L\u2019allungamento percentuale esprime la duttilit\u00e0 di un materiale e di conseguenza la capacit\u00e0 di deformarsi senza rompersi in caso di urto. Un parametro chiave nella progettazione di componenti strutturali d\u2019alluminio per applicazioni automotive<\/p>\n
di Annalisa Pola, University of Brescia (DIMI – Metal L@bs)*<\/em><\/p>\n L\u2019allungamento percentuale\u00e8 una caratteristica del materiale che fornisce un valore della sua duttilit\u00e0, vale a dire della sua capacit\u00e0 di deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a rottura. Come si misura?<\/strong> Getti pressocolati con alto allungamento percentuale<\/strong> 1) Eliminare\/ridurre le porosit\u00e0 ed i difetti in generale<\/strong> Conclusioni<\/strong> L\u2019allungamento percentuale esprime la duttilit\u00e0 di un materiale e di conseguenza la capacit\u00e0 di deformarsi senza rompersi in caso di urto. Un parametro chiave nella progettazione di componenti strutturali d\u2019alluminio per applicazioni automotive di Annalisa Pola, University of Brescia (DIMI – Metal L@bs)* L\u2019allungamento percentuale\u00e8 una caratteristica del materiale che fornisce un valore della sua …<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":1738,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"give_campaign_id":0,"footnotes":""},"categories":[152],"tags":[],"class_list":["post-1737","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-flash-news"],"openstation_lock":null,"openstation_contributors":[],"openstation_attached_media":[1738],"yoast_head":"\n
\nUn materiale \u00e8 tanto pi\u00f9 duttile quanto maggiore \u00e8 la deformazione raggiunta prima della rottura. Questo comportaun elevato valore del lavoro di frattura, cio\u00e8 la presenza di deformazioni evidenti che preavvisano il cedimento. Viceversa, un materiale ha comportamento fragilequanto meno si deforma prima di giungere a rottura. Diversamente da quelle duttili, le rotture fragilisono caratterizzate da modesti valori del lavoro di frattura e sono improvvise. Pertanto, pi\u00f9 elevata \u00e8 la duttilit\u00e0, maggiore \u00e8 l\u2019allungamento percentuale (A%) del materiale.
\nPerch\u00e9 l\u2019allungamento percentuale \u00e8 importante?
\nL\u2019allungamento percentuale \u00e8 ormai un parametro fondamentale nella progettazione di componenti strutturali per il settore automotive poich\u00e9 \u00e8 un indice della resistenza all\u2019impatto (crash). Infatti, se il materiale \u00e8 duttile, quindi ha un alto A%, a seguito di un impatto si deforma plasticamente. La deformazione plastica \u00e8 il meccanismo utilizzato per dissipare l\u2019energia cinetica del veicolo in caso di incidente, quindi, assorbendo l\u2019urto prima di rompersi, aumenta la sicurezza dei passeggeri.
\nChiaramente, nell\u2019ottica di un miglioramento della resistenza agli urti, quando si progetta un componente automotive \u00e8 necessario scegliere adeguatamente forma e dimensioni del pezzo. Tuttavia, il comportamento a rottura \u00e8 una propriet\u00e0 del materiale, pertanto la scelta della lega ed il controllo della sua microstruttura\/qualit\u00e0 in fase di produzione, giocano un ruolo altrettanto fondamentale per raggiungere le prestazioni desiderate.<\/p>\n
\nCome noto, l\u2019A% si misura attraverso la prova di trazione.
\nLa prova di trazione \u00e8 una prova distruttiva di tipo statico. Consiste nel sottoporre una provetta normata (ovvero di dimensioni specifiche) a un carico di trazione monoassiale e gradualmente crescente fino a provocarne la rottura. La macchina utilizzata deve essere regolarmente calibrata.
\nLe provette possono essere a sezione circolare o rettangolare (Figura1) e in esse si distinguono:
\n\u2022 la lunghezza della cosiddetta \u201cparte centrale calibrata\u201d LC,
\n\u2022 la lunghezza iniziale L0 tra i riferimenti ( I ), pi\u00f9 breve della precedente e detta anche \u201ctratto utile\u201d;
\n\u2022 il diametro\/larghezza della parte calibrata a cui corrisponde una sezione S0;
\n\u2022 le teste di serraggio, che hanno forma e dimensioni tali da essere afferrate tra le ganasce della macchina;
\n\u2022 i raccordi fra la parte calibrata e le teste;
\n\u2022 la lunghezza totale.
\nGeneralmente si assume una lunghezza totale maggiore del tratto calibrato, in particolare LC + 2d0.
\nEsistono diverse normative, solitamente prescrivono l\u2019uso di provini cosiddetti proporzionali, ovvero che soddisfano un rapporto costante fra l\u2019area della sezione iniziale S0 e la lunghezza fra i riferimenti L0[1]:
\nQuando si parla di pezzi ottenuti mediante tecniche di fonderia non \u00e8 sempre consigliabile verificarne la resistenza e la duttilit\u00e0 basandosi su provini colati a parte; questo poich\u00e9 i getti, avendo spessori diversi, sono caratterizzati nei diversi punti da diverse velocit\u00e0 di raffreddamento, e quindi diverse microstrutture. A questo va aggiunto che, in funzione delle modalit\u00e0 di riempimento e solidificazione, ci possono essere porosit\u00e0 da gas o da ritiro ed altri difetti localizzati in vari punti che, ovviamente, influenzano le performance del prodotto.
\nNel caso delle leghe da fonderia colate in sabbia o in conchiglia, caratterizzate generalmente da raffreddamenti non molto rapidi, le normative consentono comunque l\u2019uso di provini colati a parte, purch\u00e9 siano stati fatti solidificare in condizioni confrontabili a quelle del pezzo reale e sia stata usata la stessa lega (intesa come stessa carica di metallo). Per i pressocolati, invece, questa scelta \u00e8 sconsigliata (UNI EN 1706) e per di pi\u00f9 le normative internazionali non forniscono indicazioni dettagliate (UNI EN 1706, ASTM B 557M). Tipicamente, quindi, i saggi vengono prelevati dal getto stesso, in posizioni definite. Il prelievo e la successiva lavorazione del campione devono essere effettuate con estrema cura, in modo da nonalterarne la geometria n\u00e9 le caratteristiche del materiale, ovvero il provino non deve essere riscaldato o incrudito, n\u00e9 ci devono esser tracce di utensile e rigature che possono modificare i risultati della prova.
\nLa lavorazione degli afferraggi deve essere eseguita in modo adeguato, cos\u00ec da evitare un errato posizionamento del provino nella macchina, garantendonel\u2019assoluto centraggio e assialit\u00e0 (Figura 2, [2]).
\nAnche la velocit\u00e0 di applicazione del carico\/deformazione deve essere adeguatamente definita; infatti, se troppo alta, pu\u00f2 portare alla determinazione di un A% basso e un carico di rottura alto, ovvero a un comportamento fragile. Le norme stabiliscono:
\n– velocit\u00e0 di applicazione del carico diverse in funzione del modulo elastico del materiale da testare;
\n– velocit\u00e0 di deformazione diverse a seconda della parte della curva che si sta realizzando.
\nDurante la prova la macchina registra l\u2019andamento del carico in funzione dell\u2019allungamento, dando quindi come output una curva F-\u2206L. Tale curva \u00e8 convertita in un grafico sforzo-deformazione(Figura 3, [3]), dal quale \u00e8 possibile ricavare il modulo elastico, il carico di snervamento edil carico di rottura del materiale, note le dimensioni del provino.
\nSe la lega in esame ha comportamento duttile, una volta rotto il campione, si ricava l\u2019allungamento percentuale come:
\ndove Lf \u00e8 la lunghezza del tratto utile al termine della prova.
\nBisogna per\u00f2 sottolineare che l\u2019allungamento percentuale dipende dalla lunghezza del tratto utile L0.
\nInfatti, la deformazione si distribuisce uniformemente nel provino solo fino al raggiungimento del carico massimo (\u03c3R in Figura 3), in corrispondenza del quale si ha il fenomeno della strizione, che comporta la localizzazione della deformazione in una zona ristretta. Come mostrato in Figura 4, l\u2019allungamento totale a rottura pu\u00f2 quindi essere visto come la somma di due contributi: uno uniforme (\u03b5U) e uno localizzato (\u03b5L). Il primo contributo \u00e8 dato dal rapporto \u2206LUniforme su L0 e, poich\u00e9 \u2206LUniforme \u00e8 proporzionale allo stesso L0, quindi, la deformazione uniforme non dipende dalla lunghezza iniziale L0. Al contrario, il contributo localizzato \u00e8 circa costante, indipendentemente da L0; pertanto, il rapporto \u2206LLocalizzato\/L0 \u00e8 tanto maggiore quanto minore \u00e8 la lunghezza del tratto utile L0. Ne consegue che l\u2019allungamento percentuale \u00e8 maggiore per provini con L0 pi\u00f9 corto.
\nAppare ora chiaro come sia necessario specificare la lunghezza del tratto utile; per esempio: A5% indica l\u2019allungamento percentuale per provini proporzionali con lunghezza L0 pari a 5 volte il diametro.
\nNon meno importante per la valutazione della duttilit\u00e0 del materiale \u00e8 il coefficiente di strizione percentuale (Z%), definito come:
\ndove S0 \u00e8 la sezione iniziale del provino e Sf quella finale.
\nTanto pi\u00f9 piccolo \u00e8 il valore di Sf, tanto pi\u00f9 elevato \u00e8 Z% e quindi tanto pi\u00f9 il materiale \u00e8 duttile.
\nTipicamente, il coefficiente di strizione si misura solo su campioni a sezione circolare poich\u00e9 la sezione ridotta dalla strizione resta essenzialmente tonda. Con i campioni rettangolari, invece, gli spigoli impediscono una deformazione uniforme, la sezione finale non \u00e8 pi\u00f9 rettangolare e, di conseguenza, diventa pi\u00f9 difficile la misurazione. Per tale ragione, si preferisce misurare l\u2019A%.<\/p>\n
\nI getti strutturali devono garantire performance elevate (UTS fino a 350-380MPa) ma anche A% elevato (ben superiore ai valori che si riscontrano nella pressocolata convenzionale).
\nPer raggiungere tali prestazione \u00e8 necessario operare in modo tale che:
\n1. il pezzo sia pressoch\u00e9 esente da porosit\u00e0 da gas\/difetti,
\n2. si scelgano gli opportuni parametri di trattamento termico,
\n3. si utilizzino le leghe appropriate.<\/p>\n
\nPorosit\u00e0, da gas o da ritiro, cos\u00ec come altri difetti nel getto, risultano particolarmente pericolosi poich\u00e9, quando \u00e8 applicato un carico, in corrispondenza di tali discontinuit\u00e0 della matrice si ha concentrazione delle sollecitazioni con conseguente deformazione plastica localizzata e sviluppo di microcricche, che possono portare a rottura. Come risultato si ha la riduzione del carico di rottura e dell\u2019A% (come mostrato in Figura 5 nel caso di una lega AlSi9Cu3) oltre alla impossibilit\u00e0 di eseguire trattamenti termici.
\nAl fine di evitare o almeno contenere il pi\u00f9 possibile le porosit\u00e0 e altri difetti da riempimento (cos\u00ec come da solidificazione) \u00e8 necessario utilizzare il vuoto, progettare in modo adeguato canali e attacchi di colata e termoregolare opportunamente lo stampo. In quest\u2019ottica, l\u2019uso della simulazione di processo risulta fondamentale.
\n2) Definire il corretto trattamento termico
\nLa corretta combinazione temperatura\/tempo di trattamento determinano il raggiungimento di prestazioni maggiori e tali parametri vanno definiti appositamente per le leghe da pressocolata per getti strutturali (come mostrato dall\u2019intervento del prof. A. Morri nell\u2019ambito della stessa Giornata di studio).
\n3) Scegliere la lega adeguata
\nLeleghe da pressocolata appartengono principalmente alla famiglia Al-Si + Cu e\/o Mg (Tabella 1).
\nPer alcune applicazioni specifiche si utilizzano anche leghe Al-Mg o Al-Cu, ma \u00e8 abbastanza raro. La ragione per cui si prediligono tali composizioni \u00e8 dettata dalla necessit\u00e0 di garantire ottima fluidit\u00e0\/colabilit\u00e0 per il riempimento di spessori sottili.
\nDall\u2019analisi della composizione delle leghe pi\u00f9 usate (Tabella 1) \u00e8 possibile constatare la presenza di una percentuale di Ferro decisamente elevata, necessaria per ridurre il rischio di metallizzazioni getto-stampo (noto problema della pressocolata). Questo rappresenta da un lato un vantaggio, poich\u00e9 permette l\u2019utilizzo di leghe secondarie (ovvero da riciclo) ma, al contempo, offre lo svantaggio della presenza di un elevato numero di intermetallici che riducono le prestazioni del getto, come dimostrato da diversi studi [5-6](Figura 6).
\nIl Fe, infatti, genera intermetallici (es. Al5FeSi o Al15(Mn,Fe)3Si2) che infragiliscono la lega e, sotto carico, si fratturano pi\u00f9 facilmente della matrice di Al oltre a rappresentare un percorso preferenziale per le cricche. Generalmente si aggiunge Mn (o Cr) per modificarne la morfologia (Figura 7), rendendoli meno pericolosi ma aumentandone la numerosit\u00e0, oltre ad aumentare il rischio di formazione di \u201cfanghi\u201d nei forni (Sludge factor).
\nAlcuni studi mostrano anche l\u2019esistenza di un valore critico di Fe, funzione della percentuale di Si%, oltre il quale si formano pi\u00f9 facilmente gli intermetallici. Inoltre, questi hanno anche un effetto negativo sulle porosit\u00e0 da gas e, soprattutto, sulle microporosit\u00e0 da ritiro poich\u00e9 impediscono alla lega di fluire negli spazi interdendritici[8].
\nRisulta quindi evidente che, per aumentare le prestazioni dei pressocolati per applicazioni strutturali, \u00e8 necessario utilizzare una lega caratterizzata da maggiore purezza, ed in particolare da minor tenore di Fe.
\nMa allora, come prevenire le metallizzazioni se il Fe \u00e8 basso? Recenti studi mostrano l\u2019uso dello Sr come anti metallizzante, oltre al fatto che sembra modificare la morfologia degli intermetallici di Fe, e non solo del Si eutettico, riducendo il rischio di formazione di microporosit\u00e0 da ritiro (Tabella2).
\nMa non \u00e8 solo il ferro ad essere responsabile della riduzione delle caratteristiche dei getti; anche il Silicio eutettico influisce sulle prestazioni, rappresentando un percorso preferenziale per la propagazione delle cricche: la frattura, infatti, propaga attraverso la fase eutettica, all\u2019interfaccia a-Al\/Si-eutettico o lungo le particelle stesse di Si. In questi punti la frattura non \u00e8 duttile ma per clivaggio.
\nLamelle pi\u00f9 piccole garantiscono prestazioni migliori, ma non risolvono il problema. Come intervenire? Recenti studi stanno mostrando interessanti risultati con il trattamento di modifica delle leghe da pressocolata.<\/p>\n
\nL\u2019allungamento percentuale \u00e8 un parametro fondamentale per la progettazione di getti strutturali. La sua misura deve essere fatta con cura (prelievo provino, lavorazione, modalit\u00e0 di prova). La qualit\u00e0 del getto \u00e8 ovviamente fondamentale per avere alti A%.
\nLa microstruttura, vale a dire la modalit\u00e0 di solidificazione del getto, influisce sulle performance; pertanto, la scelta delle leghe adeguata (composizione chimica e trattamento del metallo liquido) nonch\u00e9 dei parametri di trattamento termico rappresentano aspetti fondamentali per il raggiungimento delle caratteristiche richieste a dei getti strutturali.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"