INFLUENZA DELLA GRAFITE CHUNKY SULLE

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA XXXII Congresso di Fonderia Brescia, Novembre 2014 INFLUENZA DELLA GRAFITE CHUNKY SULLE PROPRIETÀ MECCANICHE E SUL COMPORTAMENTO A FATICA DI UNA GHISA SFEROIDALE FERRITICA M. Gelfi*, A. Pola*, E. Foglio*, D. Lusuardi, G.M. La Vecchia* *DIMI - Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli Studi di Brescia Fonderie Ariotti SpA 1/19

2 INTRODUZIONE Uso sempre più frequente delle ghise sferoidali per componenti strutturali a spessore elevato Basse velocità di raffreddamento Riduzione della densità di noduli e degenerazione della morfologia sferoidale della grafite: grafite chunky 100 µm 2/19

3 Diversi lavori sull influenza della chunky sulle proprietà statiche Pochi studi per valutare l effetto della chunky sul comportamento a fatica risultati discordanti Ref: A. Mourujärvi et al., Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 32 (2009) P. Ferro et al., Materials Science and Engineering A 554 (2012) OBIETTIVI DEL LAVORO - Comprendere la reale incidenza della grafite chunky sulla vita a fatica - Correlare il comportamento a fatica con la microstruttura del materiale attraverso un accurata indagine metallografica quantitativa 3/19

4 PROCEDURA SPERIMENTALE Produzione di 2 cilindri (d = 300mm; h = 520mm) con formatura in sabbia e resina Bacino di colata Alimentatore Tubi ceramici Cilindro Materiale: EN GJS C Si Mn P S Mg Cilindro A 3,69 2,42 0,17 0,02 0,007 0,049 Cilindro B 3,66 2,33 0,16 0,03 0,011 0,040 Inoculante ad alto contenuto di cerio: chunky 4/19

5 PROCEDURA SPERIMENTALE Caratterizzazione meccanica CILINDRO A CILINDRO B TA1-da FA1 a FA6 TA2-da FA7 a FA14 TA3-da FA15 a FA21 TA4-da FA22 a FA28 Da TB17 a TB19- da FB27 a FB31 Da TB13 a TB16-da FB20 a FB26 Da TB9 a TB12-da FB13 a FB19 Da TB5 a TB8-da FB7 a FB12 Da TB1 a TB4-da FB1 a FB6 T= provini di trazione F= provini di fatica 5/19

6 PROCEDURA SPERIMENTALE Caratterizzazione meccanica Prove di trazione UNI EN ISO :2009 Prove di durezza Brinell Prove di fatica Metodo stair-case UNI 3964:1985 6/19

7 PROCEDURA SPERIMENTALE Analisi metallografica Analisi macrografica della sezione trasversale dei due cilindri CILINDRO A Indagine micrografica in diverse posizioni dei due cilindri per valutare l effetto della diversa inoculazione 1000 µm 7/19

8 PROCEDURA SPERIMENTALE Analisi metallografica Determinazione della percentuale di grafite chunky sulla superficie di frattura dei campioni di fatica (SEM) Determinazione della quantità media di grafite chunky all interno di ogni campione (SEM) 8/19

9 PROCEDURA SPERIMENTALE Analisi metallografica Misura della dimensione delle microporosità d innesco della rottura per fatica (SEM) area [μm] 9/19

10 RISULTATI E DISCUSSIONE Trazione e durezza Cilindro A 276 ± ± ,3 ± 1,0 149 ± 1 Cilindro B 275 ± ± ,9 ± 2,8 145 ± 3 Chunky: riduzione di resistenza a rottura e allungamento poca influenza su carico di snervamento e durezza Effetto della chunky deformazione plastica solamente nella fase di 10/19

11 RISULTATI E DISCUSSIONE Fatica CILINDRO A CILINDRO B 198 MPa 163 MPa Cilindro A 163 8,8 1,15 Cilindro B ,11 In presenza di chunky riduzione del limite di fatica del 18% 11/19

12 RISULTATI E DISCUSSIONE Analisi metallografica CILINDRO A CILINDRO B 1000 µm 1000 µm Microstruttura simile nelle aree prive di chunky: - Matrice quasi completamente ferritica - Densità di noduli paragonabile 12/19

13 RISULTATI E DISCUSSIONE Analisi metallografica CILINDRO A CILINDRO B 100 µm 100 µm L aggiunta dell inoculante contenente cerio ha portato alla formazione di grafite chunky nel cilindro A 13/19

14 RISULTATI E DISCUSSIONE Non c è correlazione tra la quantità di chunky sulla superficie di frattura e la resistenza a fatica Effetto predominante delle microporosità di innesco 14/19

15 RISULTATI E DISCUSSIONE La relazione tra la dimensione delle porosità d innesco e la durata dei campioni rimane buona Migliora il legame tra quantità di chunky e la resistenza a fatica 15/19

16 RISULTATI E DISCUSSIONE FA 5 FA 7 FA 8 FA 13 FA 14 FA 16 FA 20 FA 21 FA 23 FA 24 FA 27 FA N 40 N 35 N 40 N 35 N 35 N 45 N 40 N 40 N 35 N 40 N 35 N 83,1 49,6 76,4 68,9 89,9 52,2 56,8 84,2 52,9 67,2 18,1 75,9 44,5 ± 10,6 58,0 ± 18,9 18,4 ± 10,2 43,2 ± 4,8 78,6 ± 0,6 19,9 ± 19,9 12,8 ± 9,0 22,4 ± 7,8 13,5 ± 10,1 47,5 ± 20,0 8,9 ± 12,9 57,1 ± 17,2 86,7 % -14,5 % 315,2 % 59,5 % 14,4 % 162,3 % 343,8 % 275,9 % 291,9 % 41,5 % 103,4 % 32,9 % Difficile stabilire una qualsiasi relazione tra il contenuto medio di chunky e la resistenza a fatica (elevata dispersione dei dati) 16/19

17 RISULTATI E DISCUSSIONE FA 5 FA 7 FA 8 FA 13 FA 14 FA 16 FA 20 FA 21 FA 23 FA 24 FA 27 FA N 40 N 35 N 40 N 35 N 35 N 45 N 40 N 40 N 35 N 40 N 35 N 83,1 49,6 76,4 68,9 89,9 52,2 56,8 84,2 52,9 67,2 18,1 75,9 44,5 ± 10,6 58,0 ± 18,9 18,4 ± 10,2 43,2 ± 4,8 78,6 ± 0,6 19,9 ± 19,9 12,8 ± 9,0 22,4 ± 7,8 13,5 ± 10,1 47,5 ± 20,0 8,9 ± 12,9 57,1 ± 17,2 86,7 % -14,5 % 315,2 % 59,5 % 14,4 % 162,3 % 343,8 % 275,9 % 291,9 % 41,5 % 103,4 % 32,9 % La grafite chunky costituisce un percorso preferenziale per la propagazione della cricca 17/19

18 RISULTATI E DISCUSSIONE La cricca avanza attorno ai noduli all interfaccia con la matrice Ref: A. Mourujärvi et al., Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 32 (2009) P. Ferro et al., Materials Science and Engineering A 554 (2012) GRAFITE SFEROIDALE La cricca penetra all interno degli agglomerati di grafite chunky interconnessa GRAFITE CHUNKY 18/19

19 CONCLUSIONI Influenza della grafite chunky sulle proprietà statiche: riduzione di R m e A%, scarsi effetti su R p0,2% e HB Modesta riduzione del limite di fatica dovuta alla chunky Effetto predominante delle microporosità di innesco sulla resistenza a fatica La grafite chunky costituisce un percorso facilitato per la propagazione della cricca di fatica, mentre non è stata trovata alcuna relazione con l innesco della frattura In componenti progettati per lavorare in assenza di cricche la presenza di grafite chunky non è determinante Difficile stabilire una relazione tra la quantità di chunky nel campione e la sua resistenza a fatica 19/19

20 Grazie per l attenzione eugenio.foglio@unibs.it