Analisi del comportamento a caldo dell'acciaio AISI - H11 per la stima della vita utile di matrici per estrusione

The effect of process parameters on the creep-fatigue behavior of a hot-work tool steel for aluminum extrusion die was investigated through a technological test in which the specimen geometry resembled the mandrel of a hollow extrusion die. Tests were performed on a Gleeble thermomechanical simulator by heating the specimen using joule’s effect and by applying cyclic loading up to 6.30 h or till specimen failure. Displacements during the tests at 380, 490, 540 and 580°C and under the average stresses of 400, 600 and 800 MPa were determined. In the first set of test a dwell time of 3 min was introduced during each of the tests to understand the creep behavior. The results showed that the test could indeed physically simulate the cyclic loading on the hollow die during extrusion and reveal all the mechanisms of creep-fatigue interaction. In the second set a pure fatigue laod were induced and in the third set a static creep load were induced in the specimens. Furher type of tests, finite element and microstructural analysis were presented.

The behaviour of osteocyte dendritic processes in bone under cyclic load (il comportamento dei processi dendritici degli osteociti nel tessuto osseo sottoposti a carico ciclico)

Bone is continually being removed and replaced through the actions of basic multicellular units (BMU). This constant upkeep is necessary to remove microdamage formed naturally due to fatigue and thus maintain the integrity of the bone. The repair process in bone is targeted, meaning that a BMU travels directly to the site of damage and repairs it. It is still unclear how targeted remodelling is stimulated and directed but it is highly likely that osteocytes play a role. A number of theories have been advanced to explain the microcrack osteocyte interaction but no complete mechanism has been demonstrated. Osteocytes are connected to each other by dendritic processes. The “scissors model" proposed that the rupture of these processes where they cross microcracks signals the degree of damage and the urgency of the necessary repair. In its original form it was proposed that under applied compressive loading, microcrack faces will be pressed together and undergo relative shear movement. If this movement is greater than the width of an osteocyte process, then the process will be cut in a “scissors like" motion, releasing RANKL, a cytokine known to be essential in the formation of osteoclasts from pre-osteoclasts. The main aim of this thesis was to investigate this theoretical model with a specific focus on microscopy and finite element modelling. Previous studies had proved that cyclic stress was necessary for osteocyte process rupture to occur. This was a divergence from the original “scissors model" which had proposed that the cutting of cell material occurred in one single action. The present thesis is the first study to show fatigue failure in cellular processes spanning naturally occurring cracks and it's the first study to estimate the cyclic strain range and relate it to the number of cycles to failure, for any type of cell. Rupture due to shear movement was ruled out as microcrack closing never occurred, as a result of plastic deformation of the bone. Fatigue failure was found to occur due to cyclic tensile stress in the locality of the damage. The strain range necessary for osteocyte process rupture was quantified. It was found that the lower the process strain range the greater the number of cycles to cell process failure. FEM modelling allowed to predict stress in the vicinity of an osteocyte process and to analyse its interaction with the bone surrounding it: simulations revealed evident creep effects in bone during cyclic loading. This thesis confirms and dismisses aspects of the “scissors model". The observations support the model as a viable mechanism of microcrack detection by the osteocyte network, albeit in a slightly modified form where cyclic loading is necessary and the method of rupture is fatigue failure due to cyclic tensile motion. An in depth study was performed focusing on microscopy analysis of naturally occurring cracks in bone and FEM simulation analysis of an osteocyte process spanning a microcrack in bone under cyclic load.

Integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari

La tesi si occupa dell’integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari. Una maggiore comprensione dei dati ricavati tramite NMR potrebbe consentire di interpretare la vitalità e funzionalità cellulare attraverso la localizzazione spaziale degli idrogeni. L'ipotesi di partenza è che la compartimentazione degli idrogeni (associati a molecole di acqua) nel citoplasma possa fornire una stima del numero di cellule vitali (e quindi in grado di mantenere l'acqua al proprio interno mediante processi attivi). I risultati NMR, prodotti dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna della Prof.ssa Fantazzini, sono stati comparati con le informazioni acquisite dal candidato tramite metodologie di conteggio cellulare (sia vive che morte) presenti in un campione sottoposto a forte e prolungato stress (assenza di terreno di coltura e di bilanciamento del sistema tampone tramite CO2 per 400 ore). Cellule da una linea di glioblastoma multiforme (T98G) mantenute in condizioni di coltura standard sono state preparate secondo lo stesso protocollo per entrambe le tecniche di indagine, e monitorate per intervalli di tempo paragonabili. Le immagini delle cellule ottenute al microscopio ottico in modalità “contrasto di fase” sono state acquisite e utilizzate per l’analisi. Una volta definito un metodo di conteggio sperimentale, è stato possibile dedurre il comportamento delle concentrazioni di cellule sopravvissute in funzione del tempo di campionamento. Da una serie ripetuta di esperimenti è stato caratterizzato un andamento nel tempo di tipo esponenziale decrescente per il numero di cellule vive, permettendo la stima della costante di decadimento in buon accordo tra i vari esperimenti. Un analogo modello esponenziale è stato utilizzato per la descrizione dell'aumento del numero di cellule morte. In questo caso, la difficoltà nell'individuare cellule morte integre (per la frammentazione delle membrane cellulari dopo la morte) ha contribuito a determinare una sistematica sottostima nei conteggi. Il confronto dei risultati NMR e microscopici indica che la diminuzione del numero di cellule vive corrisponde ad una analoga diminuzione degli H1 compartimentalizzati fino ad un tempo specifico di circa 50-60 ore in tutti gli esperimenti. Oltre questo tempo, i dati di NMR mostrano invece un incremento di H1 compartimentalizzati, quando invece il numero di cellule vive continua a diminuire in modo monotono. Per interpretare i risultati ottenuti, è stato quindi ipotizzato che, a partire da cellule morte frammentate, strutture micellari e liposomiali formate dai lipidi di membrana in soluzione possano intrappolare gli H1 liberi, aumentando il segnale di risposta della componente compartimentalizzata come evidenziato in NMR.

Studio del comportamento meccanico di compositi ottenuti per SMC

I materiali compositi più diffusi sono quelli a matrice polimerica (PMC, Polymer Matrix Composites) con fibre di rinforzo, largamente utilizzati per la loro capacità di conciliare ottima resistenza meccanica con elevata leggerezza. Nel presente elaborato di tesi sono state studiate le caratteristiche meccaniche di materiali compositi a matrice resinosa, epossidica, rinforzati con fibre di carbonio chopped, ovvero fibre spezzate e disposte in modo del tutto casuale all’interno della matrice, mediante analisi microstrutturale e prove di trazione. Viene descritto il processo di produzione delle piastre di materiale composito ottenuto per SMC (Sheet Moulding Compound) da cui sono stati ricavati i provini. Lo studio a livello microstrutturale è stato possibile grazie all’inglobamento nella resina di alcune sezioni dei provini, le cui superfici sono state esaminate al microscopio acquisendo una quantità di immagini tale da permettere la ricostruzione della superficie stessa tramite software ed il calcolo percentuale delle porosità tramite SolidWorks. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita utilizzando la macchina per le prove di trazione presente nell’hangar della sede di Forlì della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna: la preparazione dei provini è basata sull’applicazione di tabs di alluminio. I provini in materiale composito sono stati forniti in quattro differenti tipologie riguardanti la pressione a cui sono stati prodotti: 25, 50, 100 e 150 bar. Lo scopo dell’elaborato è stabilire la pressione ottimale di produzione dei provini, a cui il materiale composito mostra le migliori proprietà meccaniche, in particolare la più alta resistenza a carico di trazione. Le prove sono state condotte su provini a tre diverse lunghezze, per diversificare le modalità di stress meccanico. I risultati sono stati poi analizzati per stabilire quale valore di pressione di processo conferisce le migliori caratteristiche meccaniche al materiale.

Caratterizzazione del comportamento a fatica di viti metriche

Nel campo della meccanica uno dei metodi di fissaggio maggiormente utilizzati è il fissaggio per attrito con elementi filettati. Il collegamento tra gli elementi è generato dall’accoppiamento tra i filetti di vite e madrevite, che, una volta precaricati, aderiscono impedendo il movimento reciproco tramite la forza di attrito. Uno dei problemi, però, che si riscontra sull’utilizzo dei giunti filettati è relativo alla resistenza a fatica. Precisamente, gli organi in esame presentano una geometria altamente intagliata: infatti, i filetti, fungono da centri di intensificazione degli sforzi. Per mitigare il fenomeno occorrerebbe diminuire la rigidità della vite, ma ciò comporterebbe un rischio di perdita del precarico con conseguente riduzione di efficacia del collegamento. Si è mostrato, tuttavia, che vi è un possibile metodo alternativo per migliorare la resistenza a fatica delle viti: si è notato che le viti snervate, tramite un serraggio, presentano un limite a vita finita maggiore rispetto a quelle standard. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di oggettivare l’incremento del limite di fatica generato da uno snervamento, verificare l’effettivo miglioramento anche sulla vita infinita e dedurne le motivazioni, mediante prove. A tal fine, sono state prese in considerazione diverse tipologie di provini, nello specifico viti M8 di classe 8.8 e 12.9, per verificare l’influenza della resistenza meccanica sull’incremento del limite. I test prevedono anche una breve parentesi sui benefici portati dall’utilizzo di un dado rialzato, in particolare viene mostrato come l’aumento del numero di filetti in presa vada ad esaltare il fenomeno analizzato. Una volta oggettivato l’aumento di resistenza a fatica e avanzate alcune ipotesi sulle cause del fenomeno, è stato sviluppato un modello agli elementi finiti, con semplificazioni volte a ridurre il tempo di calcolo, al fine di studiare la distribuzione degli stress in fase di serraggio per validare le assunzioni avanzate.