Test di fatica

Determinazione della resistenza alle vibrazioni di materiali e componenti mediante metrologia ottica 3D

I test di fatica si distinguono in diverse categorie:

Test di fatica a basso ciclo secondo ISO 12106 e ASTM E606
Test di fatica ad alto ciclo secondo DIN 50100, ASTM E466-15 o ISO 1099

Il test di fatica ad alto ciclo (HCF), detto anche test S-N, test di fatica Woehler o prova di vibrazione continua, è una prova di carico ciclico per determinare il comportamento sotto sforzo di materiali e componenti. Il comportamento sotto sforzo o la resistenza alle vibrazioni forniscono informazioni sulla deformazione e sul comportamento di rottura di un materiale o di un componente sottoposto a un carico dinamico oscillante. I risultati dei test rivestono un ruolo importante per l’utilizzo pratico dei materiali e dei componenti, poiché il carico meccanico ciclico è spesso la causa dei guasti dei componenti. La conoscenza del comportamento sotto sforzo consente di trarre conclusioni precise sulla resistenza alla fatica a fine vita e sul limite di fatica di un materiale o di un componente. La conoscenza del comportamento sotto sforzo di materiali e componenti assicura che non si verifichino danni critici al materiale o guasti improvvisi da fatica durante il ciclo di vita del prodotto finito.

Concentrazioni della tensione ed effetto intaglio

Il test di fatica ad alto ciclo (HCF) può essere utilizzato per la ricerca di base, ad esempio quando si tratta di nuovi compositi rinforzati con fibre in campi come l’ingegneria automobilistica, aerospaziale o biomeccanica. Inoltre, il test di fatica ad alto ciclo (o prova di fatica Woehler) è parte integrante delle prove sui prototipi, dove può essere utilizzata per valutare la progettazione del componente o calcolarne la durata, ad esempio. I progettisti non possono affidarsi alle caratteristiche generali dei materiali durante lo sviluppo del prodotto senza effettuare prove, poiché le caratteristiche non possono essere trasferite 1:1 a qualsiasi componente. Il motivo è che i fori, le dimensioni e la forma del componente e altre caratteristiche progettuali determinano una diversa concentrazione dello stress sul componente rispetto alla concentrazione dello stress sulle geometrie dei campioni standardizzati nelle prove sui materiali. Di conseguenza, le singole caratteristiche di progettazione influenzano in modo significativo il comportamento sotto sforzo dei componenti ed eventualmente ne accelerano il cedimento. Questo fenomeno è chiamato in letteratura tecnica effetto intaglio (o effetto di concentrazione dello stress).

Come funziona il test di fatica ad alta concentrazione (HCF)?

Il campione viene collocato in un banco di prova e sottoposto a un carico ciclico (tensione, compressione, piegatura, torsione o taglio), in genere utilizzando una funzione di carico-tempo sinusoidale. Durante il test di fatica Woehler, la sollecitazione media rimane costante. I campioni di una serie di prove vengono caricati alternativamente con la deflessione della sollecitazione (ampiezza) su entrambi i lati del livello di sollecitazione medio fino a quando non si verifica un criterio di rottura predefinito, ad es:

il test di fatica ad alto ciclo (HCF) procede fino al cedimento del campione (o al verificarsi di un criterio di cedimento chiaramente definito, ad esempio frattura o rottura).
Il test di fatica ad alto numero di cicli (test S-N) termina quando il campione o il componente raggiunge il numero limite di cicli di carico senza mostrare alcun criterio di rottura visibile. In questo caso, si dice che il campione o il componente in prova è resistente alla fatica.
Gli scienziati e gli ingegneri addetti alle prove eseguono sempre diversi test di fatica ad alto ciclo (prove S-N) su campioni identici, uno dopo l’altro. L’ampiezza della sollecitazione da un campione all’altro viene gradualmente ridotta (metodo a gradini) fino a quando non si verifica più l’evento predefinito (ad esempio la frattura del campione) o viene raggiunto il numero limite di cicli di carico. In generale, si eseguono almeno tre test per ogni ampiezza di carico per verificare statisticamente i valori.

I risultati di tutte le serie di test di fatica Woehler vengono infine inseriti in un diagramma: il diagramma di Woehler. Questo diagramma mostra la dipendenza delle ampiezze di sollecitazione (asse Y) dal rispettivo numero di cicli di carico soglia (asse X). Ne risulta la curva di Woehler (sinonimo: linea di Woehler).

Come si misura la deformazione nel test di fatica ad alto ciclo?

Un dispositivo di misura classico per il test di fatica ad alto ciclo è l’estensimetro, il cui valore di resistenza cambia quando la superficie dell’oggetto viene tesa o compressa. Gli estensimetri sono disponibili sul mercato in un’ampia varietà di materiali e forme, in modo che siano disponibili estensimetri adatti per ogni test standard. Per registrare la deformazione del materiale o del componente da testare, uno o più estensimetri vengono applicati manualmente al campione e collegati a un dispositivo di amplificazione o a un cosiddetto sistema di acquisizione dati (DAQ) tramite cavi.

Ciò che sembra semplice si rivela più complesso nella pratica: l’applicazione locale dell’estensimetro rappresenta un intervento fisico sulla composizione della superficie del campione. Anche se lo strato di adesivo dell’estensimetro è molto sottile, si può osservare un effetto di intaglio locale. I piccoli difetti superficiali che ne derivano possono portare a fratture indesiderate nell’area dell’estensimetro, falsificando il test. Inoltre, l’uso di estensimetri comporta un secondo problema: non solo il materiale testato si affatica, ma anche il materiale dell’estensimetro è soggetto a fatica. Soprattutto nei materiali compositi ad alta tecnologia, l’affaticamento del materiale dell’estensimetro può avvenire prima dell’affaticamento del materiale da testare. Di conseguenza, il test di fatica ad alto ciclo (test di fatica di Woehler) potrebbe dover essere interrotto prima di quanto previsto, cioè già con il cedimento dell’estensimetro.

Un’utile alternativa o integrazione agli estensimetri è la metrologia ottica 3D: i sistemi di misura basati su telecamere seguono la sequenza di test in tempo reale (in configurazioni multi-sensore da diverse prospettive simultaneamente) e consentono l’acquisizione non a contatto dei dati di misura. I valori di misurazione acquisiti delle deformazioni e degli spostamenti 3D forniscono informazioni chiare sulla deformazione del campione. I dati misurati vengono trasferiti automaticamente al software di misura, consentendo varie valutazioni (ad esempio, il confronto dei dati di misura con i dati di simulazione).

Quale sistema di misura è adatto per il test di fatica ad alta velocità (HCF)?

Il sistema ottico di misura 3D ARAMIS registra con alta precisione le coordinate 3D, gli spostamenti 3D e le deformazioni superficiali 2D sia sull’intera superficie che su specifici punti di interesse. L’area di misura del sistema ARAMIS può essere adattata in modo flessibile al campione. Che si tratti di un piccolo componente o di una costruzione speciale di diversi metri di lunghezza, i sensori ARAMIS coprono sempre l’intera configurazione del test. A differenza degli estensimetri convenzionali, il sistema registra i dati di misura completamente non a contatto. Se necessario, l’operatore può anche applicare estensimetri virtuali al componente tramite il software ZEISS INSPECT collegato, senza doversi preoccupare in anticipo di dove si verificherà la massima deformazione. Il software guida l’operatore attraverso l’intera procedura di misura: dall’acquisizione dei dati di misura all’analisi delle deformazioni superficiali o degli spostamenti 3D puntuali, fino alla creazione di report di misura significativi, facili da comprendere e interpretare anche per gli operatori che non hanno alcuna esperienza nel campo della metrologia (ad esempio, partner o clienti). L’entità della deformazione del campione può essere visualizzata, ad esempio, in una rappresentazione a colori della deviazione.

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