Resistenza a fatica multiassiale di provini in acciaio 42CrMo4 estratti da una testa di biella per motori navali: applicazione dell’approccio SED lineare-elastico ed elasto-plastico

In the field of transportation, maritime transport plays a crucial role globally, making the reliability of marine propulsion systems essential. Achieving such reliability is one of Wärtsilä's primary goals. Among the most stressed components in an internal combustion engine is the connecting rod, which is subjected to multiaxial fatigue loads. However, it is important to note that due to particular geometries, such as threads, stress concentrations significantly increase at these points due to the so-called “notch effect.” This thesis focuses on the multiaxial fatigue study of both plain and notched specimens (with circumferential notches) made from 42CrMo4 steel, extracted directly from the connecting rod head of a marine engine. In addition to conducting experimental tests under pure bending, pure torsion, in-phase and out-of-phase bending-torsion with biaxial ratios of 1 and √3, a numerical approach will also be adopted. The goal is to process the collected data and synthesize it in terms of Strain Energy Density (SED) averaged over the control volume (at the endurance limit and crack initiation), considering both linear-elastic and elasto-plastic material behavior. To detect fatigue crack initiation and propagation, the specimens were monitored using the Direct Current Potential Drop (DCPD) technique. The initiation life was defined when the fatigue crack reached the structural volume’s radius, corresponding to a specific increase in potential drop, calibrated through experimental crack front marking tests and finite element (FE) electrical analyses. The control volume size, R0, was determined by fatigue testing both smooth specimens and notched specimens with V-grooves under pure bending or pure torsion loads.

Nell’ambito dei trasporti, quello marittimo risulta essere uno dei più importanti a livello mondiale, motivo per cui è essenziale che i propulsori navali siano affidabili e ciò rappresenta uno degli obiettivi da raggiungere per Wärtsilä. Uno dei componenti maggiormente sollecitati tra quelli di un motore a combustione interna è la biella che risente di carichi di fatica di tipo multi-assiale. Tuttavia, bisogna precisare che a causa di geometrie particolari, come nel caso delle filettature, in corrispondenza di queste le tensioni aumentano notevolmente rispetto al valore nominale per il cosiddetto “effetto di intaglio”. La tematica affrontata in questa tesi verterà sullo studio a fatica multi-assiale di provini intagliati (con intaglio circonferenziale) e lisci, in acciaio 42CrMo4, estratti direttamente dalla testa di biella di un motore marino. Oltre all’esecuzione di prove sperimentali di pura flessione, pura torsione, flesso-torsione in fase e fuori fase con rapporto di bi-assialità pari a 1 e √3, verrà seguito anche un approccio numerico al fine di sintetizzare i dati ottenuti in termini di densità di energia di deformazione (SED), mediata sul volume di controllo (all’endurance limit e ad innesco), assumendo un comportamento del materiale lineare-elastico ed elasto-plastico. Al fine di ricavare l'innesco della cricca a fatica e la successiva propagazione, i campioni sono stati monitorati adottando la tecnica del Direct Current Potential Drop (DCPD). La vita all’innesco è stata definita quando la cricca a fatica eguaglia il raggio del volume strutturale, il che corrisponde a un dato aumento di caduta di potenziale calibrato mediante prove sperimentali di marcatura del fronte di cricca e analisi elettriche agli elementi finiti (FE). La dimensione del volume di controllo R0 è stata determinata testando a fatica provini lisci e provini con intaglio a V sotto carichi di pura flessione o pura torsione. La caratterizzazione del materiale vuole essere il più completa possibile: oltre alle verifiche sperimentali su banco prova sono state eseguite misure di micro-durezza, misure di tensioni residue e analisi della microstruttura.