Alessandro Morri

Le principali linee di ricerca riguardano:

• L'effetto di processi di deformazione plastica e di saldatura sulla microstruttura e proprietà meccaniche dei compositi a matrice metallica rinforzati con particelle
• La definizione di relazioni fra la microstruttura e le proprietà meccaniche di leghe di alluminio da fonderia
• Comportamento delle leghe di alluminio ad alta temperatura
• La tenacità a frattura delle leghe di titanio

EFFETTO DI PROCESSI DI DEFORMAZIONE PLASTICA E DI SALDATURA SULLA MICROSTRUTTURA E PROPRIETÀ MECCANICHE DEI COMPOSITI A MATRICE METALLICA RINFORZATI CON PARTICELLE.

I compositi a matrice metallica rinforzati con particelle (MMC) sono materiali molto attrattivi per la loro rigidezza, stabilità in temperatura ed elevata resistenza a usura rispetto alle leghe non rinforzate. Attualmente, però, questa classe di materiale non ha raggiunto una elevata diffusione, a causa delle difficoltà riscontrate a produrre componenti attraverso deformazione plastica o saldatura.

Le attività svolte si sono focalizzate su:

1. Valutazione dell'influenza della microstruttura su proprietà statiche e dinamiche di MMC a base alluminio
2. Comprensione degli effetti della deformazione superplastica e della forgiatura sulla microstruttura dei MMC a base alluminio

• (iii)Studio di nuove tecniche di saldatura per attrito, Friction Stri Welding (FSW) e Linear Friction Welding (LFW), e loro applicabilità ai MMC

  Gli studi concernenti la microstruttura e le proprietà meccaniche hanno evidenziato che:

• I MMC garantiscono un modulo elastico e resistenza a trazione superiore rispetto alle leghe non rinforzate, sia a temperatura ambiente sia ad alta temperatura, ma una minore duttilità. Questa è, infatti, fortemente influenzata dalla disomogeneità del materiale
• I meccanismi di frattura sono legati a: dimensione, forma e distribuzione del rinforzo. A temperatura ambiente la frattura del rinforzo avviene in corrispondenza di particelle di grosse dimensioni o zone con addensamenti di rinforzo, mentre ad alte temperature (150-200°C) si assiste principalmente a rotture caratterizzate da cedimento della matrice o decoesione fra matrice e rinforzo.

• La frattura delle particelle può essere responsabile dell'addolcimento del materiale durante sollecitazioni cicliche.

  I risultati delle ricerche sui compositi deformati per forgiatura o in maniera superplastica hanno evidenziato che:

• I MMC possono essere deformati superplasticamente solo se la matrice ha un grano estremamente fine

• La presenza di fase liquida, all'interfaccia matrice-rinforzo e/o al bordo dei grani, potrebbe giocare un importante ruolo come meccanismo di accomodamento per lo scorrimento dei bordi di grano, che si osserva durante la deformazione superplastica
• La presenza di rinforzo aumenta la tendenza alla cavitazione durante deformazione superplastica
• La forgiatura a caldo, eseguita con bassa velocità di deformazione, non danneggia il rinforzo e non ne migliora la distribuzione, ma permette una riduzione delle porosità del materiale e delle dimensioni del grano. Inoltre il flusso plastico del materiale orienta gli intermetallici presenti nella matrice e li frattura, favorendone la dissoluzione durante eventuali trattamenti di solubilizzazione

• La forgiatura induce un aumento della resistenza a trazione del MMC sia a temperatura ambiente sia ad alta temperatura.

  Gli studi concernenti le saldature per attrito allo stato solido hanno mostrato come:

• FSW e LFW siano processi di giunzione che possono essere applicati con successo ai MMC. Un vantaggio del processo LFW rispetto al FSW è l'assenza dell'utensile, soggetto a forte usura, mentre un suo limite è il fatto di poter essere applicato solo su superfici piane

• FSW induca una riduzione delle dimensioni dei grani e una comminuzione delle particelle nella zona di giunzione. Queste modifiche microstrutturali sono dovute all'effetto abrasivo dell'utensile sul rinforzo e a fenomeni di ricristallizzazione dinamica indotti dalla deformazione plastica e dalla temperatura raggiunta durante la saldatura
• I giunti saldati con tecnica FSW, senza trattamento termico e finitura superficiale, mostrano, rispetto al materiale base, un'elevata efficienza sia a trazione sia a fatica ed addirittura un aumento della resilienza
• La saldatura LFW induce lo sviluppo di una microstruttura ultra-fine e un'uniforme distribuzione delle particelle di rinforzo nella zona centrale, mentre nella zona influenzata da un punto di vista termo-meccanico è chiara la presenza di bande di scorrimento del materiale. Non sono stati osservati, invece, effetti sulla dimensione e forma delle particelle

• L'efficienza a trazione, fatica e impatto dei giunti ottenuti con LFW, senza trattamento termico, è comparabile a quella dei giunti ottenuti per FSW.

DEFINIZIONE DI RELAZIONI FRA LA MICROSTRUTTURA E LE PROPRIETÀ MECCANICHE DI LEGHE DI ALLUMINIO DA FONDERIA

Le leghe Al-Si da fonderia sono ampiamente utilizzate nel campo dei trasporti, per la loro eccellente colabilità, elevato rapporto resistenza/densità, resistenza alla corrosione. Le proprietà meccaniche dei componenti prodotti sono però fortemente dipendenti dalla microstruttura locale del getto, che è direttamente correlata alla composizione chimica della lega ed alle condizioni di solidificazione.

Gli studi effettuati su leghe Al-Si-Mg e Al-Si-Cu sono stati incentrati sulla valutazione delle relazioni esistenti fra i parametri di colata, microstruttura e proprietà meccaniche. Lo scopo è stato lo sviluppo di equazioni sperimentali in grado di fornire, con sufficiente approssimazione, i valori locali di resistenza a trazione e fatica di getti complessi sulla base solo di parametri microstrutturali. Queste equazioni renderebbero possibile fornire ai progettisti dati di resistenza locale, ottenuti durante la simulazione di processo dei getti.

Le attività di ricerca sulle leghe Al-Si-Mg con basso contenuto di Fe hanno evidenziato che:

• La resistenza a trazione è influenza principalmente dalla durezza del materiale raggiunta in seguito a trattamento termico

• La duttilità e resistenza a fatica del materiale è fortemente influenzata dalla porosità (sia da gas sia da ritiro) presente nel getto

• Gli effetti dello SDAS, dimensione e forma del Si eutettico e degli intermetallici a base ferro, su: duttilità, resistenza a trazione e a fatica, sono apprezzabili solo quando la porosità presente è trascurabile.

  Nelle leghe Al-Si-Cu, con differenti contenuti di Fe e Mn è stato osservato che:

• Al crescere del contenuto di Fe e Mn si assiste a un leggero incremento della tensione di snervamento

• Durante la deformazione plastica le cricche si sviluppano lungo i precipitati aghiformi b-Al5FeSi, ma anche i precipitati a-Al15(Fe,Mn)3Si 2 e p-Al8Mg3FeSi, per la loro forma e dimensione, possono favorire sia la formazione sia la propagazione delle cricche, riducendo la duttilità del materiale
• Gli intermetallici a base ferro di grossa dimensione favoriscono la formazione di cricche da fatica. Elevati contenuti di Fe e Mn riducono, di conseguenza, la resistenza a fatica del materiale. In provini con pori, che agiscono da innesco della cricca, la presenza d'intermetallici riduce la velocità di propagazione della cricca stessa ed aumenta la vita a fatica del materiale, poiché determinano un aumento della tensione di snervamento e rappresentano un ostacolo alla propagazione della cricca

• Nella fatica a basso numero di cicli, quando la vita a fatica dipende fortemente dalla propagazione di micro-cricche, gli intermetallici di ferro riducono la loro velocità di propagazione inducendone una ramificazione.

  Ad oggi è stato possibile sviluppare relazioni fra:

• I principali aspetti microstrutturale, la durezza e le proprietà a trazione
• Il volume di pori presenti nel materiale, e la frazione di superficie di frattura di provini di fatica occupata da pori.

COMPORTAMENTO DELLE LEGHE DI ALLUMINIO AD ALTA TEMPERATURA.

Negli ultimi anni, al fine di ridurre le emissioni inquinanti e i consumi, i motori stanno subendo un “downsizing” che determina un incremento delle temperature di funzionamento dei suoi componenti e quindi un aumento degli stress termo-meccanici a cui sono sottoposti.

Purtroppo le proprietà meccaniche delle leghe di alluminio trattabili termicamente, utilizzate in ambito motoristico, sono negativamente influenzate da una prolungata esposizione a temperature superiori a 200°C. Tali temperature determinano, infatti, un ingrossamento dei precipitati di rinforzo ottenuti durante il trattamento termico. La necessità di leghe più stabili alle alte temperature sta quindi spingendo i progettisti a ricercare leghe alternative a quelle fino ad ora utilizzate.

Le attività di ricerca svolte hanno riguardato:

1. la caratterizzazione microstrutturale e meccanica a temperatura ambiente e alta temperatura di leghe utilizzate nel settore motoristico per valutare l’influenza dei fattori microstrutturali sul loro comportamento meccanico,

1. lo sviluppo di leghe innovative con elevata resistenza in temperatura, ottenute dalle precedenti leghe attraverso l’aggiunta di elementi quali Zr, Er o Mo.

   La prima attività ha preso in considerazione sia leghe da fonderia Al-Si-Mg e Al-Si-Cu-Mg (A356, A357, A354, C355), sia da deformazione plastica (AA2618 e AA4032).

   I risultati della sperimentazione sulle leghe da fonderia hanno permesso di evidenziare come:

• Lo SDAS non abbia influenza sostanziale sul comportamento meccanico ad alta temperature delle leghe, mentre influisca sul loro comportamento a temperatura ambiente
• La presenza di intermetallici contenenti Fe induca una sensibile riduzione dell’allungamento a rottura e della resistenza a fatica sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura

• La maggiore stabilità in temperatura delle leghe Al-Si-Cu-Mg rispetto alle leghe Al-Si-Mg sia principalmente legata alla formazione di precipitati quaternari AlCuMgSi (fase Q)

  Gli studi sulle leghe da deformazione plastica hanno permesso di definire correlazioni fra temperatura, tempi di degrado e proprietà meccaniche. In particolare sono state sviluppate correlazioni fra durezza dopo degrado e resistenza a trazione e comportamento plastico delle leghe. La caratterizzazione in microscopia ottica ed elettronica in trasmissione, infine, ha permesso di osservare l’evoluzione della microstruttura durante il degrado.

  La seconda attività ha riguardato invece la lega A356 modificata con Er e Zr e la lega A354 modificata con Mo.

  L’aggiunta di Er alla lega A356 determina una modifica del silicio eutettico e la formazione sia d’intermetallici che di precipitati contenenti Er con conseguente:

• aumento della resistenza meccanica ad alta temperatura e riduzione della duttilità del materiale

• riduzione della colabilità della lega.

  L’aggiunta anche di Zr determina un affinamento microstrutturale e, per le più alte quantità di Zr, anche una modifica della morfologia delle dendriti che tendono ad assumere un aspetto globulare. Per quanto riguarda le proprietà tensili queste tendono ad aumentare, sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura, mentre l’allungamento a rottura diminuisce, eccezion fatta per i campioni con una microstruttura di tipo globulare.

  L’aggiunta di Mo alla lega A354, invece, ha determinato un incremento della resistenza meccanica a temperatura ambiente, mentre dopo degrado il comportamento alle alte temperature della lega con Mo non è sostanzialmente diverso da quello della lega non modificata. Da un punto di vista microstrutturale il Mo riduce l’efficacia dello Sr come modificante e previene la formazione d’intermetallici aciculari a base Fe (intermetallici beta).

TENACITÀ A FRATTURA DELLE LEGHE DI TITANIO

Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate in campo aerospaziale per la loro elevata resistenza specifica sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura.

L'attività di ricerca ha riguardato in particolare gli effetti della microstruttura, del contenuto d'idrogeno e di processi di saldatura sulla resilienza, il KIC e DK th, delle leghe a+b.

I risultati della ricerca hanno evidenziato che:

• La microstruttura bimodale garantisce il miglio compromesso fra resistenza meccanica e tenacità, mentre, come atteso, la presenza d'idrogeno ha effetti negativi sulle leghe indipendentemente dalla microstruttura

• La tecnica di saldatura “magnetically impelled-arc narrow-gap GTA” permette di ottenere giunti con elevate caratteristiche meccaniche, anche se la presenza di martensite e microcricche ne riduce la tenacità

I dati raccolti hanno permesso di sviluppare relazioni sperimentali in grado di determinare il valore di KIC dai dati ottenibili da una prova di resilienza Charpy strumentata.