Caratterizzazione di leghe di alluminio da fonderia per impieghi motoristici

L'alluminio e le sue leghe sono fra i materiali più importanti nell’ambito dell'ingegneria meccanica e trovano spazio in tutti i principali settori dell’industria aerospaziale e motoristica. La loro versatilità è legata principalmente all’elevata resistenza specifica indotta dal trattamento termico, all’ottima resistenza alla corrosione e all’elevata conducibilità elettrica e termica. Purtroppo l’effetto di rinforzo indotto del trattamento termico viene ad essere compromesso nel caso di applicazioni delle leghe a temperature superiori ai 200°C. Negli ultimi anni, al fine di aumentare l’efficienza e la potenza dei motori endotermici, le temperature a cui questi sono sottoposti si sono innalzate. Per tale ragione si stanno sviluppando e studiando leghe che, attraverso l’aggiunta di opportuni elementi, possano mantenere alte proprietà meccaniche anche a temperature superiori ai 200°C. L’obiettivo della presente ricerca è valutare l’influenza della microstruttura sulle proprietà meccaniche in temperatura di due leghe di alluminio per applicazioni in fonderia, C355 e A354, aventi come elementi principali di lega Si, Cu e Mg.

Produzione di compositi a matrice di alluminio con rinforzo particellare nanometrico

Le leghe di alluminio da fonderia rivestono un ruolo fondamentale in ambito industriale e in particolare il settore dei trasporti ha notevolmente incrementato il loro impiego per la realizzazione di componenti strutturali. Al fine di aumentare ulteriormente la resistenza specifica, tali leghe possono essere impiegate come matrici per lo sviluppo di compositi (Metal Matrix Composites, MMCs), le cui fasi di rinforzo possono avere diversa composizione, forma e dimensione. In particolare, nel caso di rinforzo particellare, più le particelle sono piccole e finemente disperse nella matrice, più elevato può essere l’incremento delle prestazioni meccaniche. In quest’ottica, la ricerca ha portato allo sviluppo dapprima di compositi caratterizzati da un rinforzo micrometrico e, in anni recenti, si sta concentrando sul rinforzo nanometrico (Metal Matrix Nano Composites, MMNCs). I nano-compositi possono essere ottenuti attraverso metodologie differenti: tecniche in situ, in cui il rinforzo viene generato all’interno della matrice attraverso opportune reazioni chimiche, e tecniche ex situ, in cui i dispersoidi vengono inseriti nella matrice fusa, una volta già formati. Sebbene l’incremento prestazionale ottenibile da tali materiali sia stato dimostrato, è necessario far fronte ad alcune problematiche connesse a ciascuna tecnologia produttiva quali, ad esempio, il controllo dei parametri di processo, per quanto riguarda le tecniche in situ, e l’ottenimento di una efficace dispersione delle nano-particelle all’interno della matrice, nel caso delle metodologie ex-situ. Lo scopo della presente attività di tesi è lo studio di fattibilità, basato anche su un’ampia indagine bibliografica, e l’implementazione di metodologie produttive, su scala di laboratorio, volte allo sviluppo di MMNCs a matrice in lega di alluminio (A356, Al-Si-Mg). L’interesse è stato posto in primo luogo sul processo in situ di gas bubbling, mirato all’ottenimento di rinforzo d’allumina, indotto dalla reazione tra matrice metallica e gas ossidante (in questo caso aria secca industriale). In secondo luogo, dal punto di vista delle tecniche ex situ, è stato approfondito l’aspetto della dispersione delle particelle di rinforzo nel fuso, prestando particolare attenzione alla tecnica di trattamento ultrasonico del metallo.

Valutazione dell'effetto del mezzo temprante sulle tensioni residue e proprieta meccaniche della lega di alluminio Al-Si7-Mg

L’alluminio, grazie alla sua bassa temperatura di fusione e all’elevata fluidità di molte leghe, è uno dei metalli più versatili in fonderia. Per ottenere il massimo delle proprietà resistenziali, le leghe che lo permettono sono sottoposte a trattamento termico. Questo, però, in componenti geometricamente complessi può far insorgere tensioni residue che inficeranno la resistenza del materiale durante la sua messa in esercizio. Gli obiettivi della presente ricerca sono stati: la valutazione dell’incidenza del mezzo temprante usato durante il trattamento termico sulle tensioni residue che si sviluppano nella lega AlSi7Mg e la definizione di come questo potesse essere modificato per ridurre le tensioni senza peggiorare le proprietà resistenziali del materiale. Per tale ragione sono state eseguite prove di trattamento termico, analisi microstrutturali e test di durezza su campioni estratti direttamente da getti colati in sabbia.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.

Analisi del processo di estrusione di leghe leggere con il software Qform: validazione e previsione della microstruttura

Il gruppo di tecnologie e sistemi di lavorazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale, D.I.N, dell’Università di Bologna ha compiuto in collaborazione con il Dipartimento IUL della TU di Dortmund, negli ultimi anni, due campagne sperimentali effettuando processi di estrusione di leghe di alluminio. Nella prima, utilizzando leghe AA6060 e il metodo della visioplasticità, sono stati raccolti dati volti a ricavare le condizioni di attrito di tali processi, tramite confronto con valori ottenuti in simulazioni agli elementi finiti. Nella seconda, utilizzando invece una lega AA6082, è stata valutata la microstruttura al fine di permettere, tramite programmi agli elementi finiti, la determinazione di correlazioni fra variabili che prevedano la dimensione della microstruttura della lega stessa a seguito di lavorazioni per deformazione plastica. Basandosi quindi su queste prove sperimentali e utilizzando il software “QuantorForm versione 7.2.4”, è stato svolto il lavoro di tesi finalizzato a conseguire i seguenti obiettivi: • individuare il modello di attrito che si sviluppa nei processi di estrusione analizzati per la lega di alluminio AA6060; • determinare i parametri di settaggio ottimale del software, confrontando i risultati ottenuti nelle simulazioni con quelli sperimentali; • determinare le curve che descrivono la dimensione di un grano cristallino di AA6082 in funzione della deformazione; • implementare come subroutine in Qform, tramite l’utilizzo del linguaggio “Lua”, il modello di microstruttura ottenuto.

Rassegna critica sulla produzione di alluminio secondario

Questo elaborato si pone l’obiettivo di analizzare lo sviluppo, le potenzialità e le problematiche dell’alluminio secondario e di confrontarlo con l’alluminio primario cercando di capire se la soluzione del riciclo possa progressivamente sostituire la produzione a partire dal minerale. Attraverso l’analisi dei fronti energetico, logistico, ambientale ed economico si giunge ad un quadro completo che da la possibilità di evidenziare vantaggi e svantaggi di un investimento nell’ industria produttrice di alluminio primario piuttosto che secondario. Mediante la descrizione delle modalità di pre-trattamento e dei processi di raffinazione del rottame vengono messi in luce i campi che necessitano di ulteriore sviluppo. Risulta quindi possibile avere un quadro complessivo delle due tipologie di produzione e capire il perché del progressivo interesse nel rottame.

Influenza delle condizioni di fornitura sul comportamento meccanico della lega di alluminio EN AW-5052 H39

ABSTRACT Il lavoro di tesi si basa sullo studio commissionato dall’azienda Pelliconi S.p.A di Ozzano dell'Emilia, specializzata nella produzione di tappi metallici per bottiglie. Questi tappi sono prodotti a partire da fogli sottili in lega di alluminio EN AW-5052 H39 e si necessita una ottimizzazione tecnico-economica nel settore della fornitura. L’obiettivo di questa tesi è analizzare le condizioni di fornitura della lega di alluminio EN AW-5052 H39 fornita da tre differenti fornitori (tra cui quello di riferimento) per stabilire quale di essi fornisca la lega più adatta al processo aziendale. L'elaborato è diviso in due parti, una compilativa ed una sperimentale. Nella prima, ci si occupa dei riferimenti normativi riguardanti le proprietà meccaniche delle leghe oggetto dello studio. Nella seconda, si introducono i materiali ed i metodi sperimentali utilizzati e si discutono i risultati ottenuti. A conclusione dello studio, si può affermare che, contrariamente a quanto imposto dalle specifiche aziendali e dalle normative sugli stati metallurgici di fornitura, tutti i laminati forniti mutano le loro proprietà a seguito del processo di laccatura subito dalle lamiere nel ciclo produttivo. Fra i tre fornitori, uno in particolare risulta fornire un materiale particolarmente suscettibile di variazione di proprietà a seguito di tale processo. Le ragioni di tale variazione sono legate alla composizione chimica ed alla microstruttura di questo laminato e dunque alle condizioni di fornitura del produttore.

Sviluppo di sperimentazioni per la produzione di getti in lega di alluminio a caratteristiche difettologiche e microstrutturali controllate, per la validazione di modelli di previsione delle porosità

Nei processi di progettazione e produzione tramite tecnologie di colata di componenti in alluminio ad elevate prestazioni, risulta fondamentale poter prevedere la presenza e la quantità di difetti correlabili a design non corretti e a determinate condizioni di processo. Fra le difettologie più comuni di un getto in alluminio, le porosità con dimensioni di decine o centinaia di m, note come microporosità, hanno un impatto estremamente negativo sulle caratteristiche meccaniche, sia statiche che a fatica. In questo lavoro, dopo un’adeguata analisi bibliografica, sono state progettate e messe a punto attrezzature e procedure sperimentali che permettessero la produzione di materiale a difettologia e microstruttura differenziata, a partire da condizioni di processo note ed accuratamente misurabili, che riproducessero la variabilità delle stesse nell’ambito della reale produzione di componenti fusi. Tutte le attività di progettazione delle sperimentazioni, sono state coadiuvate dall’ausilio di software di simulazione del processo fusorio che hanno a loro volta beneficiato di tarature e validazioni sperimentali ad hoc. L’apparato sperimentale ha dimostrato la propria efficacia nella produzione di materiale a microstruttura e difettologia differenziata, in maniera robusta e ripetibile. Utilizzando i risultati sperimentali ottenuti, si è svolta la validazione di un modello numerico di previsione delle porosità da ritiro e gas, ritenuto ad oggi allo stato dell’arte e già implementato in alcuni codici commerciali di simulazione del processo fusorio. I risultati numerici e sperimentali, una volta comparati, hanno evidenziato una buona accuratezza del modello numerico nella previsione delle difettologie sia in termini di ordini di grandezza che di gradienti della porosità nei getti realizzati.

Studio e sviluppo di tecniche per la produzione di nanocompositi a matrice di alluminio

Foundry aluminum alloys play a fundamental role in several industrial fields, as they are employed in the production of several components in a wide range of applications. Moreover, these alloys can be employed as matrix for the development of Metal Matrix Composites (MMC), whose reinforcing phases may have different composition, shape and dimension. Ceramic particle reinforced MMCs are particular interesting due to their isotropic properties and their high temperature resistance. For this kind of composites, usually, decreasing the size of the reinforcing phase leads to the increase of mechanical properties. For this reason, in the last 30 years, the research has developed micro-reinforced composites at first, characterized by low ductility, and more recently nano-reinforced ones (the so called metal matrix nanocomposite, MMNCs). The nanocomposites can be obtained through several production routes: they can be divided in in-situ techniques, where the reinforcing phase is generated during the composite production through appropriate chemical reactions, and ex situ techniques, where ceramic dispersoids are added to the matrix once already formed. The enhancement in mechanical properties of MMNCs is proved by several studies; nevertheless, it is necessary to address some issues related to each processing route, as the control of process parameters and the effort to obtain an effective dispersion of the nanoparticles in the matrix, which sometimes actually restrict the use of these materials at industrial level. In this work of thesis, a feasibility study and implementation of production processes for Aluminum and AlSi7Mg based-MMNCs was conducted. The attention was focused on the in-situ process of gas bubbling, with the aim to obtain an aluminum oxide reinforcing phase, generated by the chemical reaction between the molten matrix and industrial dry air injected in the melt. Moreover, for what concerns the ex-situ techniques, stir casting process was studied and applied to introduce alumina nanoparticles in the same matrix alloys. The obtained samples were characterized through optical and electronic microscopy, then by micro-hardness tests, in order to evaluate possible improvements in mechanical properties of the materials.

Caratterizzazione tribologica in regime lubrificato di laminati d’alluminio

Il presente elaborato si focalizza sulla tribologia delle leghe di alluminio nell’ambito dei processi di laminazione a freddo. Si analizzano in primo luogo la meccanica sollecitativa, i campi deformativi e le velocità del processo produttivo. Viene descritto dunque il fenomeno dell’attrito e i relativi meccanismi, per poi procedere con la contestualizzazione di tali concetti nell’ambito della tribologia della laminazione. Contestualmente si identificano le caratteristiche e i requisiti dei lubrificanti impiegati in questo settore industriale. Si procede infine con indagini tribologiche di tipo pin-on-disk su diverse tipologie di lubrificanti e in differenti regimi di temperatura. È possibile in questo modo valutare l’effetto dei fluidi lubrificanti sul coefficiente d’attrito e sull’addensamento dei detriti di usura.

Experimental analysis and FE Modeling of Aluminium alloys Microstructural Evolution in Extrusion

Extrusion is a process used to form long products of constant cross section, from simple billets, with a high variety of shapes. Aluminum alloys are the materials most processed in the extrusion industry due to their deformability and the wide field of applications that range from buildings to aerospace and from design to automotive industries. The diverse applications imply different requirements that can be fulfilled by the wide range of alloys and treatments, that is from critical structural application to high quality surface and aesthetical aspect. Whether one or the other is the critical aspect, they both depend directly from microstructure. The extrusion process is moreover marked by high deformations and complex strain gradients making difficult the control of microstructure evolution that is at present not yet fully achieved. Nevertheless the evolution of Finite Element modeling has reached a maturity and can therefore start to be used as a tool for investigation and prediction of microstructure evolution. This thesis will analyze and model the evolution of microstructure throughout the entire extrusion process for 6XXX series aluminum alloys. Core phase of the work was the development of specific tests to investigate the microstructure evolution and validate the model implemented in a commercial FE code. Along with it two essential activities were carried out for a correct calibration of the model beyond the simple research of contour parameters, thus leading to the understanding and control of both code and process. In this direction activities were also conducted on building critical knowhow on the interpretation of microstructure and extrusion phenomena. It is believed, in fact, that the sole analysis of the microstructure evolution regardless of its relevance in the technological aspects of the process would be of little use for the industry as well as ineffective for the interpretation of the results.

Caratterizzazione sperimentale dell'ossido di stronzio per l'assorbimento del diossido di carbonio da correnti gassose ad alta temperatura e considerazioni sulla sua applicazione industriale in processi CCS

Del granulato di ossido di stronzio (anche nella formula carbonato) è stato testato come nuovo possibile materiale di utilizzo per la cattura ad alta temperatura di diossido di carbonio da effluenti gassosi di scarto. Sono stati condotti diversi esperimenti con strumentazioni già preposte, quali test termogravimetrici, microscopia elettronica (SEM) e Xray (XRD). Mentre per la sperimentazione in quantità più rilevanti di materiale è stato costruito un impianto a letto fisso ex novo. Le prove TG hanno evidenziato una capacità media di sorbente parti a circa il 5% in massa di ossido, a temperature tra i 1100°C e i 1200°C, in situazione di regime (dopo numerosi cicli di carb/calc), con una buona conservazione nel tempo delle proprietà adsorbitive, mentre per le prove a letto fisso, si è registrato un calo di valori variabile tra il 3 e il 4%, con un netto miglioramento nel caso di calcinazione in vapore surriscaldato fino al 5%. Il trattamento in vapore ha sortito l’importante effetto di calcinazione del diossido di carbonio dal sorbente, quindi facilmente separabile dal flusso in uscita, misurato tramite cattura in una soluzione di idrossido di bario. Importanti fenomeni di sintering e densificazione hanno portato ad occludere completamente la camera di reazione sviluppando notevoli sovrappressioni interne. Tali fenomeni sono stati approfonditi tramite analisi SEM e XRD. Si è constatato un aumento notevole della grandezza dei granuli in caso di trattamento in vapore con la formazione di legami stabili e con conservazione della porosità. Nel caso di trattamento senza vapore surriscaldato i granuli hanno sinterizzato tramite formazione di legami, ma sempre con conservazione della macroporosità. Il lavoro di tesi è stato inquadrato nel contesto tecnologico al riguardo le tecniche CCS esistenti ed in progetto, con un attento studio bibliografico riguardo lo stato dell’arte, impianti esistenti, costi, metodi di cattura usati, metodologie di trasporto dei gas, metodologie di stoccaggio esistenti e in progetto. Si sono considerati alcuni aspetti economici per sviluppare un modello previsionale di spesa per una possibile applicazione di cattura per un impianto di produzione energetica. Con la progettazione e dimensionamento di un sistema integrato di adsorbimento tramite l’accoppiamento di 2 reattori dedicati ai cicli di carbonatazione e calcinazione del materiale sorbente. Infine si sono considerati gli aspetti salienti dello stoccaggio del diossido di carbonio in reservoir tramite le tecniche di EOR e EGR (Enhanced Oil/Gas Recovery) utilizzando la stessa CO2 come fluido spiazzante degli idrocarburi in posto. Concludendo il lavoro di tesi e di sperimentazione ha contribuito in modo tangibile allo scopo prefissato, andando a caratterizzare un nuovo materiale per la cattura di diossido di carbonio da effluenti gassosi ad alta temperatura, ed andando a verificare un’importante fenomeno rigenerativo non previsto delle capacità sorbitive dei materiali sottoposti a test.