Local approaches for the fatigue design of components subjected to high temperature

L’obiettivo del Dottorato di Ricerca era lo studio del comportamento a fatica di materiali metallici ad alta temperatura, indagando in modo particolare il fenomeno del creep, che diventa non trascurabile in determinate condizioni di carico e interagisce con la resistenza a fatica stessa. È stata ritenuta interessante soprattutto l’analisi di componenti in presenza di intagli e/o di geometrie complesse che rappresentassero in qualche modo la geometria di componenti effettivamente utilizzati nelle applicazioni industriali. Da un’iniziale e approfondita analisi bibliografica è emerso come in letteratura si trascurino la fatica ad alta temperatura ad alto numero di cicli e in particolar modo le applicazioni relative a componenti intagliati. Inoltre, l’interazione fra fatica e creep si presenta come un evento ancora poco chiaro e trattato con strumenti poco efficienti. Considerando fenomeni molto complessi e un tema così ampio, è stato indispensabile affrontare l’oggetto del presente dottorato di ricerca da diversi punti di vista ma strettamente interconnessi: -quello sperimentale: caratterizzando il comportamento a fatica ad alta temperatura di diversi materiali innovativi e multifunzionali d’interesse industriale, considerando varie geometrie d’intaglio, in modo tale da fornire un consistente numero di dati sperimentali di partenza; -quello analitico/teorico: cercando di sviluppare e/o estendere approcci energetici ad alta temperatura, analizzando il comportamento elasto-plastico, gli strumenti a disposizione e cercando, infine, di fornire strumenti efficaci per la progettazione in presenza di creep. Per queste ragioni, è stata condotta una campagna sperimentale al fine di caratterizzare il comportamento a fatica ad alta temperatura di geometrie intagliate di una lega Cu-Co-Be, 40CrMV13.9 a Titanio Grado 2. I dati sperimentali ottenuti sono stati sintetizzati in termini di Strain Energy Density, esteso per la prima volta all’alta temperatura. Sempre considerando l'acciaio 40CrMoV13.9, è stata condotta un’analisi sull’innesco di cricche a bordo foro, ad alta temperatura, valutando l’influenza della rugosità superficiale. Visti i positivi riscontri ottenuti con la sintesi in energia dei dati sperimentali, la potenzialità del metodo è stata ulteriormente verificata considerando nuovi materiali e geometrie presenti in letteratura. Sono state prese in esame prove a fatica condotte su un acciaio C45 a 250°C, Inconel 718 a 500°C e sulla superlega DZ125 a 850°C. I dati, originariamente sintetizzati attraverso la Teoria delle Distanze Critiche, sono stati ripresentati con successo in termini di densità di energia di deformazione mediata su un volume di controllo. Il raggio di controllo per ogni materiale è stato determinato attraverso la relazione che lega il raggio stesso con il parametro di El Haddad-Smith-Topper e la distanza critica caratteristica del materiale. Successivamente, il fenomeno del creep è stato accuratamente considerato. In dettaglio, è stato con successo fornito uno strumento numerico capace di prevedere il rilassamento delle tensioni e l’evoluzione delle deformazioni nel tempo, all’apice d’intagli a V raccordati. In dettaglio, partendo dall’estensione della regola di Neuber a problemi dipendenti dal tempo, e utilizzando le equazioni di Lazzarin-Tovo al fine di descrivere lo stato elastico iniziale del problema, è stato poi ricavato un set di equazioni differenziali da risolvere in modo iterativo/numerico al fine di valutare tensioni e deformazioni nel tempo, assumendo la legge di Norton per la rappresentazione del fenomeno del creep. Al fine di validare il metodo, i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ricavati da accurate analisi agli elementi finiti, ottenendo un buon accordo. Tutte le tensioni sono state previste con errori trascurabili, mentre in alcuni e limitati casi, le deformazioni hanno mostrato un errore percentuale leggermente più elevato ma comunque inferiore al 20%. Sono state inoltre condotte delle analisi preliminari agli elementi finiti al fine di esplorare il comportamento del SED in presenza di creep, risultando tempo-variante ma tendente ad un valore di plateau. Infine, sono stati considerati approcci energetici alternativi utilizzati nella caratterizzazione dei fenomeni elasto-plastici che possono essere presenti alle alte temperature. In particolare, tra le varie metodologie presenti in letteratura, è stato considerato il J-Integral. L’attività lascia infine interessanti possibili sviluppi futuri di ricerca che possono portare a un approccio unificato, basato sul SED, per progettazione a fatica in presenza di creep e di forte interazione creep-fatica