Multiaxial fatigue behaviour of composite materials: characterisation and modelling

Grazie alla loro leggerezza e versatilità combinate ad eccellenti proprietà meccaniche, i materiali compositi hanno acquisito un'importanza sempre maggiore negli ultimi vent'anni in molti settori industriali, anche per applicazioni strutturali. A fronte dei numerosi vantaggi offerti da questa classe di materiali vi è un costo che rimane ancora piuttosto elevato rispetto ai più tradizionali materiali da costruzione. Una delle ragioni è la mancanza di procedure di progettazione affidabili e riconosciute, nonché l'assenza, in letteratura, di estese caratterizzazioni sperimentali da cui acquisire informazioni di carattere generale. Ciò è particolarmente evidente in riferimento al comportamento a fatica multiassiale di lamine, laminati e giunzioni incollate in composito. Al fine di sopperire alla mancanza di informazioni sul comportamento a fatica multiassiale di lamine unidirezionali, nonché all'assenza di una procedura adeguata di test, è stata inizialmente definita una configurazione di provini adatta a caratterizzare la risposta matrix-dominated (particolarmente significativa per il danneggiamento a fatica di laminati) di materiali compositi unidirezionali (capitolo 2). Provini tubolari soggetti a carichi ciclici di trazione e torsione combinati sono stati identificati come il miglior compromesso tra affidabilità dei risultati, semplicità di testing e possibilità di ottenere condizioni multiassiali di interesse. Nel terzo capitolo sono riportati i risultati di un'estesa campagna sperimentale su tali provini tubolari in presenza di diversi rapporti di biassialità (tensione di taglio su tensione trasversale) e rapporti di ciclo (rapporto tra il minimo e il massimo carico di fatica). É stata riscontrata una notevole influenza di tali parametri sull'innesco e propagazione di cricche off-axis, nonché sui meccanismi di danneggiamento su scala microscopica. Sono poi stati testati a fatica uni-assiale dei laminai piani multi-direzionali progettati per avere condizioni di multiassialità locali simili a quelle ottenute sui provini tubolari tramite carichi esterni in diverse direzioni. L'attività, presentata al quarto capitolo, ha permesso di verificare l'equivalenza tra condizioni multiassiali ti tipo esterno (carichi in più direzioni) e interno (dovute all'anisotropia di lamine e laminati in composito). Ciò rappresenta uno step fondamentale per l'estensione di risultati sperimentali e modelli previsionali a condizioni di carico generiche. L'attività sperimentale sviluppata sui tubi ha fornito informazioni sui meccanismi di danneggiamento a livello microscopico che sono responsabili del cedimento a fatica della lamina unidirezionale. Sulla base di tali meccanismi è stato proposto un criterio per l'innesco di cricche a fatica multiassiale in lamine in composito basato su un approccio multiscala (capitolo 5). Il criterio è risultato in ottimo accordo con i nuovi dati sperimentali sui campioni tubolari, con dati disponibili in letteratura riguardanti lamine unidirezionali piane e con i dati ad innesco sugli strati off-axis dei laminati testati al capitolo 4. Parlando quindi di laminati multi-direzionali, un aspetto fondamentale è la diminuzione di rigidezza di questi ultimi dovuto all'innesco e propagazione di cricche multiple negli strati off-axis. A tal proposito è stato proposto un modello analitico in grado di legare la densità di cricche in ciascuno strato di un laminato alla diminuzione di rigidezza globale considerando anche l'interazione tra cricche presenti su strati diversi (capitolo 6). Tale modello fornisce anche le distribuzioni di tensione dovute alla presenza delle cricche stesse. Questo è un aspetto di fondamentale importanza per lo sviluppo di una procedura per prevedere l'evoluzione della densità di cricche in laminati multi-direzionali sollecitati a fatica, presentata al capitolo 7. A tale scopo le osservazioni sperimentali, i modelli analitici e i criteri sviluppati in precedenza, combinati ad un approccio di tipo statistico, vengono utilizzati per prevedere l'innesco e propagazione di cricche multiple in un laminato. Di conseguenza, combinata con il modello precedentemente illustrato, la procedura consente di prevedere sia la diminuzione di rigidezza di laminati sia la ridistribuzione delle tensioni per effetto del danneggiamento rappresentando quindi uno strumento utile anche alla stima della vita a fatica totale di un laminato. Quando i laminati in composito sono utilizzati come aderendi in giunzioni incollate, l'interfaccia di incollaggio rappresenta una zona particolarmente critica per l'innesco di cricche a fatica. Di conseguenza è stata analizzata sperimentalmente la propagazione di cricche in giunzioni incollate soggette a carichi ciclici di modo misto I + II (apertura + scorrimento). Ancora una volta i meccanismi osservati su scala microscopica sono stati utilizzati per la formulazione di un criterio damage-based per la previsione della velocità di propagazione di cricche in giunzioni incollate sollecitate in modo misto (capitolo 8). In fine, in Appendice A è presentato un modello analitico sviluppato per la previsione dell'innesco di una cricca di debonding tra fibra e matrice in condizioni di carico statico biassiale. Il modello è utile per trarre informazioni sull'influenza dei principali parametri geometrici e interfacciali sulla resistenza dell'interfaccia fibra-matrice.