Zanardi Fonderie SpA Minerbe (VR)

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1 Istituto CNR-ICMATE (ex IENI) Milano G. Angella, R. Donnini, M. Maldini Zanardi Fonderie SpA Minerbe (VR) F. Zanardi VALUTAZIONE dell AVANZAMENTO del PROCESSO di AUSTEMPERING mediante PROVE di TRAZIONE ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016

2 Contenuti 1. Introduzione 2. Obiettivo 3. Caratterizzazione meccanica 4. Equazioni costitutive e risultati 5. Discussione 6. Conclusioni ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 1

3 INTRODUZIONE La ghisa austemperata (Austempered Ductile Iron - ADI) offre simultaneamente: resistenza a fatica, resistenza all usura, tenacità, leggerezza, ampi gradi di libertà di disegno dei componenti ed una buona lavorabilità. Grazie al processo di fusione in ghisa, combinato al successivo trattamento termico, le ADI hanno proprietà meccaniche tipiche degli acciai da bonifica, e costituiscono un ottima opportunità di alleggerimento e di riduzione dei costi totali di fabbricazione del componente. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 2

4 INTRODUZIONE Braccio di sospensione per pullman Braccio di sospensione per veicoli speciali Ruota motrice movimento terra ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 3

5 INTRODUZIONE Le ADI sono caratterizzate da una struttura a + g HC + grafite nodulare a = ferrite aciculare Widmanstätten; g HC = austenite metastabile ricca in C. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 4

6 INTRODUZIONE La produzione delle ADI consiste in: 1. austenitizzazione a temperature di C; 2. trattamento isotermico in bagno di sali a temperature. comprese tipicamente tra 250 e 400 C. per la trasformazione di austempering: g a + g HC Tuttavia, per tempi più lunghi di austempering, l austenite metastabile g HC si decompone secondo g HC a + e dove e' è un carburo metastabile Fe-C che causa l'infragilimento di ADI. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 5

7 INTRODUZIONE Dunque, durante austempering esiste un intervallo di tempi all interno del quale si ottiene la microstruttura ausferritica ottimale a + g HC Questo intervallo è la finestra di processo. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 6

8 Contenuti 1. Introduzione 2. Obiettivo 3. Caratterizzazione meccanica 4. Equazioni costitutive e risultati 5. Discussione 6. Conclusioni ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 7

9 OBIETTIVO Studio dell avanzamento della trasformazione di austempering in una ADI 1050 utilizzando prove di trazione, per individuare la finestra di processo. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 8

10 Contenuti 1. Introduzione 2. Obiettivo 3. Caratterizzazione meccanica 4. Equazioni costitutive e risultati 5. Discussione 6. Conclusioni ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 9

11 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA Piano sperimentale 1. La ghisa ADI 1050 è stata prima austenitizzata; 2. poi tenuta in bagno di sale alla temperatura di austempering; 3. infine temprata a quattordici tempi diversi (t 1, t 2,..., t 14 ). t 1 t 2 t 3 t 14 Quenching ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 10

12 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA I 14 campioni di ADI 1050 sono stati deformati in trazione. Le curve di flusso così ottenute sono state interpolate mediante equazioni costitutive, con lo scopo di determinare parametri riconducibili direttamente alla microstruttura dei 14 campioni. L obiettivo è stato quello di individuare la finestra di processo di austempering. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 11

13 S (MPa) CARATTERIZZAZIONE MECCANICA Le prove di trazione a temperatura ambiente e velocità di deformazione 10-4 s -1 con provini tondi (ASTM E8-8M):. diametro del tratto utile = 12,5 mm;. lunghezza del tratto utile = 50,0 mm. e (%) e (%) Austempering tempo (Unità arbitrarie) Austempering tempo (Unità arbitrarie) ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 12

14 R m (MPa) e R (%) CARATTERIZZAZIONE MECCANICA R m vs. tempi di austempering e R vs. tempi di austempering Tempi di austempering (Unità arbitrarie) Tempi di austempering (Unità arbitrarie) ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 13

15 Contenuti 1. Introduzione 2. Obiettivi 3. Caratterizzazione meccanica 4. Equazioni costitutive e risultati 5. Discussione 6. Conclusioni ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 14

16 EQUAZIONI COSTITUTIVE Sono state analizzate le curve di flusso plastico mediante sforzi veri s e deformazioni vere e. s = S (1 + e) - e = ln (1 + e) S ed e sono gli sforzi e le deformazioni ingegneristiche. Solo la componente plastica è stata analizzata: e p = e s/e ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 15

17 EQUAZIONI COSTITUTIVE Due principali categorie di equazioni costitutive: a) equazioni empiriche: relazioni basate su leggi di potenza fra s e e, di carattere puramente empirico (Hollomon, Ludwik, Swift e Ludwigson). b) equazioni con basi fisiche: relazioni esponenziali tra s e e, riconducibili alla dinamica delle dislocazioni ed alla microstruttura dei materiali (Voce e Estrin). ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 16

18 EQUAZIONI COSTITUTIVE empiriche Equazione di Ludwik s = s o + K H e p n K H = coefficiente di resistenza; n = esponente d incrudimento. K H e n dipendono dal materiale e le condizioni di deformazione, come deformazione iniziale, la velocità di deformazione e la temperatura. Le curve di flusso sono state interpolate per e p > ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 17

19 EQUAZIONI COSTITUTIVE empiriche Ludwik n vs. austempering Ludwik K H vs. austempering Austempering tempo (Unità arbitrarie) Austempering tempo (Unità arbitrarie) I parametri di Ludwik sembrano indicare che la trasformazione austempering procede senza mostrare possibili intervalli critici. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 18

20 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche Equazione di Estrin s = [s S + (s o - s S ) exp(-e/e C )] 1/2 s S = sforzo di saturazione; e C = deformazione caratteristica; s o = sforzo di retro-estrapolazione a e = 0. Lo sforzo s è correlato alla densità dislocativa r s = Ma o Gbr 1/2 (Eq. di Taylor) M = fattore di Taylor ( 3.1 per metalli CFC e CCC); a o = coefficiente interazione dislocazione-dislocazione ( 0.5); G = modulo elastico di taglio; b = modulo del vettore di Burgers. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 19

21 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche Equazione di Estrin s = [s S 2 + (s o 2 - s S 2 ) exp(-e/e C )] 1/2 È valida quando vi è un'alta densità di ostacoli geometrici/atermici al moto delle dislocazione (come ADI). a g HC a + g HC ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 20

22 2 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche Procedura d interpolazione equazione di Estrin Analisi delle velocità d incrudimento ds 1 2 2s Θ S s de e C Equazione di Estrin ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 21

23 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche Significato fisico dell'equazione Estrin L'interpretazione meccanicistica della incrudimento di Kocks-Mecking e sviluppato dal Estrin descrive l'aumento di r con lo sforzo s, coinvolgendo parametri microstrutturali ds 1 2 2s Θ S s de e C Θ S Ma ogb b = libero cammino medio delle dislocazioni mobili. è intrinsecamente legata alla microstruttura dei materiali. 2 ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 22

24 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche Su basi statistiche è la distanza media tra gli ostacoli geometrici/atermici al moto dislocativo. Maggiore è la densità degli ostacoli, minore è. a a g HC a + g HC g HC ) ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 23

25 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche Parametro Q S vs. austempering 1,4 1,2 1,0 Parametri CCC Parametro vs. austempering (mm) 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Austempering time (arbitrary units) I parametri di Estrin hanno una ridotta dispersione e suggeriscono che l intervallo critico potrebbe essere confinato tra i tempi t 7 e t 11 (centrato in t 9 ). ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 24

26 Contenuti 1. Introduzione 2. Obiettivi 3. Caratterizzazione meccanica 4. Equazioni costitutive e risultati 5. Discussione 6. Conclusioni ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 25

27 DISCUSSIONE Prima t 5 Martensite Micrografie - Dr A. Fabrizi, Prof. F. Bonollo, Università di Padova, DTG, Vicenza a + g HC + martensite 1,4 1,2 1,0 Parametri CCC t 5 Alta densità di ostacoli: ridotti! (mm) 0,8 0,6 0,4 0,2 Martensite 0, Austempering time (arbitrary Prima t 5 Trasformazione austempering non è finita! ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 26

28 DISCUSSIONE Dopo t 5 austempering è terminata! 1,4 1,2 1,0 No martensite e ausferrite ottimale a + g HC Parametri CCC t 5 (mm) 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Austempering time (arbitrary? ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 27

29 DISCUSSIONE (mm) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 t 5 Nuovo (g HC ) < (g HC ) La densità di ostacoli è aumentata, così è diminuita! 0,2 0, Austempering time (arbitrary e + a precipitati in g HC a a TEM - Dr A. Fabrizi, Prof. F. Bonollo Università di Padova, DTG, Vicenza g HC e Nuovo g HC (g HC ) ) ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 28

30 EQUAZIONI COSTITUTIVE con basi fisiche 1,4 Parametro vs. austempering 1,2 1,0 (mm) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Ausferrite ottimale Austempering time (arbitrary units) Le analisi microstrutturali confermano che l intervallo critico per l ausferrite ottimale è quello compreso tra i tempi t 7 e t 11. ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 29

31 Contenuti 1. Introduzione 2. Obiettivi 3. Caratterizzazione meccanica 4. Equazioni costitutive e risultati 5. Discussione 6. Conclusioni ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 30

32 CONCLUSIONI L'equazione di Estrin ha permesso d individuare attraverso il parametro un ottima correlazione tra il comportamento plastico e l'evoluzione della microstruttura durante austempering della ADI (attraverso l interpretazione meccanicistica dell incrudimento basi fisiche all equazione costitutiva) ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 31

33 CONCLUSIONI L intervallo critico del dei tempi di austempering è stato individuato. Le equazioni costitutive con basi fisiche sono strumenti utili per correlare il comportamento plastico e microstruttura di leghe metalliche (come ADI). ASSOFOND, XXXIII Congresso di Fonderia Brescia, Ottobre 2016 p. 32

34 Grazie per l attenzione!