Proprietà a fatica ad alto numero di cicli delle ghise ADI e IDI

Quando si progettano componenti meccanici sollecitati a fatica, particolare attenzione deve essere prestata alle zone interessate da concentrazioni di tensione (Stress Risers), ovvero intagli, in quanto sedi preferenziali per l’innesco delle cricche di fatica.

Quando il raggio di fondo intaglio tende a zero, la valutazione del limite di fatica basata su approcci Kt-based non risulta più applicabile in quanto lo stress locale tende all’infinito. E’ quindi necessario affrontare il problema mediante approcci basati sulla LEFM.

Kitagawa e Takahashi per primi hanno analizzato le condizioni di soglia di propagazione di una cricca: il risultato delle loro prove è riassunto nel diagramma in figura 10, recentemente esteso a componenti di dimensione finita e a differenti geometrie d’intaglio, dove viene rappresentato il valore di soglia del range della tensione lorda Δσg,th di una cricca centrata in una piastra infinita caricata in modo I.

Quando la cricca è sufficientemente lunga, la condizione di soglia è data dal valore di soglia ΔKth del Fattore di Intensificazione degli Sforzi lineare elastico ΔKI all’apice della cricca. Al diminuire della dimensione della cricca, il valore del range della tensione di soglia si riduce rispetto al valore determinato dalla retta della LEFM, fino ad assumere il valore del limite di fatica del liscio Δσ0 per dimensioni della cricca tendenti a zero.

Figura 10

Il comportamento a fatica delle ghise sferoidali ferritiche, perlitiche, IDI e ADI 1050 in particolare, è stato caratterizzato mediante test di flessione rotante su:

  • Provini cilindrici lisci, per ottenere il limite di fatica del liscio σAg,50;
  • Provini cilindrici severamente intagliati, per ottenere il valore di soglia di propagazione delle cricche ΔKth.

Figura 10

Per ciascun materiale, i provini sono stati ricavati da provette colate a parte Y-block aventi spessore rilevante rispettivamente 25, 50 e 75 mm (figura 11).

La figura 12 sintetizza la caratterizzazione del materiale ed i risultati sperimentali riferiti alla sezione lorda dei provini. Il limite di fatica del liscio è dato in termini di ampiezza nominale di tensione (metà del range min.-max). La soglia di propagazione ΔKth è stata calcolata interpolando i dati ottenuti dai provini intagliati utilizzando l’equazione di El Haddad.

Figura 10

L’effetto della superficie grezza ottenuta da formatura a verde

Tra i molti parametri che influenzano la resistenza a fatica di un componente, la finitura superficiale ha un ruolo significativo. Un getto di fonderia colato in forme di terra a verde, tipicamente opera in esercizio mantenendo gran parte della sua superficie allo stato grezzo ed noto l’effetto di decadimento delle prestazioni a fatica che essa induce.

La grande variabilità della qualità superficiale, dovuta alla differente natura ed alla complessità geometrica dei difetti presenti, rende la formulazione di modelli teorici quantitativi assai ardua.

L’approccio sperimentale proposto è basato sulla teoria della Meccanica della Frattura Lineare Elastica (LEFM) e consiste nel diagramma sperimentale di Kitagawa-Takahashi generalizzato, strumento di progettazione che sintetizza i risultati di liscio lavorato e grezzo.

A partire dell’equazione del fattore di intensificazione degli sforzi:

e sostituendo KI con l’espressione, valida per cricche superficiali, proposta da Murakami:

si ottiene:

dove k è una costante uguale a 0,42 e Areap è la sezione del difetto proiettata nella direzione di applicazione della tensione. Al limite di fatica, il fattore di intensificazione degli sforzi KI assume il valore di soglia Kth.

Le prove di fatica sono state condotte su 52 provini grezzi cilindrici φ16 mm in ADI JS/1050-6 adottando il Metodo di Locati; il vantaggio di tale metodo consiste nel poter possibile associare ad ogni singolo provino un limite di fatica a cui corrisponde il singolo difetto da cui si innesca il cedimento.

Figura 14. Diagramma generalizzato di Kitagawa-Takahashi per l’ADI 1050

Estrapolando per dimensione del difetto pari a zero (figura 13), la retta rossa orizzontale rappresenta il limite di fatica del grezzo in assenza di difetti, della quale KL rappresenta il coefficiente di abbattimento rispetto al liscio. Possiamo affermare che la superficie grezza in assenza di difetti può essere trattata come un altro materiale «portante» avente proprie caratteristiche.

I difetti aventi dimensione efficace molto minore di ao layer non causano, almeno teoricamente, ulteriore abbattimento del limite di fatica; è invece evidente che difetti di dimensioni maggiori contribuiscono ad un ulteriore abbattimento, che va ad aggiungersi a quello indotto dalla sola superficie grezza, raggiungendo un valore complessivo asintotico dell’ordine di KL 2,5-3.

Poiché i difetti sono, ai fini della meccanica della frattura, equiparabili a cricche innescate, il limite di fatica in tali condizioni rappresenta una soglia di non propagazione.

Proprietà a fatica nei componenti in ADI dentati

Nelle trasmissioni di potenza le ghise ADI sono largamente diffuse in quanto consentono riduzione di peso combinata ad integrazione di componenti e geometrie net-to-shape, possedendo proprietà meccaniche comparabili a quelle degli acciai strutturali bonificati. Per via della loro elevata resistenza a usura, molti studi hanno dimostrato come le ghise ADI offrano anche un’elevata resistenza a fatica di contatto.

Durante l’ingranamento il dente è soggetto a due tipi di sollecitazione: la radice del dente è sottoposta a flessione mentre entrambi i fianchi sono sottoposti a condizioni di rotolamento-strisciamento. Un materiale idoneo alla produzione di ingranaggi deve fornire sufficiente resistenza a flessione così come a fatica di contatto.

Date le lacune di informazioni negli standard internazionali sulle proprietà delle ADI per questo tipo di applicazione, per consolidare l’uso delle ghise ADI è stato necessario determinare sperimentalmente:

  • La resistenza in flessione a base dente, o Allowable stress number (bending), σFE
  • La resistenza a fatica di contatto, o Allowable stress number (contact), σH lim

secondo lo standard ISO 6336 (Tabella 5).

Figura 15. Condizioni di prova b) flessione base dente, c) fatica di contatto
Figura 16. Risultati in termini di σFE e σH lim per le ghise ADI a confronto con alcuni acciai

La resistenza a flessione a base dente delle ghise ADI si colloca sul naturale prolungamento delle ghise sferoidali as cast seguendo l’aumento di durezza. Si raggiunge il massimo di σFE attorno a HB 330 (ADI1050); oltre tale valore (i.e. ADI1200) si entra nel campo di esistenza dell’ausferrite inferiore, a cui è associata una diminuzione della resistenza a fatica.

Il valore di resistenza a fatica di contatto σHlim delle ghise ADI è comparabile a quello di acciai da nitrurazione-carbonitrurazione. In questo ambito,il confronto one-to-one con l’acciaio dovrebbe essere fatto compensando la σHlim attraverso il fattore di carico ZE che tiene conto dei diversi E e ν della ghisa rispetto all’acciaio: a parità di momento torcente trasmesso, una coppia di ingranaggi ADI-ADI opera in condizioni di pressione limite di contatto più bassa rispetto alla stessa coppia acciaio-acciaio. Da questo punto di vista sarebbero quindi alla portata anche gli acciai temprati ad induzione, ovviamente se soddisfatti anche i requisiti di resistenza a flessione base dente.

Quando il requisito di progettazione è la resistenza a flessione base dente, è evidente che la ghisa ADI può competere con gli acciai solo entro certi limiti e con un opportuno dimensionamento.
Quando in fase di progettazione la scelta del materiale è condizionata dalla resistenza all’usura e la resistenza a flessione a base dente assume un ruolo secondario, l’ADI rappresenta una valida alternativa agli acciai.

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