Analisi del comportamento a fatica in trazione-compressione di un PMMA in presenza di intagli e difetti

In the last century, the fatigue behavior of materials, particularly metallic ones, has been studied to understand their structural performance. In recent years, polymeric materials have increasingly been used as substitutes for metals where possible, as they are more economical in terms of processing and lighter in weight. This paper investigates the fatigue behavior of a glassy thermoplastic polymer, PMMA, commonly known as Plexiglass. After a literature review on the behavior of certain parameters during fracture propagation, dog-bone specimens of various geometries will be tested, including smooth, notched with varying radii of curvature, and cracked specimens. The goal is to study how stress concentration, notch size, and defect dimensions affect the material's lifespan. To this end, the Atzori-Lazzarin-Meneghetti diagram, which relates stress amplitude and defect size, will be developed to verify its validity for polymeric materials. Fatigue tests will be conducted under a load ratio of R=−1, and based on the results in terms of stress and fatigue life (number of cycles N) for individual specimens, S-N curves (analogous to Wöhler curves for metallic materials) will be constructed for each geometry, providing some of the parameters necessary for creating the diagram. The validity of the A-L-M curve will be investigated both at 2 million cycles and for the non-damaging threshold of PMMA. Therefore, efforts will be made to determine not only the stress levels that allow the specimen to reach 2 million cycles intact but potentially damaged, but also the non-damaging stress levels of the material depending on the geometry. In the concluding section, fracture surfaces will be compared to analyze if and how the dimensions of the three typical fracture zones of PMMA (mirror, mist, and hackle) are influenced by the applied load. Finally, the results emerging from the A-L-M diagrams will be discussed.

Nell’ultimo secolo il comportamento a fatica, in particolare dei materiali metallici, è stato oggetto di studio per capirne il comportamento in ambito strutturale. Negli anni recenti sempre più di frequente si utilizzano materiali polimerici, dove possibile, in sostituzione dei metalli, in quanto più economici dal punto di vista delle lavorazioni e più leggeri. Nel seguente scritto si indaga il comportamento a fatica di un polimero termoplastico a comportamento vetroso, il PMMA o in gergo comune Plexiglass. Dopo un approfondimento in letteratura sul comportamento di alcuni parametri al propagare della frattura, si andranno a testare provini ad osso di cane di diverse geometrie, sia lisci che intagliati con diversi raggi di raccordo e criccati, con lo scopo di studiare come la concentrazione di tensione e le dimensioni degli intagli e dei difetti influiscano sulla vita del materiale. A tal proposito si vuole realizzare il diagramma Atzori-Lazzarin-Meneghetti, diagramma che mette in relazione ampiezza di tensione e dimensione dei difetti, al fine di verificare la validità di quest’ultimo nei materiali polimerici. Le prove a fatica vengono eseguite con rapporto ciclo R= −1 e alla luce dei risultati di prova in termine di tensioni e vita a fatica (numero di cicli N) dei singoli provini si realizzeranno curve S-N (curve di Wӧhler per i materiali metallici) per ogni geometria, così da ricavarne parte dei parametri necessari alla realizzazione del diagramma. Verrà indagata la validità della curva A-L-M sia ai 2 milioni di cicli sia per il non danneggiamento del PMMA, motivo per il quale si cercheranno non solo le tensioni che permettono al provino di raggiungere i 2 milioni di cicli integro ma potenzialmente danneggiato, ma anche le tensioni di non danneggiamento del materiale in funzione della geometria. Nella parte conclusiva si andranno a mettere a confronto le superfici di frattura per analizzare se e come le dimensioni delle tre zone di frattura tipiche del PMMA (mirror, mist e hackle) siano influenzate dal carico applicato. Infine si commenteranno i risultati che emergono dai diagrammi A-L- M appena descritti.