Fatica e creep dei metalli: come e perché cedono

Un componente metallico può rompersi anche sotto carichi ben inferiori alla sua resistenza statica: basta che il carico sia ripetuto molte volte (fatica) o costante ma a temperatura elevata per lungo tempo (creep). Sono due dei modi di cedimento più insidiosi, perché agiscono in silenzio e sfuggono ai collaudi statici. Capirli è essenziale per progettare strutture sicure e durature.

Vediamo che cos’è la fatica e che cosa dice la curva di Wöhler, che cos’è il limite di fatica, come funziona il creep e quali sono i principali modi di cedimento dei metalli.

La fatica: rottura per carichi ripetuti

La fatica è la capacità (o l’incapacità) di un metallo di sopportare sollecitazioni variabili nel tempo. Sotto carichi che si ripetono — vibrazioni, cicli di carico e scarico — in un componente possono nucleare e propagare microcricche, fino alla rottura, anche quando il carico massimo resta molto al di sotto del carico di rottura statico. È un fenomeno cruciale in tutto ciò che vibra o ruota: alberi, ingranaggi, organi di macchine alternative, ali, ponti.

La curva di Wöhler e il limite di fatica

Il comportamento a fatica si descrive con la curva di Wöhler (o curva S–N): si riporta lo sforzo applicato (S) in funzione del numero di cicli che il materiale sopporta prima di rompersi (N). La curva scende: maggiore lo sforzo, minore il numero di cicli a rottura. Per molti acciai, però, la curva si appiattisce verso un valore costante: esiste cioè uno sforzo, detto limite di fatica (o limite di endurance), sotto il quale il pezzo resiste a un numero praticamente infinito di cicli.

Un dato pratico utile: per gli acciai ordinari il limite di fatica si aggira intorno alla metà del loro carico di rottura a trazione. È un’indicazione di massima preziosa in fase di progetto: chi dimensiona un albero rotante non deve restare sotto il carico di rottura statico, ma ben dentro il limite di fatica. Per questo nella progettazione di parti soggette a vibrazioni si tiene lo sforzo di lavoro nettamente al di sotto di questa soglia.

limite di fatica (acciai comuni)  ≈  carico di rottura2

Il creep: scorrimento lento sotto carico

Il creep, o scorrimento viscoso, è la proprietà di un metallo di deformarsi con continuità sotto un carico costante. A temperatura ambiente è quasi sempre trascurabile, ma diventa importante alle alte temperature: il materiale «cola» lentamente nel tempo, anche se il carico non cambia, fino a possibili rotture dopo mesi o anni. Il creep va sempre considerato dove c’è calore e carico prolungato.

I principali modi di cedimento

Mettendo a confronto i modi in cui un metallo può cedere, si vede perché fatica e creep richiedono attenzioni specifiche, diverse da quelle del collaudo statico.

Perché conta nella pratica

Fatica e creep sono responsabili di moltissimi cedimenti reali, proprio perché agiscono sotto carichi che il collaudo statico considererebbe sicuri. Chi progetta organi rotanti o vibranti deve dimensionare a fatica, restando sotto il limite di endurance; chi lavora con impianti caldi deve dimensionare a creep, scegliendo materiali e temperature compatibili con la vita richiesta. Conoscere questi meccanismi — e sapere quando uno o l’altro domina — è alla base della sicurezza e della durata di strutture, macchine e impianti.

Domande frequenti

Che cos’è la fatica di un metallo?

È il cedimento che avviene sotto carichi ripetuti nel tempo, anche quando il carico massimo resta ben al di sotto del carico di rottura statico. Cicli di carico e scarico, vibrazioni e rotazioni fanno nucleare e propagare microcricche fino alla rottura. È un fenomeno cruciale in tutto ciò che vibra o ruota — alberi, ingranaggi, ali, ponti — e va sempre considerato nella progettazione di queste parti.

Che cos’è la curva di Wöhler?

È la curva che descrive il comportamento a fatica di un materiale, riportando lo sforzo applicato in funzione del numero di cicli che il pezzo sopporta prima di rompersi (curva S–N). La curva scende: più alto lo sforzo, meno cicli a rottura. Per molti acciai si appiattisce verso un valore costante, il limite di fatica, sotto il quale il materiale resiste a un numero praticamente infinito di cicli.

Che cos’è il limite di fatica?

È il valore massimo di sforzo che un materiale può sopportare per un numero indefinito di cicli senza rompersi: sotto questo limite la rottura per fatica non avviene. Per gli acciai ordinari vale all’incirca la metà del carico di rottura a trazione. In progettazione si tiene lo sforzo di lavoro nettamente sotto questa soglia per garantire vita illimitata alle parti soggette a carichi ripetuti.

Che cos’è il creep?

È lo scorrimento viscoso: la proprietà di un metallo di deformarsi con continuità sotto un carico costante. A temperatura ambiente è in genere trascurabile, ma alle alte temperature diventa importante, e il materiale «cola» lentamente nel tempo fino a possibili rotture dopo lunghi periodi. È un vincolo di progetto fondamentale in caldaie, impianti chimici, turbine, motori e ovunque ci sia calore e carico prolungato.

In quali casi il creep è particolarmente critico?

Soprattutto dove c’è alta temperatura e carico per lungo tempo: impianti a vapore e chimici intorno ai 450–550 °C, turbine a gas, motori a combustione interna, razzi e reattori nucleari. Anche metalli molto teneri e bassofondenti, come il piombo o i metalli bianchi dei cuscinetti, possono manifestare creep a temperatura ambiente. È il problema che le superleghe a base nichel sono state sviluppate per affrontare nelle turbine.