Cosa succede se lo stato di sollecitazione non è statico, ma ciclico? O se variano i carichi di natura termica?
Ad una sollecitazione corrisponde, come risposta, uno stato tensionale nel componente, con tensioni che possono essere generate sia dall’applicazione di carichi ciclici (non necessariamente periodici) di natura meccanica, ma anche di natura termica. O da entrambi. Come conseguenza si ha una rottura precoce del manufatto, dovuta a un abbassamento del carico limite di rottura, rispetto alle condizioni statiche. Si parla allora di rottura per fatica, che è causa della maggior parte dei fenomeni di rottura nell’ambito della meccanica, superando il 90% dei casi.
Dalla sollecitazione alla rottura
Se nell’uso comune, con fatica si intende il comportamento dei materiali sotto l’azione di carichi ripetuti, in modo da differenziare il comportamento sotto carichi monotoni o statici, l’ASTM (American Society for Testing and Materials), in maniera più rigorosa e scientifica, la definisce come “Il processo di cambiamento strutturale permanente localizzato e progressivo che accade in un materiale in condizioni di tensione o deformazione fluttuante in uno o più punti e che possono culminare in cricche o nella completa frattura dopo un sufficiente numero di fluttuazioni”. Dunque, il materiale, sottoposto a carichi variabili nel tempo, sia in maniera regolare che casuale, subisce un degrado che può portare alla sua rottura, anche l’intensità massima della sollecitazione resta inferiore ai valori dello snervamento (statico). Le sollecitazioni che si ripetono sono dette di fatica e possono essere sia di tipo pulsante che alternato, a seconda della loro variabilità nel tempo.
Quando si parla della vita a fatica dei componenti, è interessante notare come ciò che conta sono i “livelli” raggiunti da picchi (massimi) e valli (minimi) dello stato tensionale, ma non è di interesse la forma della funzione (cioè l’andamento) fra essi compresa.
La rottura per fatica ha inizio con una microscopica frattura, non rilevabile con le classiche tecniche di indagine, che si accresce nel tempo: aumentano le tensioni e, di conseguenza, aumenta anche la velocità di accrescimento. La sezione resistente diminuisce, la tensione progredisce, finché si arriva al collasso. Quindi, sintetizzando, si presentano quattro fasi:
• Innesco della frattura
• Nucleazione
• Propagazione della cricca
• Collasso con frattura finale
Senza entrare nel dettaglio del meccanismo di rottura per fatica, va comunque sottolineato come siano presenti due distinte aree di frattura, una pressoché liscia, dovuta al progressivo svilupparsi della cricca, l’altra legata al collasso e alla rottura finale, con una superficie assimilabile a quella della rottura fragile a trazione. In realtà la superficie non è liscia ma presenta delle striature circolari, dette beach marks, che sono dei piccoli rilievi plastici.
