Analisi del comportamento di componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto

Abstract

La presente Tesi di Dottorato ha come oggetto l’estensione del criterio di fatica multiassiale, proposto da Carpinteri e collaboratori, all'analisi del comportamento a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a contatto (fretting fatigue), in regime di alto numero di cicli. In particolare, tale estensione consiste nell’applicazione congiunta del criterio di Carpinteri et al. con approcci non-locali. L’obiettivo finale è quello di sviluppare nuovi criteri per la valutazione della vita a fatica e del piano di nucleazione delle fessure in componenti strutturali metallici in presenza di fatica da contatto. Nel Capitolo 1 viene introdotto il fenomeno della fatica nei componenti strutturali metallici soggetti a contatto, e delle relative problematiche ad esso associate. Inoltre, viene presentato il panorama storico al fine di definire l’evoluzione degli approcci impiegati nell’analisi del fenomeno. Il Capitolo 2 è dedicato all’analisi dello stato tensionale indotto all’interno di due corpi posti a contatto e soggetti a carichi tangenziali, di natura statica o ciclica, con particolare riferimento a contatti cilindrici e a contatti sferici. Vengono quindi fornite le espressioni analitiche, in forma approssimata e in forma chiusa, necessarie per la determinazione delle componenti del tensore degli sforzi in un punto generico del materiale. Tali componenti rappresentano i dati di ingresso per l’analisi a fatica. Nel Capitolo 3 viene presentata la procedura tipicamente impiegata per l’analisi del comportamento a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto. Tale procedura, in particolare, consiste nell’applicazione congiunta di criteri di fatica multiassiale con approcci non-locali, con il fine di tenere in considerazione la presenza degli elevati gradienti tensionali, tipici della fatica da contatto. Per tale motivo viene inizialmente illustrato il criterio di fatica multiassiale proposto da Carpinteri e collaboratori, originariamente proposto per la valutazione della vita a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a carichi ciclici multiassiali (fatica pura). Successivamente, viene presentato lo stato dell’arte dei più comuni approcci non-locali basati sul concetto di distanza critica, al fine di individuare un punto rappresentativo del materiale in cui eseguire l’analisi a fatica del componente. Il Capitolo 4 è dedicato alla valutazione della vita a fatica di componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto. Più precisamente, il criterio di Carpinteri e collaboratori viene esteso considerando quattro diverse tipologie di approccio non-locale, basate sul concetto di distanza critica: (i) approccio non-locale 1, in cui viene assunta una distanza critica costante; (ii) approccio non-locale 2, in cui viene proposta una nuova formulazione della distanza critica, funzione del gradiente tensionale; (iii) approccio non-locale 3, in cui viene proposta una nuova formulazione del Line Method (appartenente alla Teoria della Distanza Critica); (iv) approccio non-locale 4, in cui viene proposta una nuova formulazione dell’Area Method (appartenente alla Teoria della Distanza Critica). Al fine di verificare la validità dell’estensione considerata, vengono impiegati dati sperimentali reperiti in letteratura, relativi a contatti cilindrici e sferici. Infine, il Capitolo 5 è dedicato alla determinazione del piano di nucleazione della fessura in componenti strutturali metallici soggetti a fatica da contatto. Tale determinazione viene condotta estendendo il criterio di Carpinteri e collaboratori, attraverso tre distinte procedure: (i) procedura 1, nella quale il piano di nucleazione della fessura viene valutato come media della giacitura dei piani critici determinati lungo un dato percorso curvo; (ii) procedura 2, nella quale il piano di nucleazione della fessura viene assunto coincidente con il piano critico al centro di una regione di materiale, detta volume strutturale; (iii) procedura 3, nella quale il piano di nucleazione della fessura viene determinato impiegando il Critical Direction Method congiuntamente al criterio di Carpinteri et al. L’accuratezza di tali metodi viene valutata impiegando dati sperimentali, reperiti in letteratura, relativi a prove di fatica condotte in presenza di contatti cilindrici.

The present Ph.D. Thesis deals with the extension of the multiaxial fatigue criterion proposed by Carpinteri and co-workers, in order to analyse the fatigue behaviour of metallic structural components subjected to fretting fatigue in high-cycle fatigue regime. In particular, such an extension consists in the joint application of the Carpinteri et al. criterion together with non-local approaches. The final objective is to develop new criteria for both fatigue life and crack nucleation plane evaluation in metallic structural components under fretting fatigue. Fatigue phenomenon in metallic structural components subjected to contact together with related problems are introduced in Chapter 1. Furthermore, the historical background is presented in order to define the evolution of approaches employed in the analysis of such a phenomenon. Chapter 2 deals with the stress state analysis induced inside two bodies pressed in contact and subjected to tangential loadings (static or cyclic), with particular reference to both cylindrical and spherical contacts. The analytical expressions are given in both approximate and closed form, in order to determine stress tensor components in a generic point of the material. Such components represent the input data for fatigue analysis. The procedure typically employed for fatigue behaviour analysis of metallic structural components subjected to fretting is presented in Chapter 3. In particular, such a procedure consists in the joint application of multiaxial fatigue criteria together with non-local approaches, in order to take into account the influence of high stress gradients which are typical of fretting fatigue. In such a context, the multiaxial fatigue criterion by Carpinteri and co-workers, originally proposed for fatigue life evaluation of metallic structural components subjected to multiaxial cyclic loadings (pure fatigue), is outlined. Then, the state-of-the-art of the most common non-local approaches based on the critical distance concept is presented, aimed to determine a representative material point where to perform the fatigue analysis of the structural component being examined. Chapter 4 deals with fatigue life evaluation of fretted metallic structural components. More precisely, the criterion by Carpinteri and co-workers is extended by considering four different non-local approaches, based on the critical distance concept: (i) non-local approach No.1, where a constant critical distance is assumed; (ii) non-local approach No.2, where a new expression of the critical distance is proposed, as a function of the stress gradient; (iii) non-local approach No.3, where a new formulation of the Line Method (belonging to the Critical Distance Theory) is proposed; (iv) non-local approach No.4, in which a new formulation of the Area Method (belonging to the Critical Distance Theory) is proposed. In order to verify the validity of the extension here examined, some experimental results from the literature, related to both cylindrical and spherical contacts, are employed. Finally, Chapter 5 deals with crack nucleation plane determination in metallic structural components under fretting fatigue. Such a determination is performed by extending the criterion by Carpinteri and co-workers through three different procedures: (i) procedure No.1, where the crack nucleation plane is evaluated as the average orientation of critical planes determined along a given curved path; (ii) procedure No.2, where the crack nucleation plane is assumed to be coincident with the critical plane at the centre of a material region, named structural volume; (iii) procedure No.3, where the crack nucleation plane is determined by employing the Critical Direction Method together with the criterion by Carpinteri et al. The accuracy of such methods is evaluated by means of experimental data, available in the literature, related to fatigue tests carried out under cylindrical contacts.