Le implicazioni progettuali delle peculiarità microstrutturali dei getti in ghisa sferoidale
Grazie alla sua elevata colabilità, conferita da un alto tenore di carbonio, la ghisa viene spesso utilizzata per realizzare getti di grandi dimensioni, destinati ai settori dell’energia, delle macchine utensili, delle presse e delle infrastrutture. Per evitare che, in fase di solidificazione, il carbonio precipiti sotto forma di carburi infragilenti, al bagno di solidificazione vengono aggiunte piccole quantità di silicio e magnesio, in modo da promuovere la precipitazione del carbonio sotto forma di noduli sferoidali di grafite.
La microstruttura di un getto di ghisa sferoidale è, quindi, tipicamente costituita da una matrice metallica (ferritica, perlitica, austenitica, etc.), in cui sono immersi noduli grafitici (eventualmente di forma degenerata rispetto a quella sferica ideale) e difetti di porosità da ritiro. L’ingegner Danilo Lusuardi, R&D e direttore tecnico di Fonderie Ariotti, e il Prof. Matteo Benedetti, dell’Università di Trento (UniTN, Dipartimento di Ingegneria Industriale) stanno collaborando per sviluppare criteri di resistenza statica e a fatica in grado di cogliere le peculiarità microstrutturali che distinguono nettamente la ghisa sferoidale da un classico acciaio forgiato.
Il metodo predittivo è oggetto di un Dottorato finanziato dal CNR e premiato da UniTN.
All’Università di Trento, la definizione e la validazione di metodi predittivi come quello che spieghiamo di seguito, estesi a famiglie di ghisa differenti, sono anche oggetto di un Dottorato in Innovazione Industriale, avviato a fine 2021, il cui bando è stato vinto dall’Ingegner Matteo Pedranz.
Il valore degli argomenti trattati e dell’approccio al tema è stato riconosciuto anche dal CNR, che ha finanziato al 50% il dottorato stesso, scegliendolo tra numerosi altri, relativi a svariate discipline. Lo stesso Dottorato ha vinto anche il premio di miglior poster assegnato dalla scuola di Dottorato in Innovazione Industriale dell’Università di Trento.
Acciaio e ghisa: differenze tra due classi di materiali metallici
La Tabella.1 fornisce un quadro comparativo sintetico delle differenze tra queste due classi di materiali metallici.
| Acciaio (forgiato) | Ghisa | |
|---|---|---|
| Sito d’innesco della fessura | Inclusioni (piccole, banda stretta) | Porosità di ritiro (grande, banda larga) |
| Piano critico | Sforzo di taglio massimo | Sforzo normale massimo |
| Sensibilità alla tensione media | Moderata (trazione) Bassa (torsione) | Elevata |
| Sensibilità alla tensione idrostatica | Bassa (statica) Moderata (fatica) | Elevata |
| Sensibilità all’intaglio | Moderata-elevata | Bassa |
| Sensibilità alla rugosità | Moderata-elevata | Bassa |
| Resistenza all’avanzamento di fessura di fatica vicino alla soglia | Bassa | Moderata-alta |
| Tenacità a frattura | Moderata-elevata | Moderata-bassa |
Dalla Tabella, risulta evidente che i criteri di resistenza sviluppati per materiali omogenei, come gli acciai forgiati, non sono in grado di catturare le caratteristiche microstrutturali della ghisa sferoidale, il cui comportamento meccanico necessita di essere analizzato con approcci alternativi.
La Figura 1. mostra, a questo proposito, i risultati di un’estesa campagna sperimentale basata su prove statiche biassiali (azione assiale + torsione), condotte presso l’Università di Trento. Queste prove hanno permesso di definire il dominio di snervamento del materiale, ovvero l’insieme dei punti che giacciono sulla frontiera elastica (un qualsiasi ulteriore aumento di sforzo comporterebbe la nascita di deformazioni plastiche). Si può notare come tale frontiera si discosti significativamente da quella ellittica predetta dal criterio di von Mises, usualmente impiegato nella progettazione di acciai forgiati. Al contrario, i dati sperimentali sono in miglior accordo con il criterio di Puck-Camanho originariamente sviluppato per materiali compositi. Questo fatto non è sorprendente, vista la microstruttura composita della ghisa. Simulazioni agli elementi finiti che inglobano noduli grafitici in una matrice duttile metallica hanno dato risultati coerenti con quelli sperimentali e hanno permesso di interpretare il comportamento osservato sperimentalmente.
In sostanza, i noduli grafitici, se sottoposti a sforzi di trazione, non contribuiscono al trasferimento del carico e la conseguenza è una localizzazione degli sforzi in corrispondenza di noduli vicini e un andamento a “cuspide” della frontiera elastica. Al contrario, in presenza di sforzi di compressione, i noduli grafitici si comportano come un fluido pressurizzato in grado di trasferire il carico, producendo l’asimmetria del dominio elastico a trazione e a compressione.
In parallelo, prove di fatica multiassiale (trazione, torsione, combinazione di queste due in fase e fuori fase) sono state condotte con la stessa macchina servoidraulica di prova su provini intagliati e lisci.
Il meccanismo di innesco del danneggiamento a fatica
Analisi al microscopio elettronico e scansioni mediante tomografia computerizzata hanno permesso, invece, di identificare il meccanismo di innesco del danneggiamento a fatica. Esso si è rivelato strettamente correlato alla dimensione del volume criticamente stressato di materiale nel campione affaticato. Dallo studio eseguito finora su ghise perlitiche, risulta cha la nucleazione della cricca di fatica avviene preferenziale in corrispondenza di un nodulo (dimensioni caratteristiche di circa 0.15 mm) collocato nelle vicinanze dell’apice dell’intaglio (piccolo volume critico), e in corrispondenza di un grande poro da ritiro (dimensioni caratteristiche di circa 2 mm) nel caso di provini lisci (grande volume critico). Stiamo avviando uno studio equivalente su ghise ferritiche, nelle quali la differente matrice potrebbe modificare il meccanismo di rottura. Questo risultato sottolinea la necessità di un approccio probabilistico alla progettazione a fatica di un grande getto di ghisa che permetta di stimare la probabilità con la quale un difetto del getto vada a collocarsi all’interno del volume criticamente stressato di materiale.
Anche in questo caso, a differenza di un acciaio forgiato, la ghisa si rivela essere un materiale non omogeneo, le cui caratteristiche di resistenza a fatica dipendono dalla scala dimensionale alla quale avviene il processo di danneggiamento a fatica.
Fonderie Ariotti e Università di Trento collaborano per elaborare un modello previsionale
Grazie alla collaborazione fra Fonderie Ariotti e Università di Trento, è stato quindi messo a punto un modello previsionale che quantifica l’effetto del massimo difetto atteso nel volume critico sulla resistenza a fatica del getto. Per tenere conto dell’effetto di multiassialità dello stato di sforzo e dell’effetto di intaglio a fatica, Fonderie Ariotti e Università di Trento stanno rielaborando un approccio progettuale basato sulla densità media di energia di deformazione (“average strain energy density”, ASED). Questo approccio ha una notevole rilevanza industriale, in quanto è facilmente implementabile in fase di post-processing di qualsiasi software di simulazione agli elementi finiti e meno mesh-sensitive rispetto a metodi previsionali basati su sforzi e/o deformazioni.
