Metallurgical and mechanical characterization of standard and new generation cast irons

La domanda di componenti in ghisa sferoidale, con pesi che variano da pochi chilogrammi diverse tonnellate, è aumentata di molto negli ultimi anni, per motivi sia tecnici che economici. Infatti, il più basso costo rispetto ad altri materiali, la buona colabilità, che permette di ottenere componenti near-net shape nelle condizioni as-cast, e le proprietà meccaniche che si possono ottenere, sono solo alcune delle motivazioni che attraggono i progettisti meccanici. Nel caso di componenti di notevoli dimensioni, la conoscenza del comportamento meccanico è però limitata e incompleta. Quello che è noto è che, aumentando gli spessori dei getti, aumentano di conseguenza i tempi di solidificazione e si riducono di molto le velocità di raffreddamento. In queste condizioni critiche, le condizioni di solidificazione possono portare alla formazione di difetti microstrutturali, a volte inevitabili, che vanno a influenzare negativamente le proprietà meccaniche locali dei componenti in ghisa sferoidale. Da una iniziale e approfondita analisi bibliografica è emerso come, in letteratura, questi temi siano stati studiati in maniera sistematica soltanto negli ultimi anni. Di conseguenza, il numero di lavori presenti nei database e a disposizione degli ingegneri progettisti è tutt’altro che ampio e si nota come siano presenti numerose lacune, specialmente per quanto riguarda la caratterizzazione meccanica e il comportamento a fatica di questi materiali. Nello specifico, la maggior parte dei lavori sono stati svolti considerando ghise tradizionali a matrice ferritica impiegate ad esempio in componenti utilizzati per lo sfruttamento dell’energia eolica. In alcuni studi sono state effettuate delle caratterizzazioni di ghise tradizionali a matrice perlitica, mentre sono molto limitati i dati che riguardano le proprietà meccaniche e microstrutturali di ghise di nuova generazione, a matrice ferritica rafforzata per soluzione solida. Nel Primo Capitolo viene riportata una breve introduzione riguardante le tematiche sopracitate, con particolare attenzione allo stato dell’arte e ai recenti lavori pubblicati in letteratura. Nel Secondo Capitolo viene descritta la campagna sperimentale condotta durante il dottorato, seguendo la quale si è svolta una approfondita caratterizzazione microstrutturale e meccanica di diverse tipologie di ghisa sferoidale contraddistinte da diverse condizioni di raffreddamento e solidificazione. Durante le campagne sperimentali condotte sono stati eseguiti controlli microstrutturali utilizzando microscopio ottico e software di analisi di immagine su campioni lucidati e attaccati. Inoltre si sono eseguiti test di trazione e fatica su provini ricavati dalle zone di interesse all’interno dei getti. Le superfici di frattura sono state quindi analizzate al SEM per individuare le cause di innesco della frattura. Nel Terzo Capitolo sono riportati i risultati sperimentali più significativi ottenuti dalla caratterizzazione microstrutturale e meccanica di una ghisa tradizionale a matrice ferritica, con lo scopo di ampliare la letteratura con ulteriori dati sperimentali su questa tipologia di materiale in specifiche condizioni di raffreddamento e solidificazione. Nel Quarto Capitolo, a causa dei pochi lavori presenti in letteratura, si sono studiate ghise a matrice perlitica. In particolare, tramite la realizzazione di tre sperimentazioni, si è voluto indagare l’effetto che il processo di post-inoculazione può avere sui parametri microstrutturali e sulle proprietà meccaniche. Nel Quinto Capitolo, sono riportati i risultati ottenuti su ghise di nuova generazione rafforzate per soluzione solida. In particolare si è condotto uno studio riguardante l’effetto dell’aggiunta di silicio e antimonio sulle proprietà di getti aventi lunghi tempi di solidificazione. Nel Sesto Capitolo, sono state valutate le proprietà microstrutturali, meccaniche e a fatica di un particolare grado di ghisa ferritica rafforzata per soluzione solida in funzione di differenti sezioni e tempi di solidificazione. Nel Settimo Capitolo viene proposto, sulla base dei risultati sperimentali, un modello in grado di stimare con una buona approssimazione la resistenza a fatica di diverse tipologie di ghisa sferoidale considerando le proprietà statiche locali e i difetti di solidificazione presenti all’interno dei getti. Nell’ Ottavo Capitolo sono riportate le osservazioni conclusive sul lavoro svolto e sui risultati più importanti ottenuti.