A study on fatigue design of welded and cast steel large structures for forging presses

Welded and cast steel structures subjected to cyclic loads need a careful design against fatigue. International standards about fatigue design help to perform this task in the case of welded joints, but their recommendations seem too conservative in some cases. Instead for the case of steel castings similar standards appear to have never been produced: therefore an investigation on the allowable stresses for a steel casting was requested. Preliminary tests were carried out on specimens extracted from a high thickness butt weld. Static tests have shown a substantial homogeneity of mechanical properties along the thickness. Then cylindrical specimens were extracted to be tested against fatigue: experimental results were much better than recommendations by standards, but they were obtained from a large majority of defect free specimens. So a critical review of this difference was carried out, based on the modeling of internal defects in the welded material. The same procedure was then applied also to fi nd possible allowable stresses for steel castings, with reference to maximum defect sizes permitted by quality standards for ultrasonic testing. Results of these numerical analyses showed that if maximum allowable inner defects are present inside the two materials, allowable stresses for welded joints are comparable to those of fatigue design standards, while allowable stresses for steel castings are comparable to those already used by the company, but based on years of experience. Finally, another limitation for the applicability of the results of cylindrical specimens of welded material to the case of interest is the absence of the notch effect due to the as-welded weld seam. For this reason the conceivement of fatigue tests based on specimens featuring also this effect has been carried out.

Le strutture saldate e quelle realizzate tramite fusione che sono soggette a carichi ciclici necessitano di un'attenta progettazione a fatica. Esistono normative internazionali riguardanti la progettazione a fatica che aiutano in questo compito nel caso di giunti saldati, ma gli sforzi ammissibili che suggeriscono sembrano troppo conservativi in alcune circostanze. Invece, per le fusioni in acciaio, delle normative similari sembra non siano mai state redatte: per questo motivo è stata necessaria un'analisi degli sforzi ammissibili nel caso di una fusione in acciaio. Test preliminari sono stati condotti su provini estratti da un giunto saldato di elevato spessore. I test statici hanno mostrato una sostanziale omogeneità delle proprietà meccaniche lungo lo spessore. Successivamente sono stati estratti provini cilindrici per essere testati a fatica: i risultati di questi test si sono dimostrati molto migliori rispetto agli sforzi ammissibili suggeriti dalle normative, ma sono stati ottenuti da provini di materiale saldato per lo più esenti da difetti. Si è resa dunque necessaria un'analisi critica dei risultati, attraverso la modellazione di difetti interni al materiale saldato. La medesima procedura è stata successivamente applicata per indagare anche sui possibili sforzi ammissibili nelle fusioni in acciaio, facendo riferimento alle dimensioni massime di difetti interni ammesse dalle normative sui controlli a ultrasuoni. I risultati di queste analisi numeriche hanno mostrato che nel caso di difetti interni nei due materiali delle dimensioni massime accettabili, gli sforzi ammissibili nel caso di giunti saldati sono comparabili a quanto suggerito dalle normative di progettazione a fatica, mentre nel caso delle fusioni in acciaio sono comparabili a quelli già usati dall'azienda, ma basati su anni di esperienza. Per concludere, un'altra limitazione all'impiego dei risultati ricavati dai provini cilindrici di materiale saldato rispetto al caso di interesse è l'assenza dell'effetto di intaglio dovuto alla geometria super ciale del cordone di saldatura. Per questo motivo sono stati ideati ulteriori test a fatica su provini che avranno anche questa caratteristica.