Metodologie di progettazione a fatica di parti ottenute per fusione

Abstract

Le rotture per fatica dei componenti meccanici stanno assumendo notevole importanza per il mondo dell’industria. Spesso sono causate dalla presenza di intagli molto acuti. Questo lavoro di tesi presenta un caso industriale in cui, in corrispondenza di una discontinuità geometrica, sono stati trovati, in seguito ad analisi ad elementi finiti, picchi tensionali con un gradiente di tensione molto elevato. Il valore dello stress nel punto critico supera notevolmente il carico di rottura del materiale, nel caso una ghisa grigia EN-GJL-300. Il componente in questione è un corpo di una pompa ad ingranaggi, il quale sottoposto a cicli di pressione su banco prova ad impulsi, raggiunge durate fino al milione di cicli, sebbene il valore di tensione calcolato faccia prevedere una rottura di tipo statico. Questo fenomeno viene descritto attraverso la teoria delle cricche non propaganti, per la quale è ammessa la nucleazione di una cricca in corrispondenza di un intaglio molto severo, la quale sotto determinate condizioni di gradiente tensionale, non propaga e si arresta. In fase progettuale viene proposta una versione del metodo della distanza critica per la stima della durata a fatica. Questa fase è resa ancor più critica dal materiale. Infatti il materiale, in seguito ad estesa caratterizzazione sperimentale meccanica sia statica che dinamica, ha presentato un’elevata dispersione dei dati e valori decisamente inferiori a quelli previsti dalla normativa di riferimento. L’analisi metallografica ha spiegato tale disuniformità dei risultati sperimentali. Il materiale presenta una microstruttura molto complicata e molto sensibile ai parametri di controllo del processo di produzione, fusione in sabbia. Composizione chimica, velocità di raffreddamento e presenza di inoculanti possono portare su un getto geometricamente identico, a microstrutture sensibilmente differenti. Tale differenza si ripercuote sulle proprietà meccaniche e il tutto porta ad una complicazione in fase di progetto. Per la validazione del metodo proposto sono stati eseguiti dei test di fatica su banco prova ad impulsi, e i risultati sono stati confrontati con le curve di fatica ottenute sperimentalmente per il materiale.

Fatigue failure in mechanical parts have a fundamental importance in industrial world. They are often caused by the presence of sharp notches. This work shows an industrial case in which in proximity of a geometrical discontinuity, has been found, according to finite element method analysis, tensional peaks with a very high gradient. Stress value in the critical point is higher than ultimate strength of the material, a gray cast iron EN-GJL-300. The part is the body of a gear pump, which, tested on a hydraulic fatigue test machine, reaches till one million cycles without failure, though calculated stress level brings to expect static failure. This phenomenon is explained whit non-propagating cracks theory, that allows the crack nucleation at very-sharp notch’s root. Crack that under defined stress gradient, don’t propagate and stops itself. In design phase an adjusted version of the critical distance method has been proposed to estimate number of cycles to failure. This phase is complicated by the material. In fact, the material, after a wide experimental mechanical characterization (static and dynamic), showed an high data dispersion and value strongly under the ones present in the reference norm. Metallographic analysis explained such disuniformity in experimental results. Material has a very complicated microstructure and highly sensible to technological process’s settings (sand casting). Chemical composition, cooling rate and inoculants should produce on geometricall-identical castings very different microstructure. Such differences afflict mechanical properties and it complicates the design. To validate the proposed method some experimental fatigue test on hydraulic fatigue testing machine have been performed, and results have been compared with fatigue curves obtained for the material.