METALLURGIA [A003913] 

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Descrizione dettagliata dei temi di ricerca

Ha svolto in maniera continuativa attività di ricerca nel settore della Metallurgia. Sono stati intrapresi studi su diverse tematiche utilizzando un approccio che correlasse le proprietà Fisiche, Chimiche e Microstrutturali al Comportamento Meccanico dei materiali metallici. L’attività si è sviluppata principalmente nelle seguenti direzioni:

Produzione e caratterizzazione di ricoprimenti superficiali di componenti metallici

Tale campo di ricerca ha previsto l’analisi approfondita dei trattamenti termochimici di diffusione (cementazione, nitrurazione, borurazione) finalizzati all’indurimento superficiale degli acciai [3, 5, 7, 19]. La campagna di studi ha previsto numerose condizioni sperimentali relative alla produzione dei ricoprimenti quali temperature, tempi di trattamento, composizione delle atmosfere indurenti. L’efficacia di tali trattamenti è stata valutata attraverso la caratterizzazione della qualità dei ricoprimenti in termini di composizione chimica, resistenza meccanica, presenza di tensioni residue. La validazione dei risultati, relativi all’ottimizzazione dei processi analizzati, è stata effettuata mediante modellazione numerica agli elementi finiti.

Ulteriore capitolo di tale campo di studio è stato rappresentato dalla produzione e caratterizzazione di ricoprimenti superficiali mediante tecnologia “Cold spray” [1-2, 4, 6, 8-10]. Tale attività ha visto la realizzazione di ricoprimenti superficiali ottenuti accoppiando differenti tipologie di substrato e particelle di ricoprimento. Interessante aspetto trattato è stato quello della realizzazione di ricoprimenti nanocompositi metallo-ceramica finalizzati alla resistenza all’usura dei componenti realizzati. In generale, la ricerca in questo campo, è stata volta a studiare e definire i meccanismi deformativi in atto durante la deposizione. Meccanismi che sono propedeutici alla formazione di ben precise proprietà microstrutturali dei materiali deposti con conseguenti forti variazioni delle proprietà meccaniche dei ricoprimenti in termini di durezza, adesione e resistenza a fatica.

Ottimizzazione di processi Siderurgici

Tale campo di ricerca ha visto il gruppo di ricerca impegnato in una vasta campagna di rilevazione delle condizioni di marcia di impianti per la produzione primaria di leghe ferrose (Sintering, altoforno) in funzione delle emissioni nocive in atmosfera dei processi industriali (Diossine, CO2). Si sono rilevate le condizioni di marcia in funzione delle emissioni nocive per un ampio arco temporale in modo tale da poter effettuare un’ analisi di ottimizzazione multi-obiettivo che permettesse di ridurre le emissioni al di sotto dei limiti imposti dalla legislazione vigente compatibilmente con un’ accettabile livello di produttività degli impianti stessi [11-13].     

Studio del comportamento meccanico e microstrutturale di leghe metalliche nanocristalline

In tale ambito di studio si sono analizzate le proprieta’ microstrutturali di leghe metalliche a base di Nichel (Ni-P, Ni-W) prodotte per elettrodeposizione e di leghe di alluminio (Al-Mg, Al-Fe, Al-Mg-Fe) prodotte per cryogenic ball milling e successiva estrusione  oppure per equal-channel angular pressing [18, 25, 28, 37]. Si sono valutate le proprieta’ meccaniche di tali materiali mediante prove di trazione e nanoindentazione strumentata a temperatura ambiente per valutare a fondo la pronunciata sensibilita’ alla velocita’ di deformazione di tali materiali al diminuire delle dimensioni medie dei grani. Le proprieta’ dinamiche sono state studiate mediante prove di fatica in diversi regimi di carico e sollecitazione. Si e’ valutato inoltre la suscettibilita’ alla nucleazione e propagazione delle cricche di fatica mettendo in evidenza le rilevanti differenze con le corrispondenti leghe commerciali [16]. Essendo la caratteristica prevalente, in tale ambito, quella di rallentare la nucleazione delle cricche e velocizzare la loro propagazione al diminuire la dimensione media dei grani, sono in studio leghe metalliche a base di alluminio e di nichel che presentano dimensioni medie dei grani crescenti dalla superficie al cuore dei provini realizzati. Su tali materiali si sono effettuate misure di nanindentazione strumentata e comportamento a strisciamento mediante gli stessi indenter (sferici e conici) di varie sezioni che presentano caratteristiche plastiche variabili in funzione delle dimensioni medie dei grani. Per meglio definire il comportamento di tali materiali si sono effettuate misure di nanoindentazione ciclica a carico variabile e a velocità d’indentazione variabile per definire la sensibilità alla velocità di deformazione, l’incrudimento e la risposta dinamica molto simile a sollecitazione di fatica.

Lo studio dei materiali nano strutturati ha interessato anche le problematiche di attrito su nanoscala valutando la validità dei modelli presenti in letteratura su scale dimensionali estremamente ridotte [14].

Metodologie numeriche per la simulazione del comportamento meccanico dei materiali metallici e dei processi industriali

In tale ambito si sono sviluppati modelli previsionali relativi alla propagazione di cricche in materiali metallici nano cristallini utilizzando software commerciali [26]. In particolare la ricerca ha riguardato lo studio di materiali con dimensioni medie dei grani e proprieta’ meccaniche variabili linearmente nella direzione ortogonale di propagazione delle cricche al fine di valutare l’ottimizzazione progettuale di ricoprimenti superficiali ad alta resistenza.

Nell’ambito dell’applicazione di tecniche numeriche si sono sviluppati modelli analitici da implementare mediante software agli elementi finiti per la realizzazione di “pacchetti di calcolo” da interfacciare con codici commerciali per la simulazione di trattamenti termici, trattamenti termochimici di diffusione e processi di saldatura industriale (ABAQUS, LS-DYNA, ANSYS) [15, 21]. L’utilizzo di tecniche di simulazione numerica ha riguardato inoltre l’analisi di tecnologie industriali quali saldature innovative. 

Studio del comportamento meccanico e microstrutturale di leghe di alluminio e compositi a matrice di alluminio saldate per Friction Stir Welding

In tale ambito di studio si sono analizzati gli effetti del processo di saldatura allo stato solido Friction Stir Welding (FSW) sulle modificazioni microstrutturali dei materiali analizzati in funzione delle conseguenti proprietà a trazione e fatica [17, 20, 24, 38, 47]. Particolare attenzione è stata posta sulla correlazione tra le proprietà meccaniche e l’ingente affinamento della struttura dei grani susseguente al processo di saldatura.nel caso specifico dei compositi a matrice di alluminio rinforzati con particelle ceramiche si è posta notevole attenzione all’accentuato effetto affinante delle particelle fratturate durante la lavorazione giungendo alla definizione delle eccellenti qualità meccaniche (carico di snervamento, rottura, allungamento a rottura, proprietà superplastiche) del materiale dei cordoni ottenuti rispetto ai materiali compositi di partenza [27, 29-30, 46, 50, 54].

Si è largamente studiata la evoluzione microstrutturale legata alle sollecitazioni dinamiche (fatica) con particolare attenzione ai meccanismi di frattura coinvolti, particolare attenzione è stata posta nella valutazione delle problematiche di giunzione di leghe dissimili e nei conseguenti fenomeni meccanici e microstrutturali coinvolti [22-23, 40, 42, 48].

Studio di materiali dalle caratteristiche superplastiche

Altre attività hanno riguardato lo studio delle problematiche legate alla deformazione superplastica delle leghe leggere e della produzione di materiali micro e nanocristallini per applicazioni superplastiche, alle cinetiche di precipitazione e alla stabilità delle strutture cristalline [31, 35, 36, 44, 51, 65]. Si è studiata la risposta meccanica di leghe di alluminio nanostrutturate ottenute per deformazione plastica severa e si sono analizzate le modificazioni in atto durante la fase di produzione con particolare attenzione nei confronti delle cinetiche di precipitazione in atto durante le ingenti deformazioni a cui tali materiali vengono sottoposti.

Modelli di previsione del danneggiamento e loro applicazione

Sono stati studiati modelli di previsione del danneggiamento, indotto dalla deformazione plastica, relativi a materiali fragili come i compositi a matrice metallica (CMM) sviluppati per applicazioni richiedenti elevati valori di resistenza meccanica, rigidezza e basso peso [45, 53, 55-57, 59, 60-62, 64]. Tali materiali, a causa della intrinseca disomogeneità derivante dalla presenza, in una matrice soffice e duttile, di una fase di rinforzo dura e fragile, presentano una deformazione plastica localizzata prevalentemente all’interfaccia matrice-rinforzo. Gli stati tensionali conseguenti possono comportare la decoesione dell’interfaccia e/o la rottura della fase di rinforzo con formazione di microcavità che producono un decadimento delle proprietà meccaniche.

Per definire le condizioni di processo che consentono di evitare o ridurre al minimo i fenomeni di danneggiamento predetti, è stato condotto uno studio approfondito relativo all’influenza dei parametri di lavorazione sulla formabilità a caldo dei CMM [33]. Esso ha consentito di mettere a punto un modello di previsione del danneggiamento che utilizza le mappe di lavorazione e di stabilità e un criterio basato sulla velocità di deformazione critica basato sul modello dinamico dei materiali. In particolare, le mappe di lavorazione e di stabilità, ottenute con una modellazione dinamica dei materiali che considera il sistema di formatura plastica come un manipolatore di energia, hanno permesso di stabilire le finestre di temperatura e velocità di deformazione entro le quali i processi di recupero dinamico delle proprietà del materiale sono più efficaci e la probabilità di insorgenza di fenomeni di danneggiamento è minima. Tali finestre sono state trasformate, mediante analisi FEM, in parametri di lavorazione (velocità dello stampo, temperature dello stampo e del pezzo). L’implementazione nel codice FEM di un modello di danneggiamento basato sulla velocità di deformazione critica, che tiene conto anche degli stati tensionali e deformativi che si sviluppano durante la lavorazione, ha permesso di verificare l’assenza o meno del danneggiamento. Il modello appena descritto è stato verificato confrontando le previsioni numeriche con i livelli di danneggiamento misurati sperimentalmente su un componente aereonautico in CMM ottenuto mediante stampaggio a caldo. Le problematiche sono state affrontate con particolare attenzione sui parametri deformativi dei materiali metallici e sui seguenti fenomeni di ricristallizzazione e precipitazione di seconde fasi mediante tecniche di microscopia ottica ed elettronica.

Un altro approccio seguito è stato quello di prevedere il danneggiamento mediante reti neurali artificiali. In questo caso, le misure sperimentali di danneggiamento sono state associate ai corrispondenti stati tensionali e deformativi, oltre che alle temperature, previsti mediante simulazioni FEM. Il confronto tra i risultati previsti e quelli misurati ha dimostrato la validità dell’approccio.

Studio del comportamento meccanico e microstrutturale dei materiali metallici soggetti a sollecitazione di fatica

Si è studiato il comportamento a fatica di diverse leghe di alluminio con particolare attenzione all’effetto dei trattamenti termici e l’aggiunta di particolari elementi di lega sulla resistenza meccanica e sulla vita a fatica in regime di basso ed elevato numero di cicli [39, 41]. L’ effetto della microstruttura sui fenomeni di crescita e propagazione delle cricche è stato valutato attraverso la dettagliata osservazione delle superfici di frattura mediante microscopio ottico in scansione equipaggiato con cannone ad emissione di campo permettendo livelli di risoluzione molto elevati. In tale ambito si sono studiati gli effetti dell’aggiunta di elementi di lega affinanti sulle proprietà a fatica con particolare attenzione alle differenze rispetto al comportamento delle leghe commerciali non modificate; in tale contesto attenzione è stata posta all’evoluzione dei micro-fenomeni in atto durante la sollecitazione dinamica riscontrando notevoli differenze e nuove potenzialità scientifiche ed applicative di leghe d’alluminio modificate con affinanti di grano. In particolare si sono studiati i fenomeni di innesco e propagazione del danneggiamento dei materiali analizzati correlando tali fenomeni con le variazioni microstrutturali dovute all’ingente affinamento strutturale ottenuto dall’aggiunta di particolari elementi di lega e dal trattamento termo-meccanico imposto.

Modelli costitutivi e loro applicazione

Gli obiettivi principali di questa attività erano, da una parte, il miglioramento delle conoscenze sulla meccanica di deformazione relativamente a lavorazioni plastiche su materiali innovativi e dall’altra, la necessità di ottimizzare le condizioni di lavorazione. A tal fine, è stata studiata l’influenza dei parametri di processo quali temperature, velocità, condizioni di lubrificazione, finiture superficiali e trattamenti termici che precedono la lavorazione, sulla direzione del flusso plastico, sulle forze di formatura, sulla geometria del prodotto finale, sul danneggiamento, sull’evoluzione dei parametri microstrutturali dei materiali studiati . L’approccio seguito è stato quello di ricavare il maggior numero possibile di modelli ed informazioni da implementare nei codici FEM e di verificare sperimentalmente il limite di validità delle previsioni.

Le equazioni costitutive, descriventi la tensione di flusso plastico in funzione dei parametri di deformazione, e le finestre di deformazione, velocità di deformazione e temperatura entro le quali il processo di formatura può essere realizzato, sono state ricavate mediante studi di formabilità plastica a caldo [52]. La formabilità, costituendo l'interfaccia tra il comportamento alla deformazione ed i parametri di lavorazione, riveste notevole importanza poiché la sua conoscenza risulta fondamentale nella scelta delle condizioni di lavorazione più idonee a preservare l'integrità strutturale del materiale e ad incrementare la produttività. Tali studi sono stati condotti su diverse leghe di alluminio di interesse industriale quali la lega AA 6082 prodotta per tixoformatura e la lega AA2618, superleghe di Nichel da deformazione plastica (Nimonic 115), compositi in situ a matrice di titanio per impieghi strutturali in campo aeronautico, utilizzando un approccio basato sulla modellazione meccanica del materiale, particolare attenzione è stata posta nella valutazione degli effetti dei trattamenti termici sui parametri microstrutturali e sui parametri deformativi [43]. In particolare, l’analisi dell’energia di attivazione ha permesso di definire i meccanismi di deformazione attivi nelle condizioni di prova e quindi le finestre dei parametri di deformazione più idonee in termini di proprietà intrinseche del materiale. Il legame tra tensione di flusso, deformazione, velocità di deformazione e temperatura è stato valutato seguendo un approccio fenomenologico che ha permesso di sviluppare una procedura di carattere generale per prevedere il comportamento alla deformazione senza scegliere a priori quali meccanismi di ripristino delle proprietà operino durante il processo.

Lo studio è stato approfondito attraverso numerose prove sperimentali sulla deformabilità a caldo dei materiali compositi a matrice metallica. La procedura seguita per verificare i modelli costitutivi è stata quella di implementarli in codici FEM per la simulazione di lavorazioni per deformazione plastica e di confrontare i risultati ottenuti con quelli relativi ad esperimenti di laboratorio eseguiti nelle stesse condizioni delle simulazioni. Lo studio è stato focalizzato sulle tecniche di stampaggio innovative (condizioni isoterme) per la realizzazione di stampi per materiali compositi a matrice metallica net-shape per l’eliminazione delle successive lavorazioni alle macchine utensili, difficili in presenza di rinforzi ceramici. Il confronto, in termini di forze di lavorazione e di direzione del flusso plastico, tra previsioni FEM e risultati sperimentali ha evidenziato un eccellente accordo, in particolare alle deformazioni più elevate; per piccole deformazioni, il legame costitutivo ottenuto dall’analisi dei risultati di prove di torsione non fornisce una descrizione molto precisa del reale comportamento alla deformazione, principalmente a causa dello stato transitorio che impedisce di descrivere accuratamente il flusso del materiale all’inizio della prova. D’altre parte la prova di torsione permette di caratterizzare il flusso plastico del materiale in intervalli di deformazione molto più estesi rispetto a quelli delle prove di trazione e di compressione e confrontabili con quelli delle lavorazioni a caldo.

Studio di leghe di Magnesio e Alluminio Tixoformate

Nell’ambito di tali studi si sono analizzate diverse leghe leggere a base di Magnesio e alluminio (AZ91, A319, A356, Compositi a matrice metallica). La finalità è stata quella di caratterizzare tali materiali, mediante tecniche di microscopia ottica ed elettronica, dal punto di vista delle trasformazioni metallurgiche conseguenti ai trattamenti termici effettuati. In conseguenza dei trattamenti termici effettuati si sono valutate le caratteristiche di resistenza meccanica mediante prove di trazione nelle diverse condizioni di trattamento termico analizzate [49, 58, 66-68].

Studi di lavorazioni per deformazione plastica di materiali metallici  di interesse ingegneristico

Nell’ambito dello studio della deformazione a caldo dei materiali metallici sono stati a fondo studiate le scelte ottimali dei parametri di processo quali temperatura, sollecitazioni, deformazioni velocità di deformazione e il loro effetto sull’evoluzione microstrutturale; le relazioni costitutive sono state studiate in funzione dell’ottimizzazione dei processi deformativi in maniera tale da poter identificare i migliori domini tenso-deformativi in relazione ai meccanismi microstrutturali in atto [63].    Le lavorazioni per deformazione plastica sono state studiate seguendo l’approccio sistemico analizzando le relazioni tra le variabili di processo e l’effetto dei flussi plastici risultanti sulla microstruttura in evoluzione. Molta attenzione è stata dedicata alla comprensione e al controllo del flusso plastico del materiale in lavorazione attraverso l’analisi della direzione del flusso, degli stati tensionali e deformativi e delle distribuzioni di temperatura che, come noto, esercitano una notevole influenza sulle proprietà dei materiali metallici a fine lavorazione controllando i processi di formazione della microstruttura e dei difetti microstrutturali. Lo studio di tali grandezze è stato condotto utilizzando tecniche di simulazione basate sul metodo degli elementi finiti (FEM) e sulla parallela attività sperimentale attraverso prove simulative di laboratorio. L’efficacia di tali tecniche dipende fondamentalmente dalla precisione con la quale sono state ottenute le grandezze di input, in particolare le caratteristiche meccaniche del materiale e tribologiche alle interfacce. L’attività di ricerca si è svolta anche in tali direzioni toccando diversi aspetti tra quelli appena descritti. In particolare, sono state studiate operazioni di formatura plastica di pezzi massivi e di lamiere, a caldo e a freddo.

Lo studio della deformabilità a caldo dei materiali metallici  è stato inoltre focalizzato sulla risposta di leghe di magnesio di composizione commerciale con particolare attenzione all’aggiunta di elementi di lega tali da migliorare le caratteristiche meccaniche (creep, formabilità, duttilità a temperatura ambiente). In tale ambito l’effetto dei parametri deformativi (Temperatura, sollecitazione, velocità di deformazione) sono stati correlati con le modificazioni microstrutturali soprattutto in termini di ricristallizzazione in atto. Si sono inoltre studiate le proprietà di deformabilità a freddo di diversi materiali metallici con particolare attenzione alle leghe d’alluminio e alle lamiere in acciaio zincate.