Multi-scale modeling of the fatigue behavior for short fiber reinforced thermoplastics

Il tema del presente dottorato di ricerca è lo studio della nucleazione del danneggiamento in una poliammide rinforzata con fibre di vetro corte soggetta a un carico di fatica. La poliammide è un materiale termoplastico molto utilizzato nell’industria automobilistica per applicazioni strutturali sotto il cofano della vettura. Questo materiale è caratterizzato da ottime proprietà meccaniche e da un’elevata resistenza ad alte temperature e alla corrosione. Inoltre è leggero contribuendo in questo modo a ridurre il peso dell’autovettura. I componenti strutturali realizzati con questo materiale sono soggetti in esercizio a sollecitazioni cicliche di natura termica e meccanica che provocano una rottura a fatica. Lo sviluppo di modelli previsionali è pertanto di fondamentale importanza perché permette una stima della vita a fatica nella fase di progettazione riducendo il numero di prototipi necessari prima dell’avvio della produzione in serie. Lo sviluppo di questi modelli richiede la comprensione dei meccanismi di danneggiamento che causano l’innesco di una cricca e la sua propagazione fino alla rottura finale. L’obiettivo che si pone questo dottorato di ricerca è la comprensione del fenomeno di nucleazione del danneggiamento in una poliammide rinforzata con fibre di vetro corte, soggetta a un carico di fatica al fine di porre le basi per lo sviluppo di un modello previsionale basato sui meccanismi di danneggiamento. Le tre principali attività svolte sono: 1) L’identificazione dell’inizio cricca durante test di fatica (Capitolo 4); 2) L’analisi dei meccanismi di danneggiamento (Capitolo 5 - 6); 3) Lo studio dei campi tensione locali a inizio cricca (Capitolo 7). Il Capitolo 4 descrive lo sviluppo di un metodo ottico per l’identificazione dell’inizio cricca durante i test di fatica. È stata condotta una campagna sperimentale di test a fatica su provini lisci e intagliati. Lo sviluppo della tecnica sperimentale ha reso possibile lo studio dell’effetto della frazione di volume sulla vita a innesco della poliammide. In questo modo è stato generato un set di dati sperimentali per lo sviluppo di un modello previsionale a inizio cricca. L’analisi dei meccanismi di danneggiamento copre una parte importante del dottorato. Nel Capitolo 5 è presentata l’analisi del danneggiamento su provini lisci e intagliati per una poliammide rinforzata con il 35 % (in peso) di fibre. Nel Capitolo 6, l’analisi del danneggiamento è estesa a diverse frazioni di volume. È stato utilizzato un microscopio a scansione ad alta risoluzione. L’analisi del danneggiamento è stata condotta analizzando o la superficie di frattura di provini giunti a rottura durante test di fatica o la superficie laterale di provini soggetti a test di fatica interrotti. I meccanismi di danneggiamento sono stati studiati analizzando specifiche evidenze frattografiche: il comportamento duttile / fragile della matrice; la presenza di fibre rotte o estratte intere dalla superficie di frattura; il grado di adesione fibra-matrice. In particolare, l’evidenza sulla superficie di frattura di fibre pulite o coperte da un strato di resina è importante nell’ottica di sviluppo modello. Nel primo caso il danneggiamento avviene all’interfaccia in forma di debonding. Nel secondo caso, il danneggiamento avviene fuori dall’interfaccia in uno strato di resina che potrebbe essere stato modificato chimicamente dal sizing usato durante il processo di formatura delle fibre per migliorarne l’adesione con la matrice. Il Capitolo 7 tratta l’effetto dell’orientazione delle fibre sui campi di tensione locali a inizio cricca. Le concentrazioni di tensione rappresentano potenziali fonti di innesco di una cricca. Nei materiali plastici rinforzati, l’interazione tra fibre e matrice su scala microscopica dà luogo a concentrazioni di tensione. È stato condotto un test di fatica su un provino intagliato fino alla comparsa di una cricca. A questo punto, il test è stato interrotto e un volume di materiale attorno all’intaglio e comprendente la cricca è stato fresato dal provino e analizzato con un tomografo computerizzato. In seguito, la reale distribuzione delle fibre a bordo intaglio è stata riprodotta manualmente in un software agli elementi finiti con l’obiettivo di studiare i campi di tensione locali nella matrice che possono causare l’innesco di una cricca. Infine i risultati dell’attività sperimentale e di modellazione sono stati utilizzati per lo sviluppo di un approccio multi scala per la previsione della vita a innesco di cricca in una poliammide rinforzata soggetta a un carico di fatica. Quest’attività è presentata nel Capitolo 8.