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Correlazioni tra microstruttura e proprietà meccaniche ed effetto della permanenza in temperatura in leghe Al-Si-Mg ed Al-Cu trattate termicamente
No full textOttima attitudine a processi di deformazione plastica e fusori, alta resistenza alla corrosione e soprattutto elevata resistenza specifica, hanno reso le leghe di alluminio da trattamento termico fra le migliori candidate per applicazioni strutturali nel settore dei trasporti. L’esigenza industriale moderna è, infatti, quella di produrre veicoli sempre più leggeri e con motori dalle sempre maggiori potenze specifiche, al fine di garantire contemporaneamente alte prestazioni nel rispetto delle sempre più stringenti normative. Per raggiungere tale obiettivo, la tendenza ormai consolidata è quella di un uso crescente di leghe d’alluminio anche per gli elementi più critici, quali teste, basamenti motore e pistoni.
Numerosi studi hanno evidenziato che una criticità, soprattutto per le leghe da fonderia, è costituita dalla forte dipendenza delle proprietà meccaniche locali dalla microstruttura e dai difetti di solidificazione. Porosità da gas, cavità da ritiro e film di ossido, ne riducono infatti drasticamente resistenza a fatica e duttilità. Inoltre, anche quando questi difetti riescano ad essere contenuti a livelli particolarmente ridotti, tramite l’adozione di opportune pratiche di fonderia, altri parametri microstrutturali, come la distanza fra i rami secondari delle dendriti (SDAS), le dimensioni del grano e le caratteristiche degli eutettici e/o intermetallici presenti, influenzano in maniera consistente le proprietà del materiale. Particolarmente nel caso di getti a geometria complessa, le proprietà meccaniche sono dunque una caratteristica puntuale e questo comporta evidenti criticità nella fase di progettazione degli stessi: il materiale non potrà essere sicuramente considerato continuo, omogeneo ed isotropo. Altro aspetto di rilevanza fondamentale, sia per le leghe da fonderia che da deformazione plastica trattate termicamente T6, è che, nel caso di componenti destinati a lavorare a temperature superiori a quelle di invecchiamento, si assiste ad un deterioramento delle proprietà meccaniche funzione del tempo e temperatura di esposizione. Questo, comporta un’ulteriore ed evidente complicazione progettuale.
Questo lavoro rientra all’interno di due ampi progetti di ricerca portati avanti, in collaborazione con due note aziende nel campo auto e motociclistico, con l’obiettivo di sviluppare un’innovativa metodologia di progettazione di componenti motore in lega d’alluminio, ottenuti per fusione e sollecitati termomeccanicamente, integrando aspetti progettuali/strutturali, metallurgici e tecnologici attraverso l’implementazione di moderni sistemi di simulazione. Obiettivo di questo lavoro, è stato dunque quello di supportare e legare fra loro le fasi di simulazione di colata e di simulazione strutturale di getti complessi in lega Al-Si-Mg. Nel primo caso, si sono forniti tutti i dati per l’opportuna definizione delle condizioni a contorno del problema, nonché per la verifica dei risultati delle simulazioni, in termini di distribuzione di difettosità e SDAS. Nel secondo caso, si sono forniti dati di caratterizzazione meccanica del materiale (trazione e fatica), che contribuissero a superare le ipotesi semplificative di continuità, omogeneità, isotropia e costanza nel tempo delle proprietà meccaniche. Nel corso del progetto, la parziale trasferibilità dei risultati ottenuti in campo metallurgico su componenti ottenuti per fusione (teste e basamenti motore), a componenti sottoposti a deformazione plastica (pistoni), ha consentito un ampliamento del campo di ricerca.
Con maggiore dettaglio, le attività svolte hanno previsto la valutazione dello stato dell’arte, relativo a microstrutture, proprietà meccaniche e trattamento termico, inerenti alcune leghe Al-Si-Mg (Al-Cu). In un secondo momento, si è provveduto all’estrazione del materiale sperimentale da teste motore in lega EN AC-42100 e da pistoni forgiati in lega EN AW-2618 ed EN AW-4032. Tramite tecniche di microscopia ottica, microscopia elettronica in scansione ed analisi di immagine, è stato dunque ampiamente investigato l’effetto del processo produttivo sulle microstrutture di teste motore colate in conchiglia in lega EN AC-42100 T6 [AlSi7Mg0,3]. Sono stati valutati il contenuto di difetti, la distribuzione di SDAS e l’ effetto degli affinanti ed degli agenti modificatori su dimensioni del grano e morfologia del Si eutettico. Analogamente, si è evidenziato come la forgiatura di leghe di alluminio per la produzione pistoni, quali la EN AW-2618[AlCu2MgNi] e la EN AW-4032 [AlSi12MgCuNi], comporti una disomogeneità microstrutturale (e quindi di proprietà) all’interno del componente. Tramite prove di durezza, trazione e fatica, si è indagato l’effetto della microstruttura sulle proprietà meccanica della lega EN AC-42100 T6, quantificando il contributo di ogni caratteristica microstrutturale nella definizione delle proprietà statiche e dinamiche. Sono stati, a riguardo, proposti modelli empirici di previsione della resistenza a trazione (UTS), della resistenza a snervamento (YS) e dell’allungamento a rottura (E%) in funzione di durezza, SDAS, contenuto di difetti e dimensione media del Si eutettico della lega. I risultati hanno evidenziato errori medi del 3% nella previsione di UTS ed YS e del 20% nella previsione di E%. La caratterizzazione a fatica del materiale ha invece evidenziato grandi dispersioni dei dati, per ridotte tensioni di carico, conducendo a risultati significativi solo per tensioni alterne di 70 MPa. In questo caso, è stata rilevata una buona dipendenza tra il numero di cicli a rottura del materiale ed i valori di SDAS e del contenuto medio di difetti (R2∼0,6).
E’ stato studiato l’effetto della temperatura sulle proprietà tensili della lega da fonderia EN AC-42100 T6 e sulle leghe da deformazione plastica EN AW-2618 T6 e la EN AW-4032 T6. Nel primo caso, è stato condotto uno studio sia delle diverse fasi del trattamento termico, che della variazione di proprietà del materiale allo stato T6 con l’esposizione ad alta temperatura. Si è così evidenziato come un pre-invecchiamento a temperatura ambiente anche di sole 2 h, potesse ridurre le tensioni di rottura e snervamento di circa il 20% e l’allungamento a rottura di circa il 30%. Inoltre, si è visto come la durezza residua e lo SDAS siano le variabili fondamentali per definire il comportamento meccanico del materiale nel suo stato sottoinvecchiato, di picco e sovrainvecchiato. Anche in questo caso, sono stati proposti modelli empirici di previsione delle proprietà meccaniche tutti caratterizzati da coefficienti di determinazione molto alti (R2>0,8). La previsione dell’allungamento a rottura ha fatto registrare coefficienti leggermente inferiori (R2∼0,7), evidenziando l’importanza dello SDAS nel definire questa proprietà. Nel caso invece delle leghe da deformazione plastica, gli effetti della microstruttura sono risultati minori, con al massimo una variazione del 5% in funzione della zona di estrazione del campione. La durezza residua del materiale, allo stato sovrainvecchiato, è risultata il parametro necessario e sufficiente per definire tutte le proprietà del materiale (UTS, YS, E%, coefficienti di resistenza K ed incrudimento n) con grande precisione (R2∼0,9). Con l’obiettivo di verificare i dati sperimentali ottenuti, si è proceduto, in ultima istanza, con lo sviluppo di un applicativo in ambiente MATLAB®, per il calcolo delle proprietà meccaniche residue delle leghe studiate, dopo un‘esposizione a temperatura variabile. I risultati, ottenuti con cicli di prova a T costante, hanno evidenziato scarti ridotti nella previsione della durezza residua (max 4%), mentre errori maggiori sono stati riscontrati in applicazioni su cicli transitori fra due temperature, ma con grandi margini di ottimizzazione.
In conclusione, l’obiettivo di supportare la nuova metodologia di progettazione di componenti sollecitati termo-meccanicamente, che vede integrate le fasi di progettazione meccanica e tecnologica, al fine di ridurre tempi e costi di sviluppo prodotto, è stato pienamente raggiunto. I risultati ottenuti, in termini di quantità e qualità, hanno rappresentato un passo significativo in questa direzione che, per essere totalmente intrapresa in ambito aziendale, ha bisogno di vincere le resistenze di un sistema progettuale con una storia consolidata e ricca di successi quale quella di Ferrari S.p.A. I grandi cambiamenti sono frutto però di piccoli passi successivi, uno dei quali è costituito da questo studio e dal progetto nell’ambito del quale questo è stato realizzato
Replacement of Nitrided 33CrMoV Steel with ESR Hot Work Tool Steels for Motorsport Applications: Microstructural and Fatigue Characterization
No full textIn this work tensile strength, fatigue resistance and fracture toughness of two electroslag remelted (ESR) tool steels and of 33CrMoV12 ESR steel (both in quenched and tempered condition, as well as nitrided condition) were evaluated. The role of hardness, residual stresses and inclusion sizes on the fatigue behavior was investigated. Tool steels have a tensile strength between about 1900 and 2300 MPa, fracture toughness between 35 and 33 MPa root m, while fatigue strength ranges between 725 and 992 MPa. The tensile strength and fracture toughness of the 33CrMoV12 ESR are, respectively, 1365 MPa and about 150 MPa root m. Nitriding induces a significant increase in fatigue strength from 560 to 980 MPa. These results highlight that appropriate ESR tool steels could replace nitrided steels
Predictive equations of the tensile properties based on alloy hardness and microstructure for an A356 gravity die cast cylinder head
No full textExcellent castability and high strength-to-weight ratio, which increases performance and fuel economy, have made A356 alloy one of the most suitable materials for various applications in the
automotive industry, such as cylinder head and engine block. The main limitation of cast Al-Si alloys is, however, the considerable influence of the solidification and heat treatment conditions on the final microstructure and consequently on the mechanical properties, that can thus exhibit a wide range of variability in the same cast component. Literature data often relate the static and fatigue properties of cast Al alloys to only one microstructural parameter, such as solidification defects or secondary dendrite arm spacing, without taking into account their simultaneous effect. In addition, the experimental tensile and fatigue data are often obtained on specimens cast apart or obtained under controlled laboratory conditions, substantially different from those of industrial cast components. For these reasons, the main problem in the design phase is the lack of knowledge of the true local mechanical properties, that often make a very conservative approach necessary, with a consequent increase of the cross sections and consequently of the weight. The aim of this research was to study a
complex cast component, produced under industrial conditions, in order to verify the range of variability of the microstructural parameters and the tensile properties. The component was an A356
gravity die cast cylinder head, heat treated at the T6 condition, and the effect of the delay between quenching and aging on the alloy hardness was also evaluated. Mathematical models, able to
successfully predict the local tensile properties in the cast, from the concurrent effect of the main microstructural parameters and alloy hardness, are proposed. These models allow the designer to
predict the local tensile behaviour, without any tensile tests, and can link the post-processing results of the casting simulation software to the pre-processing phase of the structural ones, with an approach of co-engineered design
Effects of Casting Size on Microstructure and Mechanical Properties of Spheroidal and Compacted Graphite Cast Irons: Experimental Results and Comparison with International Standards
No full textThe aim of this research was to investigate the effects of casting size (10-210 mm) on the microstructure and mechanical properties of spheroidal (SGI) and compacted (CGI) graphite cast irons. A comparison of the experimental mechanical data with those specified by ISO standards is presented and discussed. The study highlighted that the microstructure and mechanical properties of SGI (also known as ductile or nodular cast iron) are more sensitive to casting size than CGI (also known as vermicular graphite cast irons). In particular, in both types of cast iron, hardness, yield strength and ultimate tensile strength decreased, with increasing casting size, by 27% in SGI and 17% in CGI. Elongation to failure showed, instead, an opposite trend, decreasing from 5 to 3% in CGI, while increasing from 5 to 11% in SGI. These results were related to different microstructures, the ferritic fraction being more sensitive to the casting size in SGI than CGI. Degeneration of spheroidal graphite was observed at casting size above 120 mm. The microstructural similarities between degenerated SGI and CGI suggested the proposal of a unified empirical constitutional law relating the most important microstructural parameters to the ultimate tensile strength. An outstanding result was also the finding that standard specifications underestimated the mechanical properties of both cast irons (in particular SGI) and, moreover, did not take into account their variation with casting size, at thicknesses over 60 mm
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
EN AW-4032 T6 Piston Alloy After High-Temperature Exposure: Residual Strength and Microstructural Features
No full textThis study aims to evaluate the effects of prolonged thermal exposure on both microstructural evolution and mechanical properties of the EN AW-4032 T6 piston alloy. For the purpose, the experimental activities have been carried out on samples machined from forged and heat-treated automotive pistons. The effects of overaging have been investigated in the temperature range of 140-290 °C, firstly by evaluating the time-temperature-hardness curves and then by carrying out room-temperature tensile tests on overaged samples. The material softening was substantial and extremely rapid when the soaking temperature exceeded 250 °C. During overaging, both the tensile strength and the residual hardness considerably decreased, and a relationship between these parameters has been established. The alloy behavior in the plastic field has been modeled according to the Hollomonâs equation, showing that both the strain hardening exponent and the strength coefficient are a function of the residual hardness. The results were finally related to the corresponding microstructural changes: OM and FEG-SEM metallographic and fractographic analyses on overaged samples gave evidence of coarsened precipitates along the grain boundaries
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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