Resistenza a fatica e a fatica da contatto di componenti, aventi rapporto resistenza-massa elevato, rivestiti con film sottili duri

The aim of this work was to study the opportunity to use thin hard coatings for structural applications. The use of light and, at the same time, high resistant components, in fact, is becoming more and more necessary in many industrial field, such as the automotive, aerospace and competition ones. However, for several applications the use of light alloys as a replacement of standard construction steels, involves large unsolved problems for which exhaustive studies are not available in the scientific literature. In this research, the possibility of increasing the fatigue and rolling contact fatigue (RCF) resistance of mechanical components, by means of thin hard coatings has been considered. It is well known that the main light alloys used in mechanical applications have both a reduced wear resistance and a poor fatigue and RCF behavior. These aspects are fundamental for the design of a high number of mechanical components such as gears, crankshafts, valves, bearings etc. Several studies demonstrated that components coated with thin hard films, deposited by Physical Vapor Deposition (PVD) technique, can exhibit an increment of the fatigue resistance compared to the standard uncoated ones. This effect is mainly due to the residual stress field induced by the deposition process which generates high surface compressive residual stresses helpful to stop or drastically reduce the fatigue crack propagation. The aim of this research was to investigate the effect of these surface coatings both on fatigue and RCF behavior of specimens and mechanical components. Theoretical-numerical models to predict defect nucleation and fatigue/rolling-contact fatigue propagation have been developed. Furthermore, rotating bending tests on standard specimens have been carried out and suitable devices for fatigue and RCF testing of full scale components have been designed and assembled. Case hardened spur gears of a Ducati 1098R competition motorbike have been studied both numerically and experimentally.

L’obiettivo di questo lavoro é stato quello di studiare il possibile impiego dei rivestimenti sottili duri per applicazioni in campo meccanico strutturale. L’utilizzo di componenti leggeri, ma al tempo stesso resistenti, infatti, sta diventando una necessità in numerosi settori industriali, come quello automobilistico, quello aerospaziale e il settore delle competizioni sportive in generale. Per diverse applicazioni, tuttavia, l’impiego di leghe metalliche leggere in sostituzione dei tradizionali acciai da costruzione comporta numerose problematiche ancora irrisolte per le quali non sono presenti studi approfonditi nella letteratura scientifica. In questa ricerca é stata presa in considerazione, in particolare, la possibilità di incrementare la resistenza a fatica e a fatica da contatto dei componenti meccanici tramite l’impiego dei rivestimenti sottili duri. Come noto, infatti, le principali leghe leggere impiegate in ambito meccanico presentano, oltre ad una ridotta resistenza all’usura superficiale, una scarsa resistenza a fatica e a fatica da contatto. Questi ultimi aspetti sono fondamentali nella progettazione di una vasta gamma di organi meccanici, come ad esempio ruote dentate, alberi a gomiti, valvole, cuscinetti ecc. Diversi studi, recentemente, hanno mostrato come i componenti rivestiti con film sottili duri, in particolare depositati con tecnica PVD (Physical Vapor Deposition), presentino un incremento della resistenza a fatica rispetto al metallo base. Tale effetto é principalmente imputabile al campo di tensioni residue indotto dal processo di deposizione, che genera sforzi di compressione in superficie, i quali contribuiscono a bloccare o ridurre sensibilmente la propagazione per fatica dei difetti presenti nel materiale. L’obiettivo di questa ricerca é stato quello di indagare l’effetto di tali rivestimenti sia sulla fatica sia sulla fatica da contatto di provini e componenti meccanici. Con l’ausilio di avanzati codici di calcolo ad elementi finiti, sono stati sviluppati modelli teorico-numerici per prevedere la nucleazione e la propagazione a fatica di difetti nel materiale. Sono state condotte, inoltre, prove a flessione rotante su provini e sono stati progettati e realizzati dispositivi per condurre test di fatica da contatto su componenti in piena scala. In particolare sono state studiate, sia dal punto di vista teorico-numerico sia per via sperimentale, le ruote dentate del cambio impiegato sul modello di motocicletta Ducati 1098R che ha partecipato ai recenti campionati mondiali SuperBike.