Valutazione della resistenza a fatica di una lega di titanio per uso aereonautico

Un componente meccanico o un’intera struttura, se sollecitate ciclicamente da forze esterne, possono subire la rottura a fatica, nonostante l’intensità massima dei carichi sia nettamente inferiore al carico di rottura o di snervamento del materiale.
La fatica è soprattutto un processo di accumulazione del danno, causata da una complessa sequenza di cambiamenti nella struttura del metallo a livello microscopico, che conducono ad un danneggiamento localizzato, il quale si manifesta con un progressivo deterioramento delle proprietà dei materiali, causato dalla nucleazione e dalla crescita di micro-crepe, da distacchi, da porosità, da inclusioni.
La fatica, perciò, può essere definita come un fenomeno di danneggiamento progressivo del materiale, che inizia con una fase di nucleazione di una microscopica cricca e che procede con una fase di propagazione del difetto, fino a dimensioni critiche, tali da provocare la rottura.

La degradazione delle proprietà dei materiali, detta anche danno per fatica, incide gravemente sulla sicurezza dei servizi delle strutture o dei componenti, pertanto, durante la progettazione di questi, è importante prevedere la loro rottura.
Gli studi sulla vita a fatica dei materiali, in genere, comportano la valutazione del danno, che è spesso eseguita per misurare quantitativamente il deterioramento meccanico di un materiale, come, ad esempio, il modulo di elasticità, il carico di rottura, la durezza, la riduzione della superficie.
La rottura avviene quando nel materiale le sollecitazioni a livello locale superano certi valori, per cui si generano deformazioni irreversibili.
Spesso la rottura finale di un componente strutturale è generata dalla progressiva crescita di un difetto, fino al raggiungimento di una dimensione intollerabile per il componente stesso.
Se il difetto non fosse inizialmente presente, il numero totali di cicli per giungere alla rottura sarebbe costituito da una aliquota di cicli necessaria per la formazione della fessura, originata in zone a forte concentrazione tensionale, e da un’altra aliquota responsabile della propagazione della cricca fino a rottura.

Il danneggiamento, dovuto a fenomeni di fatica, si manifesta in tre fasi:
Incrudimento plastico del materiale, fase caratterizzata dai cambiamenti microstrutturali del materiale. L’incrudimento plastico dipende dallo stato iniziale del materiale, dall’ampiezza degli sforzi e dalle deformazioni a cui è sottoposto lo stesso.
Enucleazione della cricca, sullo strato superficiale si verifica la formazione di una piccola fessurazione a livello microscopico. La nucleazione avviene soprattutto in zone ad alta concentrazione di sforzo, come, ad esempio, le zone vicino ad intagli, fori, difetti causati da processi di produzione, saldature, giunzioni, inclusioni, discontinuità provocate da plasticizzazioni.
Propagazione della cricca fino alla rottura finale. La cricca continua a crescere durante l’applicazione della sollecitazione ed, eventualmente, diviene visibile ad occhio nudo, raggiungendo infine la dimensione critica.