Il mio Dottorato

L'argomento del mio dottorato di ricerca è stato la misurazione della deformazione nel processo di laminazione a diverse scale di grandezza. Il lavoro sperimentale consisteva in esperimenti di laminazione e compressione a caldo di alluminio e acciaio inossidabile (duplex). Il lavoro numerico invece consisteva nel modellare gli esperimenti utilizzando la tecnica degli elementi finiti. Ho anche simulato il comportamento di austenite e ferrite durante compressione a caldo producendo dei modelli ad elementi finiti della microstruttura e validando i risultati con esperimenti.

Uno schema del mio lavoro di ricerca è riportato in figura 1.

Fig.1 - Schema del mio dottorato

Le condizione fisiche del processo di laminazione sono così estreme (alta temperatura, grandi deformazioni,  alte velocità di deformazione) che nessuno dei tradizionali metodi di misura della deformazione può essere usato. Considerando la parte sinistra di figura 1, la deformazione può essere misurata nel caso di laminazione e compressione usando inserti dotati di griglie (fig. 2).

Fig. 2 - Inserto di alluminio prima e dopo il test di compressione.

I test di compressione sono normalmente usati per simulare il comportamento del materiale durante la laminazione.

La deformazione viene misurata tramite il confronto tra la griglia prima e dopo il test. Questa tecnica può anche essere adattata per l'uso in esperimenti di laminazione usando un provino come quello in figura 3.

Fig. 3 - Provino usato per la misura della deformazione nel processo di laminazione (x direzione di laminazione).

Dopo aver misurato la deformazione, modelli ad elementi finiti della laminazione e della compressione possono essere implementati usando il codice commerciale ABAQUS. Le condizioni sperimentali vengono riprodotte accuratamente (fig. 4) inclusi i problemi classici associati a questo tipo di test, come il disallineamento dei tools della macchina di prova (fig. 5).

Fig. 4 - Modello 2D del test di compressione (riduzione 50%, 400 °C)

Fig. 5 - Inserto dopo la compressione con tools fortemente disallineati e relativo modello ad elementi finiti.

Destra:  temperatura del provino durante il test di compressione: confronto tra temperatura reale e predizione numerica

Infine la temperatura e la deformazione misurate durante e dopo i test sono confrontate con i dati numerici.  I risultati di questi confronti sono stati molto buoni e diversi articoli sono stati pubblicati sull'argomento.

La parte destra dello schema di figura 1 rappresenta un altro aspetto del dottorato, cioè la misura della deformazione in scala molto più ridotta. Usando il microscopio a scansione elettronica una microgriglia può essere impressa sul provino prima del test. Questa microgriglia ha un passo di circa 5 micron e viene usata per la misura della deformazione all'interno dei singoli grani cristallini.

Fig. 6 - Particolare della microgriglia su un provino di acciaio inossidabile con le due

fasi ferrite (scura) e austenite (chiara) e dettaglio del modello ad elementi finiti.

La microgriglia viene impressa sul provino di acciaio inossidabile dopo che le due fasi ferrite e austenite sono rese visibili (figure 6). La microgriglia è visibile sulle due fasi prima della deformazione (figura 6, 1). L'immagine della microstruttura prima della deformazione (1) viene usata per costruire il modello ad elementi finiti (2) riproducendo con esattezza la forma delle fasi. Questo materiale (1) è stato fuso, laminato e trattato termicamente da me come parte del mio dottorato. Le proprietà meccaniche del materiale sono state determinate tramite test di compressione della pura austenite e pura ferrite. Così le curve sforzo-deformazione sono ricavate per una serie di temperature e velocità di deformazione e usate nel modello ad elementi finiti per caratterizzare ferrite e austenite. La microgriglia copre tipicamente un'area di 0.7×0.7 mm; il passo della microgriglia (1) è di 5 micron. Il modello ad elementi finiti comprende tutta l'area della microgriglia con più di 40.000 nodi. Dopo il test, la microgriglia deformata (3) viene analizzata col microscopio a scansione e le componenti della deformazione possono essere calcolate usando l'immagine della griglia deformata. Usando questi dati, si possono ottenere contour plots della deformazione (5) che a loro volta sono paragonati ai risultati del modello ad elementi finiti (4). In questo modo si può capire come la deformazione si distribuisce tra le fasi e i grani cristallini, e si possono evidenziare fenomeni come lo scorrimento ai bordi dei grani.

Questa tecnica può essere usata per la creazione e validazione di quei modelli matematici che simulano il comportamento dei materiali a caldo cercando di individuare il legame tra deformazioni su scale diverse (scale transition models).