Academic literature on the topic 'Frattografia'

Il presente elaborato di tesi ha lo scopo di fornire dati sulle cause e sulle modalità di frattura mediante l’esecuzione di una analisi frattografica su provini in lega d’alluminio, saldati caricati a fatica a trazione. Dopo un'introduzione allo studio della frattografia, applicazioni ingegneristiche, tecniche esecutive e distinzione fondamentale tra macrofrattografia e microfrattografia, e al fenomeno dell’affaticamento su componenti saldati, i fattori che influiscono ed alcuni risultati riscontrati in bibliografia, ci si concentra sul problema oggetto dello studio: il metodo di esame, le attrezzature e gli strumenti di misura, la frattografia delle superfici, documentata con immagini e dati prestazionali. Vengono correlate le prestazioni dei provini in esame secondo lo standard UNI EN 1999-1-3,2011 con lo stato superficiale interno ed esterno della frattura e come influiscono le discontinuità con l’integrità dei campioni. La giunzione mediante saldatura risulta un metodo non del tutto controllabile e ripetibile; metodi come l’analisi frattografica permettono di garantire e migliorare la progettazione e la sicurezza di componenti meccanici soggetti a fatica.

L'elaborato tratta, inizialmente, lo stato dell'arte dell'indagine frattografica, le modalità di analisi e di cura dei componenti fratturati, le principali modalità di frattura delle leghe metalliche. La seconda parte è dedicata all'analisi di superfici di frattura di provini saldati e sottoposti a fatica flessionale. Vengono, in primo luogo, descritti i processi tecnologici subiti dai provini, con lo scopo di relazionarli con quanto osservato sulle superfici; viene poi riportata la modalità di realizzazione del database frattografico con opportuni esempi, dopodichè l'analisi frattografica vede dapprima lo studio della posizione e della direzione della frattura e di seguito l'analisi dettagliata delle superfici di frattura.

L’obiettivo principale di questo studio è caratterizzare dei provini, prodotti mediante additive manufacturing, con il metodo DMLS (direct metal laser sintering), a fatica mediante prove di flessione rotante. I provini sono realizzati in Maraging steel, le cui caratteristiche meccaniche e composizione sono di seguito enunciate. I dati sperimentali ottenuti dalle prove vengono poi elaborati tramite la normativa ISO 12107-2012, per trovare la curva di fatica S-N, sia usando un’interpolazione lineare, che una quadratica, per confrontarle in modo da identificare quale metodologia approssima meglio i dati. E' inoltre utilizzata la normativa Dixon tramite uno stair-caise per trovare la tensione limite di fatica. Un altro aspetto rilevante di questo elaborato è quello di analizzare il processo produttivo dei provini per capire quali sono i principali parametri che influenzano l’additive manufacturing e che conseguenze hanno sulla vita a fatica dei componenti realizzati. Per questo studio sono stati utilizzati tre set di provini (ogni set ha numerosità pari a 12) numerati dal 20 al 22. I set vengono trattati termicamente, lavorati alle macchine utensili, pallinati e sono analizzati nel dettaglio i processi appena citati. Legato a questi studi c’è il tentativo di trovare una correlazione tra la posizione di realizzazione dei provini in camera e la vita a fatica. Infine si esegue un’analisi frattografica per capire meglio i meccanismi di innesco e propagazione delle cricche per fatica.

L’avvento dell’Additive Manufacturing e la sua sempre maggiore flessibilità, resa possibile dallo sviluppo tecnologico, sta suscitando l’interesse dei progettisti i quali sempre più spesso ne considerano l’impiego per la realizzazione di componenti particolarmente complessi e/o difficilmente ottenibili tramite tecnologie tradizionali di asportazione di truciolo. Oltre ai componenti sottoposti a carichi statici, il cui comportamento è valutabile tramite FEM (Finite Element Method), è ricorsivo l’impiego di membri meccanici in regimi di tensione alterna che ne comportano un carico a fatica; la valutabilità di tutti i fattori in gioco risulta dunque fondamentale per la realizzazione di componenti opportunamente dimensionati e capaci di lavorare in condizioni più specifiche e gravose. In particolare, l’interesse dell’elaborato è rivolto verso l’impatto di rugosità superficiale e trattamento termico sul comportamento a fatica del materiale, considerando provini cilindrici a sezione variabile realizzati in acciaio inossidabile PH1 e sottoposti a flessione rotante. L’analisi di ciascun provino ne comprende la rilevazione di caratteristiche geometriche e costruttive, nonché l’osservazione dei provini giunti a rottura per comprendere cause ed effetti di quest’ultima. Per ultima si esegue l’elaborazione dei dati ottenuti in seguito alla prova di fatica ed ottenimento delle relative curve di fatica a seguito di opportune valutazioni statistiche.

Il Selective Laser Melting è un processo di additive manufacturing che consiste nella realizzazione di componenti metallici tridimensionali, sovrapponendo strati di polvere, che viene via via fusa mediante una sorgente controllata di energia (laser). È una tecnica produttiva che viene utilizzata da più di 20 anni ma solo ora sta assumendo un ruolo rilevante nell’industria. È un processo versatile ma complesso che ad oggi permette di processare solo un numero limitato di leghe. Il presente lavoro di tesi riguarda in particolare lo studio, dal punto di vista microstrutturale, di componenti in acciaio inossidabile austenitico AISI-316L processato mediante Selective Laser Melting, attività svolta in collaborazione con il Gruppo di Tecnologia – Laser del Dipartimento di Ingegneria Industriale. Alla base dell’attività sperimentale è stata svolta anche un’ampia ricerca bibliografica per chiarire lo stato dell’arte sul processo e sulla lega in questione, la microstruttura, i difetti, le proprietà meccaniche e l’effetto dei parametri di processo sul componente finito. Le attività sperimentali hanno previsto una prima fase di caratterizzazione delle polveri di 316L, successivamente la caratterizzazione dei campioni prodotti tramite selective laser melting, in termini di microstruttura e difetti correlati al processo. Le analisi hanno rivelato la presenza di una microstruttura “gerarchica” costituita da melt pool, grani e celle submicrometriche. I difetti rinvenuti sono pori, delaminazione degli strati, particelle di polvere non fuse. Infine è stata eseguita la caratterizzazione frattografica dei campioni sottoposti a prove di trazione e di fatica a flessione rotante (attività condotte dal gruppo Laser) per identificare la morfologia di frattura e i siti di innesco della cricca di fatica.

L’acciaio inossidabile martensitico AISI 420 viene impiegato per la realizzazione di stampi per la formatura di materie plastiche grazie alle sue elevate proprietà di resistenza all'usura e stabilità dimensionale. Esse sono funzione del trattamento termico che esso subisce e che può compromettere proprietà meccaniche e corrosive tipiche di questo acciaio. Il presente studio prende avvio proprio da queste considerazioni e dagli esiti di alcune failure analysis su stampi per bottiglie in PET, in cui sono state evidenziate rotture per fatica innescate da pitting corrosivo con propagazione intergranulare. Nell’ambito della sperimentazione riportata si è cercato di ottimizzare il trattamento termico di bonifica in modo da massimizzare resistenza a corrosione, a fatica e resilienza pur garantendo una sufficiente stabilità dimensionale. A seguito di un approfondimento bibliografico, si è definita una microstruttura obiettivo caratterizzata dalla presenza di carburi M23C6 globulizzati ed uniformemente distribuiti nella matrice martensitica e si sono testate differenti condizioni di trattamento termico. L'esito della sperimentazione, che si è avvalsa di tecniche di microscopia ottica ed elettronica, ha indicato come trattamento ottimale quello costituito da una austenitizzazione di 30 minuti a 1020°C seguito da una tempra in azoto a 10 bar ed un ciclo di tre rinvenimenti a 250°C. La ridotta temperatura di austenitizzazione ha permesso la limitazione dei tenori di austenite residua mentre elevata velocità di raffreddamento impiegata e ridotte temperature di rinvenimento hanno permesso di evitare la precipitazione di carburi fini infragilenti e causa di sensibilizzazione. Sono state inoltre eseguite numerose analisi che hanno permesso di accertare una certa variabilità microstrutturale del materiale allo stato di fornitura evidenziando come la microstruttura di quest'ultimo sia fondamentale per ottenere l'esito desiderato dal trattamento termico.

Lo scopo del presente elaborato è valutare un eventuale effetto benefico della pallinatura sulla resistenza a fatica di due acciai prodotti per metallurgia delle polveri: il K890, prodotto da Böhler e l’ASP2005, prodotto da Erasteel. Quest’attività si inserisce in un progetto volto a valutare l’idoneità di tali acciai innovativi ad essere impiegati per la realizzazione di componenti motore di moto da corsa, quali alberi a camme, in sostituzione dell’acciaio da nitrurazione GKHW, prodotto da Aubert&Duval con processo ESR (Electro slag remelting). Lo studio è stato svolto a valle di una sperimentazione condotta su provini intagliati degli stessi acciai e ha previsto: prove di fatica a flessione rotante, prove di trazione, prove di durezza, misura di tensioni residue, analisi microstrutturali e frattografiche. Sono stati testati provini in ASP2005, con durezza pari a 869 HV e in K890 di due diverse durezze, pari a 752 e 821 HV, tutti intagliati e pallinati. Entrambi i materiali hanno mostrato un effetto benefico della pallinatura sul comportamento a fatica; i risultati ottenuti sono stati impiegati al fine di valutare l’applicabilità di relazioni empiriche per la stima del coefficiente di concentrazione a fatica delle tensioni e della sensibilità all’intaglio di acciai ultra-alto resistenziali. È stato dimostrato che le relazioni tradizionali sovrastimano l’effetto dannoso dell’intaglio per questo tipo di acciaio nella condizione pallinata. È stato, inoltre, condotto uno studio per la modellazione del comportamento a fatica di provini intagliati con un coefficiente di concentrazioni delle tensione Kt=3 e in un secondo momento si è tentato di estendere il modello anche a provini con un Kt compreso fra 1 e 3. Queste analisi sperimentali sono precedute da un inquadramento generale delle funzioni e dei requisiti di un albero di distribuzione in ambito racing e da una trattazione circa i meccanismi di rottura per fatica in acciai ultra-alto resistenziali.