La fatica nei metalli: perchè telaio e componenti non possono durare per sempre

  • Cannondale presenta la nuova Scalpel, la sua bici biammortizzata da cross country che adesso ha 120 millimetri di escursione anteriore e posteriore in tutte le sue versioni. Sembra che sia cambiato poco, a prima vista, ma sono i dettagli che fanno la differenza e che rendono questa Scalpel 2024 nettamente più performante del modello precedente.
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Samz

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Non sono del tutto convinto che la "legge del fil di ferro" sia riconducibile al fenomeno della fatica. Il fil di ferro, piegandolo più volte, lo deformi plasticamente in un senso e nell'altro, incrudendolo. Incrudire un materiale, significa renderlo più resistente, ma anche molto più fragile. Infatti, mano a mano che pieghi il fil di ferro da una parte all'altra, si sente che diventa sempre più duro fino a rompersi a causa della sua fragilià. Il fenomeno della fatica, da quello che so, non si presenta mai su deformazioni plastiche, ma solo elastiche: caso a cui sono soggetti i nostri componenti. Sbaglio?

Non sbagli. Per fortuna qualcuno se n'è accorto. La legge del filo di ferro non centra nulla con l'affaticamento. Avessero voluto mostrare un cedimento da fatica con deformazioni elastiche potevano prendere una molla.
Il filo di ferro, come giustamente hai riportato, storgendolo, subisce una deformazione plastica (non reversibile). Questa azione lo incrudisce trasformandone le qualità fisiche (maggiore durezza e resilienza, ma minore resistenza)
 
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ottomilainsu

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Non sbagli. Per fortuna qualcuno se n'è accorto. La legge del filo di ferro non centra nulla con l'affaticamento. Avessero voluto mostrare un cedimento da fatica con deformazioni elastiche potevano prendere una molla.
Il filo di ferro, come giustamente hai riportato, storgendolo, subisce una deformazione plastica (non reversibile). Questa azione lo incrudisce trasformandone le qualità fisiche (maggiore durezza e resilienza, ma minore resistenza)

Non è così.

Prima di tutto è stato scelto perché è facilmente comprensibile da chiunque, mentre quello della molla no;
Secondo perché il fenomeno rientra nella cosiddetta "fatica oligociclica" che si verifica quando l'ampiezza di sollecitazione è molto elevata, anche superiore al limite di elasticità (carico di snervamento o di scostamento dalla proporzionalità allo 0,2%);
Terzo: i parametri di cui stiamo discutendo sono denominati "proprietà meccaniche" (carichi di rottura, snervamento, modulo di elasticità longitudinale e tangenziale, coefficiente di Poisson, resistenza alla fatica, resistenza allo scorrimento viscoso, durezza, resilienza, ...) e non "qualità fisiche" (densità, coefficienti di attrito) ("qualità" non è il termine corretto, è "proprietà");
Quarto: l'incrudimento determina un incremento del carico di rottura e del limite elastico (quindi aumenta la resistenza alla prova di trazione statica), un corrispondente aumento di durezza (*), ovvero aumenta la resistenza ai carichi statici, mentre si manifesta un drastico calo dell'allungamento a rottura e della tenacità (detta anche resilienza).

(*) La durezza, misurata con le prove di penetrazione Vickers, Brinell o Rockwell, è correlata al carico di rottura e vi è una relazione di proporzionalità diretta, anche se non è possibile stabilire una correlazione esatta tra i valori; le tabelle sono solamente indicative perché troppi sono i parametri in gioco. In linea di massima, il carico di rottura di un acciaio (in N/mm^2) è circa 1/3 del valore di durezza Brinell desunto dalla prova relativa; nient'altro può essere determinato e l'interpretazione dei risultati va fatta con estrema cautela perché può risultare fuorviante.

Questo in linea generale; l'esempio, ripeto, voleva essere solamente un modo facile per introdurre l'argomento, non certo "L'Esempio" che spiega tutto.
L'argomento è complesso e delicato, non facile da spiegare a tutti, ma ho insististo perché se ne parlasse.
Troppi, nel forum e al di fuori, hanno convinzioni alquanto bislacche su che cosa sia la fatica e come si manifesti.
La lettura di questo articolo non può che fornire una limitata conoscenza di base, ma almeno dovrebbe far capire che cosa è questa benedetta fatica e mettere in guardia e tenere d'occhio la bici.
Per la propria sicurezza.
 
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Samz

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ottomilainsù;6604790 ha scritto:
Non è così.

Prima di tutto è stato scelto perché è facilmente comprensibile da chiunque, mentre quello della molla no;
Secondo perché il fenomeno rientra nella cosiddetta "fatica oligociclica" che si verifica quando l'ampiezza di sollecitazione è molto elevata, anche superiore al limite di elasticità (carico di snervamento o di scostamento dalla proporzionalità allo 0,2%);
Terzo: i parametri di cui stiamo discutendo sono denominati "proprietà meccaniche" (carichi di rottura, snervamento, modulo di elasticità longitudinale e tangenziale, coefficiente di Poisson, resistenza alla fatica, resistenza allo scorrimento viscoso, durezza, resilienza, ...) e non "qualità fisiche" (densità, coefficienti di attrito) ("qualità" non è il termine corretto, è "proprietà");
Quarto: l'incrudimento determina un incremento del carico di rottura e del limite elastico (quindi aumenta la resistenza alla prova di trazione statica), un corrispondente aumento di durezza (*), ovvero aumenta la resistenza ai carichi statici, mentre si manifesta un drastico calo dell'allungamento a rottura e della tenacità (detta anche resilienza).

(*) La durezza, misurata con le prove di penetrazione Vickers, Brinell o Rockwell, è correlata al carico di rottura e vi è una relazione di proporzionalità diretta, anche se non è possibile stabilire una correlazione esatta tra i valori; le tabelle sono solamente indicative perché troppi sono i parametri in gioco. In linea di massima, il carico di rottura di un acciaio (in N/mm^2) è circa 1/3 del valore di durezza Brinell desunto dalla prova relativa; nient'altro può essere determinato e l'interpretazione dei risultati va fatta con estrema cautela perché può risultare fuorviante.

Questo in linea generale; l'esempio, ripeto, voleva essere solamente un modo facile per introdurre l'argomento, non certo "L'Esempio" che spiega tutto.
L'argomento è complesso e delicato, non facile da spiegare a tutti, ma ho insististo perché se ne parlasse.
Troppi, nel forum e al di fuori, hanno convinzioni alquanto bislacche su che cosa sia la fatica e come si manifesti.
La lettura di questo articolo non può che fornire una limitata conoscenza di base, ma almeno dovrebbe far capire che cosa è questa benedetta fatica e mettere in guardia e tenere d'occhio la bici.
Per la propria sicurezza.

Bene bene. Riprendo l'argomento ad un'ora più "fresca" della giornata.
Fa piacere che dietro spiegazioni di comportamenti meccanici dei metalli ci sia qualcuno che sa di cosa parla.

Chiedo scusa per la leggerezza con la quale ho chiamato le propietà meccaniche, le qualità fisiche :omertà: Ho scritto veloce senza essere troppo scientifico, non pensando di avere interlocutori così preparati :)

Riprendo l'argomento con più precisione.

Senza inoltrarsi nella meccanica pura, riprendo l'esempio del filo di ferro, e ti spiego perchè penso non sia appropriato, oltre che fuorviante, parlarne in relazione della rottura per fatica dei telai.

Come dici giustamente, ciò che accade storgendo un filo di ferro è una fatica di tipo "oligociclica".

La fatica Oligociclica (con relativa rottura) si presenta quando le sollecitazioni portano a rottura il materiale dopo pochi cicli (dal greco oligos ->poco).
Questo perchè queste ultime hanno un carico tale da rientrare nel campo delle deformazioni plastiche.

Prendendo infatti il filo di ferro, quest'ultimo si rompe dopo pochi cicli (penso non più di 10), proprio perchè il materiale viene stressato a tal misura da superare ampiamente il campo elastico.

Di norma le sollecitazioni operative dei componenti meccanici vengono testate nel campo elastico, a meno che non si debba verificare la tenuta massima di un componente in caso di incidente. (cavi di seggiovie, gru, assi, ecc)

Dettò ciò le sollecitazioni che portano alla rottura per fatica un telaio rientrano quasi esclusivamente nel campo elastico e non plastico.

Per fare un esempio concreto, ottenere una deformazione plastica di un telaio significa prendere una botta tale per cui quest'ultimo rimanga visibilmente storto.

Quello di cui si stà parlando in questo articolo sono invece le sollecitazioni in campo elastico, ovvero quelle che non modificano la struttura (forma, lunghezza, ecc) del materiale.

Dovessimo applicare il test del filo di ferro al telaio, dovremmo prendere quest'ultimo e piegarlo ripetutamente, applicando carichi molto più grandi rispetto a quelli del normale utilizzo, e romperlo dopo pochi cicli.

Come ben sai, invece, un telaio, prima di rompersi, effettua molti cicli con basse sollecitazioni, e non pochi cicli con alte sollecitazioni.

Per questo affermavo che l'esempio di una molla, che lavora quasi esclusivamente nel campo elastico, era più pertinente.

Per capire meglio di cosa stiamo parlando consiglio di osservare il diagramma tensione-deformazione di un metallo. (allegato)

Spero di essermi spiegato in maniera semplice, nel caso qualcuno non capisse qualcosa o volesse qualche ulteriore precisazione rimango disponibile.

Detto ciò non voglio affermare che ciò che hai scritto tu (o chi abbia fatto l'articolo) è errato. Semplicemente l'esempio del filo di ferro non è inerente al comportamento di un telaio, tutta qua.

Resto comunque d'accordissimo al fatto che vengano trattati queste tipologie di argomenti. Come dici, giustamente, molte volte si parla di metalli, carbonio, sezioni e saldature con troppa leggerezza, senza capire veramente cosa si nasconde dietro.

Per il resto buone pedalate a tutti :) :i-want-t:

Sam
 

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Bene bene. Riprendo l'argomento ad un'ora più "fresca" della giornata.
Fa piacere che dietro spiegazioni di comportamenti meccanici dei metalli ci sia qualcuno che sa di cosa parla.

Chiedo scusa per la leggerezza con la quale ho chiamato le propietà meccaniche, le qualità fisiche :omertà: Ho scritto veloce senza essere troppo scientifico, non pensando di avere interlocutori così preparati :)

Riprendo l'argomento con più precisione.

Senza inoltrarsi nella meccanica pura, riprendo l'esempio del filo di ferro, e ti spiego perchè penso non sia appropriato, oltre che fuorviante, parlarne in relazione della rottura per fatica dei telai.

Come dici giustamente, ciò che accade storgendo un filo di ferro è una fatica di tipo "oligociclica".

La fatica Oligociclica (con relativa rottura) si presenta quando le sollecitazioni portano a rottura il materiale dopo pochi cicli (dal greco oligos ->poco).
Questo perchè queste ultime hanno un carico tale da rientrare nel campo delle deformazioni plastiche.

Prendendo infatti il filo di ferro, quest'ultimo si rompe dopo pochi cicli (penso non più di 10), proprio perchè il materiale viene stressato a tal misura da superare ampiamente il campo elastico.

Di norma le sollecitazioni operative dei componenti meccanici vengono testate nel campo elastico, a meno che non si debba verificare la tenuta massima di un componente in caso di incidente. (cavi di seggiovie, gru, assi, ecc)

Dettò ciò le sollecitazioni che portano alla rottura per fatica un telaio rientrano quasi esclusivamente nel campo elastico e non plastico.

Per fare un esempio concreto, ottenere una deformazione plastica di un telaio significa prendere una botta tale per cui quest'ultimo rimanga visibilmente storto.

Quello di cui si stà parlando in questo articolo sono invece le sollecitazioni in campo elastico, ovvero quelle che non modificano la struttura (forma, lunghezza, ecc) del materiale.

Dovessimo applicare il test del filo di ferro al telaio, dovremmo prendere quest'ultimo e piegarlo ripetutamente, applicando carichi molto più grandi rispetto a quelli del normale utilizzo, e romperlo dopo pochi cicli.

Come ben sai, invece, un telaio, prima di rompersi, effettua molti cicli con basse sollecitazioni, e non pochi cicli con alte sollecitazioni.

Per questo affermavo che l'esempio di una molla, che lavora quasi esclusivamente nel campo elastico, era più pertinente.

Per capire meglio di cosa stiamo parlando consiglio di osservare il diagramma tensione-deformazione di un metallo. (allegato)

Spero di essermi spiegato in maniera semplice, nel caso qualcuno non capisse qualcosa o volesse qualche ulteriore precisazione rimango disponibile.

Detto ciò non voglio affermare che ciò che hai scritto tu (o chi abbia fatto l'articolo) è errato. Semplicemente l'esempio del filo di ferro non è inerente al comportamento di un telaio, tutta qua.

Resto comunque d'accordissimo al fatto che vengano trattati queste tipologie di argomenti. Come dici, giustamente, molte volte si parla di metalli, carbonio, sezioni e saldature con troppa leggerezza, senza capire veramente cosa si nasconde dietro.

Per il resto buone pedalate a tutti :) :i-want-t:

Sam

L'articolo lo ho scritto io assieme a danybiker88.

Ribadisco che l'esempio del fil di ferro è solo fatto per introdurre e far capire a chiunque il problema.
Tant'è che era usato persino da svariati docenti del corso di laurea in Ingegneria Meccanica all'università di Padova.
I quali chiaramente lo buttavano lì come l'esempio per far capire anche al più duro di comprendonio di che cosa si vuol parlare.
Poi si entra nello specifico, si analizza per bene la questione.
Una delle basi fondamentali è il diagramma di Woehler, è essenziale capirne il significato.

Tipo questo:

Image18.gif


In cui si cimenta il materiale fino al campo plastico (zyklische entfestigung), oppure questo:

BrittleAluminium320MPA_S-N_Curve.jpg


che è relativo ad una lega di alluminio con carico di rottura (ultimate tensile strength) di 320 MPa.

In entrambi i diagrammi si invade la zona plastica.
Ciò mi sembra sufficiente giustificazione per dire che l'esempio non è errato, è solo un po' al limite.

La molla, ribadisco, non sarebbe stata capita se non da chi ha già i prerequisiti; il "fil di ferro" lo capisce chiunque perché è una prova che chiunque può fare.

Non c'entra (FORSE) con i telai delle bici, ma c'entra eccome quando la frattura è propagata al punto di determinare una semiampiezza di oscillazione della tensione che porta il materiale, localmente, a lavorare oltre il suo limite di elasticità.

Ripeto, esempio al limite perché effettivamente nella realtà si deve rimanere sempre nel campo elastico con un adeguato margine di sicurezza.
Quello che si fa anche nel campo ciclistico, anche se in parecchi casi che ho osservato si sono messi d'impegno per realizzare un qualcosa fatto apposta per rompersi.

P.S.: "storgere" è bruttissimo e non mi risulta proprio che esista nel dizionario italiano, "sta" si scrive senza accento. ;-)
 

Danybiker88

Redazione
4/9/04
12.241
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35
Torino
www.picasawebweb.com
Ricordiamoci sempre che tutti gli articoli del Tech Corner sono scritti per essere divulgativi e rivolgersi al lettore medio, che non ha praticamente nessuna nozione di meccanica.
L'utilizzo di esempi non "ortodossi" ma derivati dall'esperienza quotidiana è utile per far capire, anche a chi non è esperto, concetti che altrimenti sarebbero difficili da spiegare.

L'obiettivo principale insomma non è quello di essere formalmente corretti al 100%, ma di essere comprensibili anche da chi non ha una spiccata cultura scientifica o non ha seguito studi specifici in materia.
 

Samz

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ottomilainsù;6605178 ha scritto:
L'articolo lo ho scritto io assieme a danybiker88.

Ribadisco che l'esempio del fil di ferro è solo fatto per introdurre e far capire a chiunque il problema.
Tant'è che era usato persino da svariati docenti del corso di laurea in Ingegneria Meccanica all'università di Padova.
I quali chiaramente lo buttavano lì come l'esempio per far capire anche al più duro di comprendonio di che cosa si vuol parlare.
Poi si entra nello specifico, si analizza per bene la questione.
Una delle basi fondamentali è il diagramma di Woehler, è essenziale capirne il significato.

Tipo questo:

Image18.gif


In cui si cimenta il materiale fino al campo plastico (zyklische entfestigung), oppure questo:

BrittleAluminium320MPA_S-N_Curve.jpg


che è relativo ad una lega di alluminio con carico di rottura (ultimate tensile strength) di 320 MPa.

In entrambi i diagrammi si invade la zona plastica.
Ciò mi sembra sufficiente giustificazione per dire che l'esempio non è errato, è solo un po' al limite.

La molla, ribadisco, non sarebbe stata capita se non da chi ha già i prerequisiti; il "fil di ferro" lo capisce chiunque perché è una prova che chiunque può fare.

Non c'entra (FORSE) con i telai delle bici, ma c'entra eccome quando la frattura è propagata al punto di determinare una semiampiezza di oscillazione della tensione che porta il materiale, localmente, a lavorare oltre il suo limite di elasticità.

Ripeto, esempio al limite perché effettivamente nella realtà si deve rimanere sempre nel campo elastico con un adeguato margine di sicurezza.
Quello che si fa anche nel campo ciclistico, anche se in parecchi casi che ho osservato si sono messi d'impegno per realizzare un qualcosa fatto apposta per rompersi.

P.S.: "storgere" è bruttissimo e non mi risulta proprio che esista nel dizionario italiano, "sta" si scrive senza accento. ;-)

Senza generare flame, ti chiederei di spiegarmi il primo Grafico, in particolare cosa rappresentano i puntini di diverso colore.

Secondo: Non ho ben capito cosa intendi con questa frase:

"Non c'entra (FORSE) con i telai delle bici, ma c'entra eccome quando la frattura è propagata al punto di determinare una semiampiezza di oscillazione della tensione che porta il materiale, localmente, a lavorare oltre il suo limite di elasticità."

Grazie
 

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