi finiti: in base agli spostamenti calcolati; mediante elementi singolari, in particolare con nodi nella posizione ad ¼ di lato dall'apice della cricca; mediante il calcolo di G.
Stima della dimensione della zona plastica all'apice della cricca. Forma della zona plastica nel piano, in tensione piana ed in deformazione piana. Regione di validità dalla soluzione di Westergaard in un campione ed in una struttura. Definizione della tenacità a frattura KIc e sua applicazione come criterio di frattura. Triassialità del carico presso l'apice della cricca, forma tridimensionale della zona plastica, effetti dello spessore del campione o componente, formazione dei bordi duttili (Anderson). Requisiti di validità della MFLE, nel piano e nello spessore.
Determinazione sperimentale della tenacità a frattura KIc: campioni SEN(B) e C(T), metodi di precriccatura, rilevamenti e trattamento dei dati sperimentali, verifiche di validità (norme ASTM E399 e ISO 12737).
Verifica di componenti con difetti: verifica rispetto al rischio di rottura fragile per progazione di un difetto e rispetto al rischio di rottura per sovraccarico sulla sezione netta; diagramma di Federsen.
Curve G-R e K-R; condizioni di propagazione instabile della cricca nei casi di materiali con curva R crescente (in funzione della crescita di cricca); casi in controllo di spostamento ed in controllo di carico. Correlazione tra curva R e meccanismi di frattura: clivaggio, frattura duttile, influenza dei bordi duttili. Influenza di una curva R crescente sulla misura di KIc; giustificazione del limite Pmax/Pq < 1,1.

TRANSIZIONE FRAGILE-DUTTILE
Frattura fragile e duttile: aspetti macroscopici.
Le prove di impatto: significato qualitativo; caratteristiche comuni (carico impulsivo, triassialità, temperatura).
La prova Charpy: esecuzione; energia, deformazione laterale, frazione di frattura duttile; dipendenza dalla geometria; uso per classificazione dei materiali e per controllo di qualità.
La prova Pellini: esecuzione; risultati (rotto / non rotto / non valido); significato come prova di arresto di cricca; la NDT (Nil Ductility Temperature).
La transizione fragile ' duttile negli acciai ferritici: influenza del tenore di C, del trattamento termico, della temperatura di rinvenimento, degli elementi di lega, della dimensione del grano e della velocità di raffreddamento di tempra. Aspetto delle superfici di frattura dopo prova Charpy in funzione della temperatura di prova.
Variazione della tenacità a frattura KIc di acciai bonificati in funzione della temperatura di prova; effetto delle frazioni di C e di S. Correlazione tra tenacità a frattura KIc e resistenza a snervamento Rp02 di acciai bonificati.
Modi di frattura microscopici: frattura duttile per nucleazione e crescita di microvuoti (influenza di seconde fasi disperse, assorbimento di energia); frattura per clivaggio (dipendenza dai piani cristallografici, morfologia ad estuario); frattura intergranulare (infragilimento a bordo grano; casi intergranulare duttile ed intergranulare fragile).
Relazione tra modi di frattura microscopici e transizione fragile - duttile negli acciai ferritici; teoria dell'anello debole (weakest link) e dispersione dei dati sperimentali nell'intervallo di transizione; cenni all'espressione probabilistica delle curve di transizione fragile ' duttile; cenno al metodo della master curve (espressione statistica della curva KIc ' temperatura per acciai ferritici).

ACCIAI INOSSIDABILI
Corrosione elettrochimica: reazioni anodica e catodica; differenze di potenziale elettrochimico; resistenza dell'elettrolita. Corrosione uniforme e localizzata; corrosione galvanica. Protezione con anodo sacrificale (zincatura di acciai bassolegati); protezione mediante passivazione (acciai inossidabili, alluminio).
Definizione di acciai inossidabili.
Diagramma di stato Fe-Cr (a temperature superiori a 600 °C).
Acciai inossidabili ferritici: esempi (AISI 403, 430); trattamento termico; controllo della dimensione del grano; cenni alla fase σ; influenza del C sulla resistenza meccanica e del Cr sulla resistenza a corrosione; influenza dei carburi. Lavorabilità meccanica.
Elementi alfogeni ed elementi austenitizzati. Diagramma di Shaeffler: definizioni di Nieq e di Creq; regioni della ferrite, dell'austenite, della martensite, e regioni bifasiche; posizione degli acciai inossidabili ferritici.
Acciai inossidabili martensitici: esempi (AISI 410, 420, 440B); proprietà meccaniche e resistenza a corrosione; relazione tra i tenori di C e di Cr. Trattamento termico: relazione tra temperatura di austenitizzazione, solubilizzazione dei carburi, e proprietà dopo tempra (durezza della martensite o martensite rinvenuta, frazione di austenite residua); tempra e distensione o rinvenimento.
Sensibilizzazione degli acciai inossidabili alla corrosione intergranulare: temperature di sensibilizzazione; precipitazione di carburi a bordo grano ed impoverimento locale di Cr; il caso della saldatura.
Corrosione per pitting (vaiolatura): fenomenologia; influenza degli ioni Cl-; definizione e significato del pitting index.
Diagramma di stato Fe-Ni (a temperature superiori a 400 °C).
Acciai inossidabili austenitici: caratteristiche ed impieghi; posizione nel diagramma di Shaeffler; composizione (frazioni ed influenza di Ni, C, Cr, Mo); esempi (AISI 304, 304L, 316, 316L); pitting index ed uso in ambiente marino; effetto avverso del C; uso di Ti e Nb come stabilizzanti dei carburi.
Acciai inossidabili bifasici (duplex): fasi; proprietà meccaniche; uso di N interstiziale; uso in condizioni di tensocorrosione; esempio: gruppo Cr 22.

LEGHE DI ALLUMINIO
Confronto fra leghe Fe e leghe Al: densità, modulo elastico, temperatura di fusione. Leghe di alluminio: serie da deformazione plastica e serie da fonderia (leganti principali e possibile trattamento termico di ciascuna serie). Cicli di produzione di componenti con i due tipi di leghe.
Principi del trattamento termico di solubilizzazione, tempra ed invecchiamento nel caso delle leghe Al-Cu: diagramma di stato Al-Cu; zone GP e precipitati coerenti ed incoerenti; rafforzamento in funzione della temperatura e del tempo di invecchiamento; influenza dei diversi tipi di precipitati. Altri sistemi di elementi leganti attivi nei processi di indurimento per precipitazione.
Esecuzione dei trattamenti termici: temperature si solubilizzazione, di ricottura e di invecchiamento; drasticità e mezzi di tempra; inconvenienti di tempra (tensioni residue, instabilità dimensionale); efficacia nel caso di sezioni grandi (curve C); similitudini e differenze rispetto alla tempra degli acciai. Stati metallurgici normati F, O, H, W, T3, T4, T5, T6.
Leghe di alluminio da fonderia: diagramma di stato Fe-Si; effetti del Si sulla colabilità. Presenza di Si indisciolto (come seconda fase) nei getti; rafforzamento da seconda fase e da finezza microstrutturale (leghe eutettiche); andamento indicativo della tensione di snervamento e dell'allungamento a rottura in funzione del contenuto di Si. Uso di Na e Sr per la modifica della morfologia del Si (da lamellare a nodulare). Uso di affinanti del grano (cenni); effetto della distanza interdendritica (SDAS) sulle proprietà meccaniche tensili.

FATICA
Fatica di materiali metallici: descrizione fenomenologica; prove di fatica su campioni lisci: definizione dei parametri ciclici σmin, σmax ed R; esempio di nucleazione di tipo plastico; aspetto delle superfici di frattura (zone di nucleazione, di propagazione e di frattura finale); diagrammi S-N (di Wholer) ed S-N-P.
Condizioni necessarie affinché il fattore KI descriva lo stato tensionale all'apice; zona plastica ciclica; scia plastica (plastic wake). Dipendenza della velocità di crescita di cricca a fatica dalla variazione ciclica del fattore di intensità degli sforzi ΔK e dal rapporto di carico R. Diagrammi di Paris: caratteristiche delle regioni I, II e III; ΔK di soglia (ΔKth); K critico (Kc). Leggi empiriche di crescita di cricca a fatica: legge di Paris; altre. Relazione tra Kc e KIc.
Curve di Paris qualitative al variare di R. Chiusura della cricca causata da tensioni residue di compressione nella zona plastica e nella scia plastica, cenni ad altri meccanismi di richiusura (rugosità; prodotti di corrosione; fluidi; trasformazione di fase). Definizioni di: forza di apertura Pop , fattore di intensità delle tensioni di apertura Kop , ampiezza ciclica efficace del fattore di intensità delle tensioni ΔKeff. Diagrammi di Paris espressi impiegando ΔKeff anziché ΔK; giustificazione delle differenze dovute al rapporto di carico nei diagrammi di Paris ordinari.
Effetto di sovraccarichi isolati sulla propagazione di cricca a fatica: impossibilità di descrivere completamente lo stato tensionale all'apice con il solo ΔK ciclico attuale nel caso di carichi ciclici di ampiezza variabile; effetto di iniziale accelerazione e successivo ritardo conseguente ad un sovraccarico singolo; influenza delle tensioni residue di compressione davanti all'apice (riduzione delle tensioni) e dietro all'apice (richiusura); stima qualitativa del ritardo (confronto tra zona plastica ciclica attuale e zone plastiche dei precedenti sovraccarichi).
Esempi qualitativi di diagrammi N ' a: casi di ampiezza di forza costante e di ampiezza di spostamento costante; casi con diverse lunghezza di cricca iniziali e diversi valori di ampiezza di forza costante.
Propagazione di cricche corte: definizione di cricca microstrutturalmente corta o meccanicamente corta; non applicabilità del fattore K alle cricche corte; apparente maggiore velocità di crescita delle cricche corte, se valutate rispetto al ΔK apparente.
Meccanismo microscopico di propagazione della cricca ed aspetto delle superfici di frattura per propagazione di cricca a fatica;.
Misura della crescita di cricca a fatica secondo la norma ASTM E647: dimensione massima ammissibile della zona plastica rispetto alla larghezza del campione; possibile dipendenza dallo spessore del campione; metodi di misura della lunghezza di cricca; svolgimento delle prove (precriccatura, fatica a ΔK decrescente e determinazione di ΔKth, fatica a ampiezza di forza costante e ΔK crescente); elaborazione del diagramma di Paris (metodo della secante e cenni al metodo polinomiale); dispersione dei punti di misura; determinazione della forza di apertura con il metodo della cedevolezza (principi).
Ispezione di strutture sottoposte a fatica: lunghezza di cricca massima non rilevabile mediante CND; lunghezza di cricca massima ammissibile; intervalli ottimali di ispezione.

FRATTURA ASSISTITA DALL'AMBIENTE
Frattura assistita dall'ambiente (Environmentally Assisted Cracking, EAC): concetto; diagrammi di velocità di crescita della cricca con carico statico in funzione del fattore di intensità delle tensioni KI ; regioni I, II e III; valore di soglia KIEAC; casi di andamento circa costante oppure lineare crescente nella regione II. Tipi di EAC: tensocorrosione (SCC), infragilimento da idrogeno, corrosione-fatica.
Tensocorrosione: descrizione qualitativa; comportamento anodico dell'apice e passivazione delle facce della cricca; cause della mancata passivazione dell'apice (rottura dello strato di passivazione per deformazione plastica del metallo sottostante; minor nobiltà dell'apice; condizioni di corrosione prossime al limite tra passivazione e non passivazione).
Infragilimento da idrogeno: caso di infragilimento per arricchimento di H proveniente dall'ambiente aggressivo, oppure già presente nel metallo a seguito di precedenti trattamenti; solubilità e diffusività del H nei reticoli dei metalli a temperatura ambiente; variazione della solubilità dell'H in funzione dello stato tensionale; effetti dell'H sui legami interatomici; propagazione di cricca per infragilimento progressivo presso l'apice.
Possibile concorso di SSC ed infragilimento da H.
Esempi: diagrammi K ' log(da/dt) per una lega di alluminio in diverse condizioni di invecchiamento sottoposta ad SSC e per un acciaio bonificato sottoposto ad infragilimento da H con diverse pressioni parziali di H2.
Integrazione di leggi di crescita di cricca per EAC; non validità dei diagrammi K - log(da/dt) nel caso di cricche corte (per non validità del fattore K e per diversità delle condizioni elettrochimiche).
Variazione apparente di KIEAC in funzione della velocità di applicazione del carico.
Relazione tra la crescita di cricca per EAC (soglia KIEAC e velocità da/dt per K fissato) e la tensione di snervamento di acciai bonificati; possibili giustificazioni.
Corrosione fatica: competizione e concorso tra i meccanismi di EAC e di fatica; effetto della frequenza; curve da/dN - ΔK in condizioni di corrosione- fatica.
Misure di EAC: metodi a carico costante ed a spostamento costante, rispettivi andamenti di a e di K nel tempo.

MECCANICA DELLA FRATTURA ELASTO-PLASTICA
Scopi della meccanica della frattura elasto-plastica: valutazione della tenacità di materiali con rapporto KIc/σy elevato; verifica di componenti con difetti in condizioni intermedie tra la rottura per propagazione fragile di cricca ed il collasso plastico.
Il CTOD: definizione qualitativa ed osservazioni empiriche. Lunghezza di cricca efficace aeff e fattore di intensità degli sforzi efficace Keff (modello di Irwin); spostamenti elastici all'apice di una cricca aperta a modo I (soluzione di Westergaard); dimostrazione della correlazione tra CTOD e KI nel caso di zona plastica piccola, mediante stima dello spostamento CTOD all'apice fisico in base al campo di spostamenti associato a Keff ed aeff di Irwin. Definizioni geometriche del CTOD. Misura diretta ed indiretta del CTOD; cenni all'ipotesi della cerniera plastica per la determinazione del CTOD in base alla misura del COD nel caso di campioni di flessione a 3 punti.
Premesse all'introduzione del parametro J: comportamento elasto-plastico e comportamento elastico non lineare; limiti entro i quali un comportamento elasto-plastico può essere approssimato con un modello lineare elastico (monotonia del carico, piccole deformazioni plastiche); confronto con il caso di approssimazione della curva σ-ε vera con quella ingegneristica. Applicazione al caso del campo tensionale presso l'apice di un difetto: regioni a distanza decrescente dall'apice, in cui è sufficiente l'approssimazione elastica lineare, oppure l'approssimazione elastica non lineare, oppure nessuna delle due (regione delle grandi deformazioni).
Definizione di J come tasso di rilascio di energia elastica nel caso elastico non lineare: richiami sulla definizione di G; eguaglianza tra G e J entro il limite elastico lineare; dimostrazione dell'indipendenza di J dal tipo di controllo (di spostamento o di forza). Relazione tra J e la forza applicata entro il limite elastico.
Non applicabilità della definizione di J come tasso di rilascio di energia elastica nel caso di materiali elasto-plastici, e definizione alternativa come rapporto incrementale dell'energia assorbita durante il carico di un campione rispetto alla lunghezza di cricca iniziale del campione stesso.
Definizione di J come integrale di linea (Rice); nullità dell'integrale su una linea chiusa in assenza di singolarità (enunciato); definizione del valore J applicato all'apice della cricca e dimostrazione dell'indipendenza dal percorso di integrazione. Uguaglianza tra le diverse definizioni di J (enunciato).
Uso di J come parametro caratterizzante lo stato tensionale all'apice di una cricca (teoria HRR): necessità e definizione di una legge di deformazione elastica non lineare; campo di tensioni presso l'apice (enunciato); dipendenza da r(-1/(n+1)). Applicazione per approssimazione nel caso di materiale elasto-plastico e limiti di validità.
Richiamo delle relazioni quantitative tra J, G, KI e CTOD nel caso lineare elastico; estensione della relazione tra J e CTOD al caso elastico non lineare oppure elastico plastico. Regioni a distanze decrescente dall'apice di un difetto, nelle quali lo stato tensionale si può descrivere con il parametro KI (regione K-dominata), oppure con il parametro J (regione J-dominata ovvero zona HRR), oppure con nessuno dei due (regione di apice con grandi deformazioni plastiche); rappresentazione qualitativa su diagramma σ-r doppio logaritmico ed in casi con dimensione crescente della zona plastica (rispetto alla dimensione del legamento).
Curve J-Δa: regione di arrotondamento (blunting) dell'apice della cricca e regione di propagazione stabile della cricca per lacerazione plastica (tearing). Meccanismi microscopici di crescita stabile della cricca (per crescita e coalescenza di microvuoti presso l'apice); influenza dello stato tensionale triassiale. Dimostrazione della relazione lineare tra J e Δa nella regione di arrotondamento (mediante correlazione tra J, CTOD e Δa). Transizione da arrotondamento a lacerazione plastica e definizione del JIc. Definizione e determinazione convenzionali di Jq sul piano J ' Δa (norma ASTM E1820). Analogie con la definizione dello snervamento convenzionale Rp0.2 a trazione. Definizione e determinazione convenzionale di δq secondo la medesimi norma ASTM E1820: curve δ - Δa ed analogie con la definizione e determinazione convenzionale di JIc. Limiti di validità, entro i quali Jq e δq possono essere qualificati come JIc e δc: corrispondenza tra i limiti per JIc e per δc; confronto con il limite di validità per KIc; possibilità di svolgere misure di JIc o δc, ma non di KIc nel caso di materiali di elevata tenacità.
Determinazione per punti delle curve J ' Δa. Metodi multicampione e monocampione. Misura di Δa dopo rottura (ossidazione, marcatura per fatica) o durante la prova (metodo della caduta di potenziale; metodo della cedevolezza e sue limitazioni). Calcolo di J: discussione su possibili metodi alternativi; suddivisione in componente elastica e componente plastica; metodo dell'area plastica. Giustificazione del metodo dell'area plastica a partire dalla definizione di J come tasso di rilascio di energia elastica. Necessità di correzioni al metodo dell'area plastica in ragione della crescita della cricca. Metodo dell'area plastica secondo norma ASTM E1820 nei casi multicampione e monocampione.
Determinazione sperimentale delle curve δ - Δa secondo norma ASTM E1820.
Verifica di componenti con metodi di meccanica della frattura elasto-plastica. Curva empirica di verifica per confronto tra deformazione totale in opera e CTOD del materiale ('CTOD Design Curve'). Determinazione del J applicato in opera e suo confronto con il JIc: possibilità di calcolo ad elementi finiti; uso di soluzioni tabulate. Forma tipica delle soluzioni tabulate per il calcolo di J; loro dipendenza dalle proprietà di flusso plastico ed in particolare dal coefficiente di incrudimento. Giustificazione delle differenze tra le formule in uso per il calcolo di J nel corso delle misure di laboratorio e nel corso della progettazione di componenti. Diagrammi di verifica FAD (Failure Assessment Diagrams) ottenuti dal calcolo del J.
Laboratori e/o esercitazioni
Esercizi ed esempi in aula sulla MFLE: calcolo di KI per difetti passanti, per difetti interni circolari o ellittici e per difetti superficiali semiellittici; calcolo del fattore di sicurezza; classificazione dei difetti dopo controlli non distruttivi (norme per contenitori in pressione).

Esercizi ed esempi in aula sulla crescita di cricca a fatica: integrazione della legge di Paris nel caso di ampiezza di carico costante e fattore geometrico costante; calcoli di vita utile a fatica.

Esercitazione in laboratorio informatico: calcolo ad elementi finiti del campo tensionale all'apice di una cricca e del fattore KI in un caso bidimensionale, con l'uso di elementi singolari (elementi quadratici con nodi spostati ad ¼ di lato). Confronto del KI calcolato con la soluzione analitica. Confronto di σx e di σy calcolati nel legamento con la soluzione di Westergaard e considerazioni sull'estensione della zona K-dominata. Forma di curve a valore costante di tensione equivalente di Von Mises, nei casi di tensione piana e di deformazione piana.

Visita di laboratori del dipartimento DISMIC, presso la sede centrale. Esecuzione di prove Charpy su campioni di acciaio basso legato, con intaglio a V, a temperatura ambiente e dopo raffreddamento in N2 liquido. Principi di funzionamento del microscopio elettronico a scansione; segnali ottenuti da elettroni secondari, elettroni retrodiffusi e raggi X (sensori EDS / WDS). Osservazione mediante SEM di superfici di frattura ottenuto dopo prove meccaniche di diverso tipo; riconoscimento delle caratteristiche morfologiche dei diversi meccanismi di frattura. Visita di un laboratorio di meccanica della frattura: illustrazione della macchina di prova, di vari tipi di campioni SENB e CT, e della prova di meccanica della frattura in corso. Osservazione al microscopio ottico di campioni metallografici di acciai e leghe con diversi tenori di C ed in diverse condizioni di trattamento termico.
Bibliografia
Non è disponibile un testo singolo in cui siano svolti tutti gli argomenti del corso. Per gli argomenti di carattere metallurgico, si consigliano i testi di Nicodemi (particolarmente il secondo volume, Acciai e leghe non ferrose) oppure il testo di Burdese. Per gli argomenti di meccanica della frattura e fatica si consiglia preferibilmente il testo di Anderson (in inglese), oppure i testi di Vergani e di Rossetto.



W. Nicodemi, Metallurgia: principi generali. Bologna: Zanichelli, 2000.


W. Nicodemi, Acciai e leghe non ferrose. Bologna: Zanichelli, 2000.


A. Burdese, Metallurgia e tecnologia dei materiali metallici. Torino: UTET, 1992.


T. L. Anderson, Fracture mechanics: fundamentals and applications. Boca Raton, FL, USA: Taylor & Francis, 2005


L. Vergani, Meccanica dei materiali. Milano: McGraw-Hill, 2006


M. Rossetto, Introduzione alla fatica dei materiali e dei componenti meccanici. Torino: Levrotto & Bella, 2000.
Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
L'esame è orale.
Note


Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2007/08
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