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Test di fatica a basso numero di cicli (LCF), secondo ISO 12106 / ASTM E606

Determinazione della resistenza alla fatica a basso numero di cicli

Fatica a basso numero di cicli

La prova di fatica a basso numero di cicli (LCF) secondo ISO 12106 e ASTM E606 è una prova di fatica in cui viene simulato un carico ciclico fino al cedimento. La prova viene eseguita tipicamente utilizzando una macchina di prova servoidraulica.

I materiali che sono sottoposti a carichi termici e meccanici estremi possono essere progettati solo nell'ambito della loro fatica a basso numero di cicli, cioè fino ad un massimo di 105 variazioni di carico. Questo è il caso per esempio delle pale e dei dischi delle turbine utilizzati nei motori aerei e delle turbine stazionarie per la produzione di energia. Inoltre, il test LCF viene utilizzato per i turbocompressori a gas di scarico, i collettori di scarico e altri componenti simili. In questi componenti, la deformazione plastica ciclica indotta dalle sollecitazioni si verifica sugli intagli strutturali (ad esempio in corrispondenza delle connessioni lama-disco), causando in seguito le cricche. In una prova di fatica a basso numero di cicli (LCF), vengono simulati questi carichi su un provino e si determina il numero di cicli per l'innesco della cricca. La prova viene normalmente eseguita a temperature elevate. La frequenza di prova è tipicamente compresa fra 0,01 e 5 Hz.

La macchina di prova e il controller, sottoposti a sollecitazioni così elevate, hanno requisiti particolarmente alti. Nel passaggio dalla deformazione elastica alla deformazione plastica, la rigidità del provino cambia drasticamente e il controller deve reagire molto rapidamente per garantire, ad esempio, una costante velocità di aumento della deformazione. Qui la rigidità molto elevata della macchina di prova gioca un ruolo imperativo.

Normative importanti

  • ISO 12106 Materiali metallici - Prove a fatica - Metodo a forza assiale controllata
  • ASTM E606 Metodo di prova standard per prove di fatica a deformazione controllata 
  • BS 7270 Materiali metallici – Prove di fatica ad ampiezza costante e deformazione controllata.

Applicazione del carico nelle prove di fatica a basso numero di cicli

Il carico nelle prove di fatica a basso numero di cicli comprende una proporzione di deformazione elastica Ɛa,e e plastica Ɛa,p : Ɛa,t = Ɛa,e + Ɛa,p

Mentre nell'intervallo elastico esiste una relazione lineare tra sollecitazione e deformazione (legge di Hooke), questa relazione non è lineare nell'intervallo plastico. Questo si traduce in un ciclo di isteresi.

Le prove di fatica a basso numero di cicli secondo ISO 12106 / ASTM E606 vengono eseguite ad ampiezza costante. Inoltre, per esaminare i processi di creep/rilassamento possono essere introdotti tempi di inattività, per i quali, come valore impostato, viene utilizzata una forma d'onda triangolare o a trapezio.

Se si vogliono simulare carichi operativi specifici, sono possibili anche altre sequenze di deformazione temporale. Pertanto, le prove di fatica a basso numero di cicli vengono eseguite anche con un'oscillazione ad alta frequenza sovrapposta.

La frequenza di prova è solitamente inferiore / uguale a 1 Hz, anche se questo limite si sposta costantemente verso l'alto in modo da poter eseguire anche prove LCF fino a 10 Hz.

Per questi test LCF viene utilizzato il controllo della deformazione. È possibile modificare il controllo della forza nell'intervallo di isteresi stabilizzata solo in casi particolari, o per i tempi di attesa per l’analisi del comportamento di creep. Per la caratterizzazione dei materiali, le prove vengono solitamente eseguite con un rapporto RƐ di -1.

Procedura per le prove di fatica a basso numero di cicli

Dopo un'attenta installazione, il provino viene riscaldato alla temperatura di prova. Per questo la macchina è in modalità di controllo della forza, con valore impostato di 0 kN. Una volta raggiunta la temperatura richiesta, viene collegato l'estensimetro, se era già presente sul provino durante la fase di riscaldamento, è necessario prevedere una variazione di L0. A questo punto si seleziona il controllo della deformazione e si avvia la prova.

I cicli iniziali sono di particolare importanza in quanto i materiali possono mostrare un comportamento fortemente diverso in questa fase.

Tuttavia, dopo un certo numero di cicli si stabilisce generalmente un'isteresi stabilizzata. Ci sono però numerosi materiali che non mostrano né incrudimento né rammollimento.

Incrudimento ciclico

Alcuni materiali subiscono un incrudimento della deformazione durante i cicli iniziali, cioè la forza necessaria per raggiungere la deformazione impostata aumenta di ciclo in ciclo.

Rammollimento ciclico

Altri materiali mostrano un comportamento esattamente opposto; diventano più morbidi e la forza richiesta diminuisce.

Fine della prova

La fine della prova di fatica a basso numero di cicli viene solitamente definita come la riduzione di forza in percentuale della linea di regressione dell’isteresi stabilizzata.

A causa di questo comportamento del materiale è importante registrare ogni ciclo di isteresi all'inizio. Nel campo stabilizzato è sufficiente memorizzare, ad esempio ogni centesimo o millesimo. Spesso si seleziona un intervallo logaritmico e si definisce inoltre, come criterio per la memorizzazione di un loop, una variazione percentuale della forza. Verso la fine della prova ogni ciclo dovrebbe essere nuovamente registrato.

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