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Novella, Michele Francesco (2015) Hot bulk damage modelling of precipitation hardened AA6082 aluminium alloy. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Among the bulk metal forming processes hot forging is often the only option if large reductions of the forging load are required or if the material formability needs to be significantly increased or even if specific thermally-induced microstructural changes are needed to take place during the deformation process. Moreover it still retains at some extent the positive features of the cold forging processes: high production rates, complex final shapes attainable and little to no material waste.
Hot forging is therefore used for the production of large parts, with complex shapes and especially when using materials characterized by low formability and high toughness at room temperature or if particular microstructural characteristics are required. It is worth to be underlined that these are often the features of the innovative metal alloys that have been increasingly being used in the last decade and namely: Mg alloys, Al alloys, Ti alloys and superalloys.
Finite Element metal forming numerical simulation has become an increasingly important process optimization tool, due to the growing computational power available at reduced costs, which spread it in the industrial world. Its use allows reducing process design time and prototyping costs as well as long and expensive plant downtimes for process variable tuning.
For all these reasons hot forging has become a strategic process and its accurate numerical simulation is encountering great industrial interest. One of its main targets is the determination of the maximum strain that the material can undergo during the deformation process, since it is strictly related with both the final shape and the surface quality of the manufactured part. In this sense hot formability modelling provides a meaningful example of a topic which is both of great scientific and industrial interest.
From the scientific point of view ductile damage modelling has been developed at first for cold processes, for which crack formation is usually a major issue. Last decade research efforts focused on the development of more advanced fracture criteria, keeping into account a complete characterization of the stress state dependency of formability. However the complex analytical formulation of these criteria and their expensive experimental calibration kept them de facto away from practical industrial use. On the other hand hot formability modelling was traditionally addressed by direct application of the conventional cold fracture criteria, under the implicit assumption of isothermal conditions. This approach has evident limits since it does not account for temperature influence on material formability and it does not even provide any physical insight on the different fracture mechanisms that can develop as temperature changes. In recent years some research efforts have been performed on a deeper investigation upon this point: experimental formability campaigns on different metal alloys were carried out in order to assess the temperature and strain rate influence, while some analytical models were proposed in order to describe the damage evolution at high temperature and in particular the onset of the so-called “hot shortness”. However these models are still quite simple and can describe only a limited variety of formability trends, losing in accuracy once complex microstructural phenomena take place. Moreover their validation has been done with simple laboratory tests and not with real processes industrial trials in which non-uniform thermo-mechanical conditions are present and the material can evolve through fracture mode-changing regimes.
The objective of this work is the elaboration of a novel approach to hot ductile fracture modelling, capable to represent accurately the formability evolution of a metal alloy as a function of both the main thermo-mechanical variables and its physical and microstructural characteristics, yet providing a tool simple enough to be of industrial utility. To this aim the hot cross wedge rolling of a precipitation hardened aluminium alloy was taken as industrial reference case, since it is an innovative and non-standard forging process which entails variable and non-homogeneous thermo-mechanical conditions. The study case is of remarkable interest since it has a narrow process temperature window, being limited at the top by Mannesmann-type axial cracking onset and at the bottom by unwanted grain coarsening. Moreover the metal alloy used, the AA6082-T6, has the microstructural features, namely the intermetallic precipitates, that make it a good example of a metal alloy of wide industrial use, that during forming can undergo complex microstructural changes.
A hot tensile test campaign was performed on a wide range of thermo-mechanical conditions and the results highlighted an unexpected negative strain rate influence on formability. Fractographic and micro-chemical analysis were then performed in order to assess the microstructural reasons of this behaviour and finally two approaches to the material formability modelling were proposed and calibrated extending to hot conditions the classic Oyane-Sato fracture criterion. The first one consists on the empirical calibration of the criterion by means of a bi-linear interpolation of the experimental data, while the second one entails a physically-based analytical formulation of the material fracture locus, which has also the advantage of being of easier calibration. These models were then validated on the cross wedge rolling process simulation by comparison with the industrial trials results and the outcomes were critically assessed.

Abstract (italiano)

Tra i processi di formatura massivi di materiali metallici, la forgiatura a caldo è spesso l'unica opzione nei casi in cui siano richieste forti riduzioni del carico di forgiatura o se la formabilità del materiale deve essere notevolmente aumentata o anche se risulta necessario ottenere durante il processo di deformazione determinate modifiche microstrutturali indotte termicamente. Inoltre essa conserva ancora in certa misura le caratteristiche positive dei processi di forgiatura a freddo: alta produttività, possibilità di realizzare forme finali complesse e scarto di materiale ridotto o inesistente.
La forgiatura a caldo viene quindi utilizzata per la produzione di pezzi di grandi dimensioni, di forma complessa e soprattutto quando si utilizzano materiali caratterizzati da bassa formabilità ed elevata tenacità o se particolari caratteristiche microstrutturali sono richieste. Vale la pena di sottolineare che queste sono spesso le caratteristiche delle leghe metalliche innovative che sono state sempre più utilizzate negli ultimi dieci anni e precisamente: leghe di magnesio, alluminio, titanio e superleghe.
La simulazione numerica agli Elementi Finiti di processi di formatura di materiali metallici è diventata nell’ultimo decennio uno strumento sempre più importante per l’ottimizzazione di processo, grazie alla maggiore potenza di calcolo disponibile a costi ridotti, che ha permesso la sua diffusione nel mondo industriale. Il suo utilizzo permette di ridurre i tempi di progettazione del processo ed i costi di prototipazione ed anche lunghi e costosi tempi di fermo impianto per la taratura delle variabili di processo.
Per tutti questi motivi la forgiatura a caldo è diventata un processo strategico e la sua accurata simulazione numerica incontra grande interesse industriale. Uno dei suoi obiettivi principali è la determinazione della massima deformazione che il materiale può subire durante il processo deformativo, dal momento che essa è strettamente legata sia con la forma finale che con la qualità superficiale del componente prodotto. In questo senso la modellazione della formabilità a caldo fornisce un esempio significativo di un argomento che è al tempo stesso di grande interesse scientifico e industriale.
Dal punto di vista scientifico la modellazione del danneggiamento duttile dei materiali è stata originariamente sviluppata per le lavorazioni a freddo, per cui la possibile formazione di cricche è un problema di maggior rilievo. Gli sforzi di ricerca nell'ultimo decennio si sono concentrati sullo sviluppo di criteri di frattura più avanzati, che hanno permesso la caratterizzazione completa dell’influenza dello stato tensionale sulla formabilità. Tuttavia la complessa formulazione analitica di questi criteri e la loro costosa calibrazione sperimentale ne hanno di fatto impedito la diffusione in ambito industriale. D'altra parte la modellazione della formabilità a caldo è stata tradizionalmente affrontata tramite la diretta applicazione dei convenzionali criteri di frattura a freddo, sotto l'ipotesi implicita di condizioni isoterme. Questo approccio presenta evidenti limiti, in quanto non tiene conto dell'influenza della temperatura sulla formabilità del materiale, né permette di intuire il senso fisico dei diversi meccanismi di frattura che possono svilupparsi al variare della temperatura. Negli ultimi anni alcuni sforzi si sono fatti per approfondire quest’ultimo punto: campagne sperimentali di formabilità su diverse leghe metalliche sono state eseguite per valutare l'influenza della temperatura e della velocità di deformazione, mentre alcuni modelli analitici sono stati proposti per descrivere l’evoluzione del danneggiamento ad alte temperature ed in particolare l’insorgere della "fragilità a caldo". Tuttavia questi modelli sono ancora abbastanza semplici e possono descrivere solo una varietà limitata di comportamenti del materiale, perdendo in precisione nel caso avvengano fenomeni microstrutturali complessi. Inoltre la loro validazione è stata effettuata con semplici test di laboratorio e non su reali processi industriali in cui si sviluppano condizioni termo-meccaniche non uniformi e il materiale può evolvere attraverso regimi in cui i meccanismi di frattura sono variabili.
L'obiettivo di questo lavoro è l'elaborazione di un nuovo approccio alla modellazione della frattura duttile a caldo, in grado di rappresentare accuratamente l'evoluzione della formabilità di una lega metallica come funzione sia delle principali variabili termo-meccaniche che delle sue caratteristiche fisiche e microstrutturali, restando al contempo uno strumento sufficientemente semplice da essere di utilità industriale. Per questo scopo è stata presa come caso di riferimento industriale la rullatura trasversale a caldo di una lega di alluminio indurita per precipitazione, dal momento che si tratta di un processo di forgiatura non convenzionale ed innovativo e che comporta condizioni termo-meccaniche variabili e non omogenee. Il caso di studio è di notevole interesse poiché è caratterizzato da una stretta finestra di temperatura di processo, limitata superiormente dall’insorgenza di criccatura assiale per effetto Mannesmann ed inferiormente da un indesiderato ingrossamento della grana cristallina. Inoltre, la lega metallica utilizzata, l'AA6082-T6, ha delle caratteristiche microstrutturali, vale a dire i precipitati intermetallici, che lo rendono un buon esempio di una lega metallica di largo uso industriale, che durante la formatura può subire variazioni microstrutturali complesse.
Una campagna di prove di trazione a caldo è stata eseguita su un ampio spettro di condizioni termo-meccaniche ed i risultati hanno evidenziato un’inattesa influenza negativa della velocità di deformazione sulla formabilità. Analisi frattografiche e micro-chimiche sono quindi state eseguite al fine di valutare le ragioni microstrutturali di questo comportamento ed infine due approcci alla modellazione della formabilità della lega sono stati proposti e calibrati estendendo alle alte temperature il classico criterio di frattura di Oyane-Sato. Il primo consiste nella calibrazione empirica del criterio mediante interpolazione bi-lineare dei dati sperimentali, mentre il secondo si basa su una formulazione analitica physically-based del fracture locus del materiale, che ha anche il vantaggio di essere di più facile calibrazione. I modelli sono stati poi validati sulla simulazione del processo di rullatura trasversale comparandone i risultati con quelli delle prove industriali e valutandoli in modo critico.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Bruschi, Stefania
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA CHIMICA, DEI MATERIALI E DELLA PRODUZIONE
Data di deposito della tesi:02 Febbraio 2015
Anno di Pubblicazione:02 Febbraio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):hot forging, fracture criterion, ductile damage, FE simulation, cross wedge rolling
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/16 Tecnologie e sistemi di lavorazione
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:7957
Depositato il:09 Dic 2015 14:36
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