Fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF) di provini in materiale composito = Very-High-Cycle-Fatigue (VHCF) of composite material specimens at extremely high numbers of cycles

In un contesto ingegneristico nel quale il requisito di leggerezza, senza trascurare la resistenza, diventa sempre più ricercato, i materiali compositi rivestono un ruolo cardine e le applicazioni che li riguardano sono in continuo aumento. L’obiettivo della seguente tesi è lo studio del comportamento a fatica giga-ciclica (numero di cicli maggiore di 10^7) di provini laminati in tessuto in fibra di carbonio, con rapporto di sollecitazione R pari a -1, quindi con pari ampiezza di sollecitazione a trazione e a compressione. Il presente lavoro è volto a indagare più in dettaglio lo stato tensionale dei provini in composito e come la geometria ne influenzi la rottura a fatica. Il lavoro si è anche concentrato sull’investigazione dell’attrezzatura sperimentale e delle modalità di prova. Considerando che le attrezzature sperimentali convenzionali per fatica giga-ciclica richiedono tempi di prova troppo alti (anche mesi), è stata utilizzata una macchina di prova nella quale si è aumentata la frequenza del ciclo di sollecitazione fino ad arrivare a frequenze di 20kHz (ultrasuoni). Il banco prova è costituito da un trasduttore piezoelettrico e un sonotrodo al quale viene incollato il provino. Si è registrato lo spostamento all’estremità del provino, effettuando un controllo ad anello chiuso. Il surriscaldamento dei provini è stato monitorato tramite un sensore ad infrarossi e limitato mediante un sistema di raffreddamento ad aria. Per eseguire le prove, i provini sono stati progettati, attraverso un’analisi FEM modale, per essere in risonanza a 20 kHz e con l’obiettivo di massimizzare il rapporto tensione-spostamento. Le proprietà elastiche del materiale sono state valutate attraverso la tecnica IET di eccitazione ad impulso. Sono stati progettati sia provini con forma a clessidra, tali da avere un’alta tensione assiale ma anche delle tensioni tangenziali, sia provini a barra con tabs, nei quali non sono presenti tensioni tangenziali. La calibrazione tra la tensione elettrica in input e la deformazione del provino in output è stata eseguita con estensimetri. Questi ultimi sono stati utilizzati anche per escludere la flessione sia nel piano che fuori dal piano del provino. Inoltre, mediante gli estensimetri, è stata verificata la presenza di tensioni tangenziali nel provino a clessidra. L’effetto delle tensioni tangenziali si evidenzia sulla posizione delle superfici di rottura che è risultata in accordo con le previsioni del criterio di rottura di Tsai-Wu. Dalle prove sui provini a barra è emersa la problematica nota come “tab failure”, molto comune nei materiali compositi. Sono quindi stati adottati vari accorgimenti nell’esecuzione del test sperimentale per limitare il fenomeno, o tardarne il momento di arrivo. Come ultimo step è stato progettato un provino quasi isotropo, ovvero con stacking sequence [0/90/45/-45]s, che non risente delle tensioni tangenziali. Dalle prove condotte sui provini quasi isotropi, confrontandole con quelle eseguite sui provini iniziali, si può concludere in ultimo esame che c’è notevole influenza tra le tensioni normali e quelle tangenziali sulla risposta a fatica del materiale.