Size effect in LCF experiments

In the design stage of a mechanical component is crucial to understand all the possible paramethers that can affect the life of the designed part. One of them is the size effect, that causes the reduction or increases the life only depending on the piece dimension. Due to the continuous improvement of materials and software tools that help the engineer in the desing stage, like new alloys or optimization tools, and the continuous search in reducing dimensions and weigth of parts, can happen that local region undergoes to cyclic plasticization. In the field of High Cycle Fatigue many studies were performed, demonstrating that a size effect is present and tend to reduce the expected life for bigger components, instead in Low Cycle Fatigue regime few researches were done, without demonstrating the effective presence of a size effect. The aim of this thesis is firstly to characterize the cyclic properties of the material, KSA30, than to evaluate the existance of size effect even in the field of cyclic plasticization. In order to characterize the material response in the Low Cycle Fatigue regime a test campaign on smooth specimen of three different dimensions is done, testing specimens at different strain levels, to built the cyclic stress-strain and strain-life curve for the material and looking for shifting in the life related to specimens dimensions. For confirming the obtained experimental results another test campaign with the recording of the specimens surface evolution is done, to have a clear idea of the real damaging on the specimen suface. From this test a crack propagation model and a crack size statistical distribution are evaluated, starting from the observation of the specimens surfaces. Finally a numerical simulation is carried out, adopting a Monte Carlo simulation, simulating the growth and the interaction between the cracks generated starting from the experimental distributions. A final comparison between the results obtained from the first experimental campagin and the ones obtained with the simulation is performed, to check the goodness of the model.

Nella fase di progettazione di una parte meccanica è di vitale importanza conoscere tutti i possibili fattori che possono influenzare la resistenza a fatica del componente. Uno di questi parametri è il fattore di forma, che è responsabile della variazione della vita dovuta alle sole dimensioni del pezzo. Grazie al continuo miglioramento sia nel campo metallurgico, con l’utilizzo di nuove leghe, che nel campo dei sowtware, con programmi ad elementi finiti e di ottimizzazione, la riduzione degli ingombri e dei pesi è diventata uno degli obiettivi principali da soddisfare. Questo comporta che spesso alcune zone di materiale, specialmente a causa di cambi di sezione o geometrie, siano sottoposte ad uno sforzo che supera lo snervamento del materiale, lavorando in campo plastico. Nel campo della vita a fatica (High Cycle Fatigue) molte ricerche e molti studi sono stati effettuati con lo scopo di identificare e quantificare il fattore di volume, dimostrandone l’esistenza e la tendenza generale a ridurre la vita a fatica di componenti con sezioni maggiori. Nel campo della fatica oligociclica (High Cycle Fatigue), invece, pochi studi sono stati effettuati, non dimostrando con certezza l’esistenza di un fattore di volume. In questo lavoro di tesi si sono prima caratterizzate le proprietà cicliche del materiale KSA30, per poi andare a analizzare e ricercare la presenza di una correlazione tra dimensioni e vita anche nel campo della plasticizzazione ciclica. Il KSA30 è un acciaio ad alta resistenza e dalla elevata tenacità utilizzato soprattutto per la realizzazione di assili ferroviari e alberi di turbine pe la geneazione di potenza. Tali componenti sono sottoposti a sollecitazioni ripetute e elevate, con il rischio di gravi danni sia a livello economico sia di vite umane in caso di cedimento del pezzo. Per caraterizzare le proprietà cicliche del materiale è stata realizzata una serie di test su prvoini lisci aventi tre dimensioni differenti, testando ogni provino a un diverso livello di deformazione, e ricavando così le curve sforzo-deformazione ciclica e sforzo-vita. Successivemente si sono ricercate eventuali differenze di comportamento dettate dalla diversa dimensione del provino nelle suddette curve, confermando i risultati ottenuti sperimentalmente alla luce della statistica dei valori estremi e di considerazioni sulla propagazione. E’ stata realizzata poi una seconda serie di test nella quale, grazie al metodo della replica, si è osservato e modellizzato l’evoluzione del danneggiamento sulla superficie del provino. Dalle osservazioni sono stati generati un modello di propagazione e un modello statistico sulla popolazione delle cricche superficiali per uno stesso livello di deformazione. Da tali osservazioni si sono notati inoltre casi di interazione tra cricche. Infine è stata realizzata una simulazione numerica, utilizzando il principio di Monte Carlo, nella quale si sono presi in ingresso i modelli sperimentali ricavati dalla seconda serie di test riguardanti la popolazione e la propagazione delle cricche. In aggiunta è stato implementato al suo interno un algoritmo in grado di calcolare l’interazione fra le cricche e si sono simulate le vite per provini delle dimensioni di quelli testati, confrontando i risultati ottenuti con quelli rilevati dalle prove sperimentali.