Hot bulk damage modelling of precipitation hardened AA6082 aluminium alloy

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.