Paper scientifici sulla ghisa

Modellazione micromeccanica della curva costitutiva dell’ADI ad elevata velocità di deformazione

Autori: G. Iannitti, A. Ruggiero, N. Bonora, S. Masaggia, F. Veneri

Università di Cassino e del Lazio Meridionale
Zanardi Fonderie SPA

JOURNAL: Science Direct – Elviser

9 maggio 2017

In questo lavoro è stata studiata la risposta alla trazione monoassiale della ghisa sferoidale ausferritica ad alta velocità di deformazione. I test di trazione sono stati eseguiti a basse (0,001/s) e alte (740/s e 1200/s) velocità di deformazione, a temperatura ambiente e bassa temperatura. I risultati hanno mostrato che la velocità di deformazione ha un effetto considerevole sull’incrudimento e sulla duttilità. L’incrudimento sembra essere il risultato della competizione tra il comportamento della ferrite e dell’austenite residua per diverse combinazioni di temperatura e velocità di deformazione. E’ emersa l’influenza della velocità di deformazione sull’aumento della deformazione a rottura del materiale. Le simulazioni numeriche eseguite con il modello della Unit Cell hanno indicato che questo effetto potrebbe essere dovuto alla localizzazione della deformazione lungo i ligamenti inter-noduli supportati dall’addolcimento termico.

Influenza dello spessore sul limite di fatica di provini cilindrici intagliati prodotti in ghisa sferoidale as-cast o trattata termicamente

Autori: Franco Zanardi, Stefano Masaggia

Zanardi Fonderie SPA

25 novembre 2020

La presentazione illustra l’applicazione di una procedura di progettazione a fatica in presenza di effetti di intaglio, che rappresenta un’estensione non convenzionale della Meccanica della Frattura Lineare Elastica agli intagli ad U e a V aventi angolo di apertura, dimensioni e raggio di fondo intaglio arbitrari (in breve LENM, ovvero Meccanica dell’intaglio Lineare elastica).

Caratteristiche meccaniche delle ghise sferoidali dopo l’esposizione prolungata ad alta temperatura

Autori: Alessandro Morri, Lorella Ceschini, Stefania Toschi, Stefano Masaggia

  • Department of Industrial Engineering, University of Bologna
  • Department of Civil, Chemical, Environmental, and Material Engineering, University of Bologna
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOURNAL: Journal of materials engineering and performance

4 marzo 2019

Le ghise sferoidali (GJS) sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni industriali. Il loro impiego è però spesso limitato a componenti operanti a temperatura ambiente, in quanto l’esposizione prolungata ad alta temperatura può portare alla decomposizione sia dell’ausferrite che della perlite, con conseguente riduzione della resistenza. Il presente articolo ha valutato gli effetti dell’esposizione prolungata ad alta temperatura sulla microstruttura e sulla resistenza residua delle ghise sferoidali con diversa matrice, dopo permanenza isotermica a temperature comprese tra 200 e 600°C. Le analisi microstrutturali hanno evidenziato che l’esposizione a lungo termine a temperature superiori a 500°C porta alla completa decomposizione delle microstrutture della matrice ausferritica e perlitica, mentre i test di durezza hanno mostrato che la durezza è stabile fino a 500°C per la ghisa sferoidale perlitica, fino a 450-500°C per la ghisa sferoidale ausferritica e fino a 400-450°C per la ghisa sferoidale perferritica. L’esposizione a 500°C per 240 ore induce una riduzione della resistenza a trazione di IDI e ADI, rispettivamente del 10 e del 25% (sia per prove di trazione a temperatura ambiente che a 500°C), mentre non ha effetti significativi sulle ghise perlitiche.

Confronto del comportamento a fatica a basso e medio numero di cicli tra ghise sferoidali ferritiche, ghise sferoidali perlitiche, ghise sferoidali isotermate e ghise sferoidali austemperate

Autori: G. Meneghetti, M. Ricotta, S. Masaggia, B. Atzori

  • University of Padova Department of Industrial Engineering
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOURNAL: Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures – FFEMS

18 marzo 2013

“In questo lavoro viene descritto il comportamento a fatica di alcune ghise sferoidali per applicazioni strutturali con riferimento alla vita a fatica espressa in termini di curve di deformazione vs cicli, tensione vs cicli e curve cicliche stabilizzate.
Sono state effettuate prove di fatica assiale in controllo di deformazione su ghise ferritiche, perlitiche, isotermate e ghise sferoidali austemperate. Le stesse prove sono state eseguite su un acciaio strutturale a scopo di confronto. I dati sperimentali sono stati elaborati sia secondo la prassi comune che, secondo una recente procedura proposta dagli autori, al fine di garantirne le condizioni di compatibilità. Al contrario, se si applica la prassi comune, le condizioni di compatibilità sono soddisfatte solo approssimativamente. Infine, i risultati delle prove sperimentali di fatica sui diversi materiali vengono confrontate e discusse nell’ottica di applicazione su componenti strutturali.”

Resistenza a fatica di giunti dissimili saldati ad arco in ghisa sferoidale austemperata e acciaio

Autori: G. Meneghetti, A. Campagnolo, D. Berto, E. Pullin, S. Masaggia

  • Department of Industrial Engineering, University of Padova
  • Zanardi Fonderie Spa

JOURNAL: Welding in the World

22 febbraio 2021

Al giorno d’oggi, l’impiego di diverse classi di materiali in una medesima struttura assemblata è cresciuto per stare al passo con l’innovazione e le elevate prestazioni strutturali richieste. In questo contesto, è necessario unire componenti strutturali realizzati con materiali diversi e una possibile soluzione è rappresentata dalla saldatura ad arco. Giunti saldati dissimili devono spesso essere in grado di resistere a carichi di fatica; tuttavia, gli standard di progettazione forniscono categorie di resistenza a fatica solo per giunti saldati omogenei. Lo scopo del presente articolo è confrontare il comportamento a fatica di giunti dissimili in ghisa sferoidale austemperata EN-GJS-1050 e acciaio S355J2 rispetto alle categorie dei corrispondenti giunti saldati omogenei in acciaio, come suggerito in International Standard e Raccomandazioni. A tale scopo sono state eseguite prove sperimentali di fatica su una selezione di giunti saldati dissimili. In primo luogo, la microstruttura è stata identificata mediante analisi metallografica; misure di microdurezza sono state raccolte, e i profili di stress residuo sono ottenuti utilizzando la tecnica della diffrazione a raggi X su una selezione di giunti saldati dissimili. I disallineamenti sono stati quantificati per tutti i campioni. Successivamente, sono state eseguite prove sperimentali di fatica su un adeguato numero di geometrie saldate soggette a carichi assiali o flessionali, nelle condizioni as-welded. Le superfici di frattura dei giunti sono state analizzate per individuare i punti d’innesco delle cricche da fatica.

Il ruolo della microstruttura sul comportamento plastico della ghisa sferoidale GJS 400 prodotta attraverso differenti diverse velocità di raffreddamento – Parte I: Microstruttura

Autori: Giuliano Angella, Dario Ripamonti, Marcin Górny, Stefano Masaggia and Franco Zanardi

  • National Research Council of Italy (CNR)
  • Institute of Condensed Matter Chemistry and Technologies for Energy (ICMATE)
  • Faculty of Foundry Engineering, Department of Cast Alloys and Composites -Engineering, AGH University of Science and Technology
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOURNAL: MDPI

29 novembre 2019

Una serie di campioni di ghisa sferoidale GJS 400 sono stati fusi in condizioni di differenti velocità di raffreddamento per studiarne le caratteristiche microstrutturali. Sono state eseguite analisi metallografiche quantitative conformi agli standard ASTM E2567-16a e ASTM E112-13 per descrivere i noduli di grafite e i grani ferritici. La presenza di perlite è stata associata a segregazioni descritte attraverso spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). I risultati sono stati correlati alle velocità di raffreddamento, che sono state simulate tramite il software MAGMASOFT. Questa caratterizzazione microstrutturale, che fornisce la base per la descrizione e la modellazione delle proprietà meccaniche della ghisa sferoidale GJS 400, oggetto di una seconda parte di questa indagine, evidenzia che velocità di raffreddamento più elevate permettono di affinare le caratteristiche microstrutturali, come il numero di noduli di grafite e la dimensione media dei grani ferritici.

Il ruolo della microstruttura sul comportamento plastico della ghisa sferoidale GJS 400 prodotta attraverso differenti diverse velocità di raffreddamento -Parte II: Modellazione della curva di flusso di trazione

Autori: Giuliano Angella, Riccardo Donnini, Dario Ripamonti, Marcin Górny, Franco Zanardi

  • National Research Council of Italy (CNR), Institute of Condensed Matter Chemistry and Technologies for Energy (ICMATE)
  • Faculty of Foundry Engineering, Department of Cast Alloys and Composites -Engineering, AGH University of Science and Technology
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOURNAL: MDPI

29 novembre 2019

Prove di trazione su ghisa sferoidale GJS 400 avente differenti microstrutture prodotte attraverso quattro diverse volocità di raffreddamento, sono state eseguite per studiare la rilevanza dei parametri della microstruttura sul suo comportamento plastico. La modellazione della curva di flusso di trazione è stata effettuata con l’approccio di Follansbee ed Estrin-Kocks-Mecking, che ha consentito una correlazione esplicita tra il comportamento plastico e alcuni parametri della microstruttura. Nel modello, la dimensione del grano ferritico e la frazione in volume di perlite e grafite sono stati usati come input nella prima parte dell’indagine, mentre altri parametri, come il conteggio dei noduli e la spaziatura delle lamelle della perlite, sono stati trascurati.
Il modello combaciava molto bene con le curve di flusso plastico sperimentali ad alte deformazioni, mentre è stata riscontrata una certa discrepanza rispetto a piccole deformazioni, che è stata attribuita alla decoesione tra i noduli di grafite e la matrice ferritica verificatasi subito dopo lo snervamento. Si può concludere che il comportamento plastico di una ghisa sferodiale GJS 400 dipende principalmente dalla dimensione del grano ferritico e dalla frazione in volume della perlite, mentre gli altri parametri di microstruttura possono essere trascurati.”

Fatica di contatto su componenti dentati in ghisa sferoidale austemperata

Autori: Fabian Goergen, Dieter Mevissen, Stefano Masaggia, Enrico Veneri, Jens Brimmers, Christian Brecher

  • Laboratory for Machine Tools and Production Engineering (WZL) of RWTH Aachen University
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOPURNAL: MDPI

20 agosto 2020

La ghisa sferoidale austemperata (ADI) è ampiamente implementata per ottenere componenti leggeri e ottimizzati nelle trasmissioni di potenza (ad esempio, ingranaggi interni dei porta planetari), sostituendo le fusioni in acciaio o strutture assemblate ottenuta da combinazioni di ghisa sferoidale e acciaio. In questo articolo, la fatica di contatto di due gradi ADI (ADI J/S900-8; ADI J/S1200-3) viene studiata mediante test disk-on-disk. Il contatto disco contro disco è un modello analogo del contatto del dente e rappresenta le condizioni tribologiche in un punto specifico del percorso di contatto. I risultati sperimentali coprono il limite di durata così come il comportamento a fatica a breve termine per entrambi i gradi ADI. Inoltre, vengono analizzate la resistenza al pitting e i cambiamenti microstrutturali per comprendere approfondiatamente il comportamento a fatica dell’ADI.

Analisi della transizione di fase e della microstruttura della ghisa sferoidali perferritica istotermica (IDI)

Autori: Martin Landesberger, Robert Koos, Maximilian Erber, Matteo Pernumian, Stefano Masaggia, Markus Hoelzel, Wolfram Volk

  • Technische Universität München
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOURNAL: International Journal of Cast Metals Research

21 ottobre 2020

L’analisi ottica, la dilatometria così come la difrattrometria di neutroni sono utilizzati per investigare le transizioni di fase nelle ghise sferoidali sia in-situ sia dopo il trattamento termico adottato per l’ottenimento di ghisa sferoidale isotermata (IDI). L’idonea temperatura di ricottura (austeniztizzazione) viene stabilita con riferimento al diagramma di fase e per una determinata tipologia di lega. La transizione di fase che avviene poco sopra la temperatura intercritica superiore è seguita mediante diffrazione di neutroni, mentre la dilatometria chiarisce l’evoluzione della microstruttura della IDI per velocità di raffreddamento da 40 a 0.125 K/s. I risultati della dilatometria sono presentati nel diagramma CCT e ulteriormente analizzati mediant indagini metallografiche. Un ulteriore metodo di attacco metallografico colorato è la base per discutere la formazione di perlite/ferrite. La presenza del 2 % in volume di ferrite era sufficiente per ottenere la tipica microstruttura della IDI. In conclusione, sono state analizzate anche la frazione in volume e la struttura cristallina della cementite. Le costanti reticolari di ferrite e cementite sono indipendenti dalla microstruttura ottenuta.

Stima del limite di fatica di componenti realizzati in ghisa sferoidale austemperata indeboliti da un intaglio a V.

Autori: Giovanni Meneghetti, Stefano Masaggia

  • University of Padova, Department of Industrial Engineering
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

2012

Una procedura di calcolo a fatica precedentemente pubblicata in letteratura è stata applicatA per stimare il limite di fatica in presenza di intagli a forma di V. Quando il raggio all’apice dell’intaglio si avvicina a valori molto ridotti, il modello si basa sul mode I notch-stress intensity factor. Al contrario, quando il raggio all’apice dell’intaglio è grande, l’approccio della meccanica classica basato sul fattore di concentrazione degli sforzi lineare elastico è applicabile. Lo strumento di progettazione risultante consente di valutare qualsiasi tipo di geometria dell’intaglio, vale a dire a forma di U, a forma di V e con qualsiasi dimensione e raggio all’apice dell’intaglio. Il noto effetto scala mostrato dal diagramm di Kitagawa-Takahashi valido per la cricche è incluso come caso particolare. Il modello di calcolo a fatica richiede due parametri del materiale, che sono il limite di fatica sul liscio e il valore di soglia della variazione del fattore di intensificazione degli sforzi per le cricche lunghe. La procedura di progettazione a fatica proposta è stata applicata per stimare il limite a fatica di provini rotondi e di un ingranaggio in ghisa sferoidale austemperata ADI 1050. Sia i provini che gli ingranaggi erano caratterizzati dalla presenza di un intaglio a V con angolo di apertura dell’intaglio di 120°. Le stime teoriche sono state ritenute in discreto accordo con i risultati della prova di fatica sperimentale.

Centri ruota alleggeriti e a bassa emissione acustica realizzati in ghisa sferoidale austemperata

Autori: Andrea Bracciali, Stefano Masaggia, Gianluca Megna, Enrico Veneri

  • Department of Industrial Engineering, Università di Firenze
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

2019

Le ruote monoblocco rappresentano la scelta principale di tutti i produttori e gestori di sistemi (treni e metropolitane) grazie al loro peso ridotto, alla semplice manutenzione e ai facili processi di omologazione. Tuttavia, considerando che al giorno d’oggi i freni a disco sono utilizzati in quasi tutti i veicoli, le ruote gommate potrebbero essere di nuovo competitive in alcune situazioni, a patto che venga eseguita una corretta riprogettazione. Sia i centri ruota che gli pneumatici possono essere fabbricati in modo diverso per eliminare le caratteristiche critiche del loro design antiquato. Materiali e forme possono essere gestiti per ottimizzare sia la massa che la manutenzione. In questo lavoro viene descritto il processo di progettazione di nuovi corpi ruota in ghisa sferoidale austemperata (ADI) per una Diesel Multiple Unit (DMU), con particolare riferimento alle simulazioni di colata e alla valutazione della resistenza statica e a fatica. Vengono inoltre introdotte le proprietà meccaniche dell’ADI e confrontate con quelle degli acciai normalmente utilizzati per le ruote ferroviarie.

Riclassificazione dei gradi delle ghise a grafite sferoidale sulla base delle esigenze progettuali

Autori: Franco Zanardi, Carlo Mapelli, Silvia Barella

  • Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano
  • Zanardi Fonderie S.p.A.

JOURNAL: International Journal of Metalcasting – Springer

2019

La classificazione dei gradi all’interno di una famiglia di materiali dovrebbe essere basata sulle proprietà richieste dalle procedure di progettazione. Questo documento propone una riclassificazione dei gradi di ghisa sferoidale ferritico-perlitica e ausferritica (ADI) basata sulla resistenza allo snervamento Rp0.2 (yield strength YS), rapporto di resistenza Rm/Rp0.2 (strength ratio SR) ed allungamento alla frattura A5 (elongation at fracture EF). Questi parametri infatti sono fondamentali per la valutazione statica secondo le linee guida FKM e BS 7910: 2005. La verifica statica a temperatura ambiente, che considera la deformazione plastica in funzione dello spessore e della triassialità dello stato di sollecitazione, viene qui proposta come la più significativa per la classificazione del materiale. Tutte le altre proprietà (es. fatica sotto carichi ciclici, elevate velocità di deformazione ed effetto della temperatura, ecc.), dovrebbero essere riportate con riferimento alla classificazione sopra menzionata. SR ed EF controllano la deformazione plastica all’apice dell’intaglio, dove viene ridistribuita la massima sollecitazione calcolata elasticamente. Il valore Rp0.2 minimo viene solitamente assunto come parametro di base per la progettazione a carico statico e ciclico. A causa della relazione inversa che esiste tra resistenza e duttilità, il controllo di durezza Brinell e l’indice di qualità dei materiali dovrebbero essere adottati come strumenti di controllo della qualità dei materiali, prevenendo un allungamento a rottura troppo basso. La tenacità alla frattura e il suo rapporto con la resistenza allo snervamento dovrebbero essere conside rati al fine di prevenire fratture fragili causate dalla presenza di possibili difetti. Le definizioni di tenacità alla frattura e i dati disponibili non sono sufficientemente coerenti per un corretto confronto tra i diversi gradi di materiale. È indicata una stima indiretta della tenacità, utilizzando il risultato della prova Charpy (1).

Pubblicazioni scientifiche sulla ghisa

Trasformazione di fase cinetica nella ghisa sferoidale austemperata (ADI) in relazione al contenuto di Mo

Autori: Martin Landesberger, Robert Koos, Michael Hofmann, Xiaohu Li, Torben Boll, Winfried Petry and Wolfram Volk

  • Technical University of Munich
  • Institut für Angewandte Materialien—Werkstoffkunde (IAM-WK), Karlsruhe Institute of Technology

JOURNAL: MDPI

26 agosto 2020

La trasformazione ausferritica durante il trattamento termico ADI può essere significativamente influenzata dall’elemento di lega Mo (molibdeno). Utilizzando la diffrazione di neutroni la trasformazione di fase da austenite ad ausferrite viene monitorata in-situ durante il trattamento termico. In aggiunta viene studiato l’arricchimento di carbonio dell’austenite residua. I risultati della diffrazione di neutroni vengono confrontati con le misure ottenute da prove dilatometriche.
I risultati mostrano che i dati dilatometrici hanno un’utilità limitata per lo studio della formazione dell’ ausferrite. Consentono però di ricavare il tempo di massimo arricchimento di carbonio nell’austenite residua. Inoltre, è stata studiata la trasformazione ausferritica utilizzando metodi metallografici. Infine, la distribuzione degli elementi di lega in prossimità della zona di interfaccia austenite/ferrite è mostrata dalle misurazioni mediante tomografia a sonda atomica (APT). Carbonio e manganese si arricchiscono all’interno dell’interfaccia, mentre la concentrazione di Silicio si riduce. La concentrazione di Molibdeno nella ferrite, all’interfaccia e nell’austenite rimane allo stesso livello. Il ritardo del decadimento dell’austenite durante lo stadio II di reazione causata da Mo, viene studiata in dettaglio a 400 °C per il materiale iniziale così come nel caso di aggiunte di 0,25% e 0,50% in peso di Mo.

Effetto della superficie grezza sulle proprietà a fatica nelle ghise a grafite compatta

Autori: S. Boonmee, D. Stefanescu

JOURNAL: International Journal of metalcasting – Springer

2013

Precedenti studi hanno dimostrato che la superficie grezza causa una riduzione della resistenza a fatica nelle ghise a grafite compatta. La superficie grezza ha un importante effetto sulle proprietà a fatica del materiale. Questo documento esplora gli effetti della nodularità (15, 30 e 40%) e delle condizioni della superficie di un getto campione (grezzo, lavorato e sabbiato) sulla resistenza fatica a flessione di una ghisa a grafite compatta. Un coefficiente di fatica superficiale è stato definito come il rapporto del limite di fatica tra getto grezzo e getto lavorato. E’ stato trovato che il coefficiente di fatica superficiale aumenta da 0,68 a 0,85 quando la nodularità decresce dal 40% al 15%. Sui campioni con una nodularità pari al 15% è emerso che la risabbiatura superficiale porta ad un miglioramento del limite a fatica e minimizza l’effetto del superficie grezza. L’effetto della risabbiatura su un campione grezzo ha portato ad un aumento del 42,5% del limite di fatica. Dall’esame metallografico è emersa una significativa deformazione plastica sulla superficie risabbiata. Il test di microdurezza ha rilevato che la profondità dello strato incrudito dopo risabbiatura è di circa 0,8 mm (0.031 in).

Austemperabilità della ghisa sferoidale austemperata intercritica

Autori: Ricardo Aristizabal-Sierra, Kathy Hayrynen, Robin Foley, John Griffin, Charles Andrew Monroe

Conference: 118th Metalcasting Congress

JOURNAL: American Foundry Society

2014

Le eprovette a gradini in IADI sono state prodotte con uno spessore di 0.6 in (1.6 cm), 1 in (2.5 cm), e 2 in (5.1 cm), utilizzando rispettivamente una ghisa “basso legata” (Cu = 0,7 wt%) e una ghisa “alto legata” (Cu = 0.7 wt%, Ni = 0.7 wt%). Per ogni lega sono state testate due differenti temperature intercritiche di austenitizzazione. Nessuna traccia di perlite è stata rilevata in nessuna delle sezioni di 0.6 in (1.6 cm) di spessore. Nel campione da 1 in (2.5 cm) non è stata individuata perlite con la soluzione alto legata mentre una piccola quantità di perlite è stata trovata nei due campioni basso legati.In una delle sezioni da 2 in (5.1 cm) è stata trovata una significativa presenza di perlite in tutte le condizioni testate. La presenza di ferrite aumenta con il calare della temperatura di austenitizzazione e all’aumentare dello spessore. La resistenza a trazione nei campioni prelevati dallo spessore 0.6 in (1.6 cm) è maggiore di quella dei campioni con ricavati dagli altri spessori. Una struttura grezza grossolana ottenuta nelle sezioni più spesse porta ad un deterioramento delle proprietà, ma anche i limiti di austemperabilità dei campioni contribuiscono a queste differenze.

Ghisa sferoidale: storia e applicazione

Autori: Andrew Ruble

Department of Materials Science & Engineering University of Washington

Il modulo introduce il tema della ghisa e delle sue svariate applicazioni. La ghisa, come l’acciaio, è composta principalmente da ferro e carbonio. Tuttavia, la composizione chimica di una ghisa sferoidale è vicina al 4% di carbonio, ed assieme al silicio compreso tra l’1 e il 3%, influenza notevolmente la microstruttura di ferro e carbonio, determinando la formazione di grafite, una forma cristallina del carbonio, invece della cementite (Fe3C). La ghisa si può dividere in alcuni gruppi principali e tre di questi sono discussi in questo modulo: ghisa grigia con grafite lamellare, ghisa sferoidale con grafite nodulare e ghisa a grafite compatta o vermiculare con grafite a forma di vermiculi, da cui il nome. La discussione sulle proprietà è accompagnata dall’attività di testing che dimostra le proprietà di smorzamento delle vibrazioni della ghisa.

Il micromeccanismo di danneggiamento all’apice di una cricca nelle ghise sferoidali perlitiche

Autori: Francesco Iacoviello, Vittorio Di Cocco, Mauro Cavallini

JOURNAL: Frattura ed Integrità Strutturale

24 giugno 2014

Negli ultimi anni, sono stati ampiamente investigati i micromeccanismi di danneggiamento delle ghise sferoidali: la microstruttura della ghisa sferoidale (da quelle ferritico-perlitiche a quella austemperate), la morfologia della grafite (forma, dimensione e distribuzioni) e le condizioni di carico, sono stati i principali parametri indagati. Concentrandosi sul ruolo svolto dal noduli di grafite, questi venivano considerati semplici vuoti incorporati in una matrice metallica. In realtà, recenti analisi hanno evidenziato come il loro ruolo rispetto all’evoluzione del danneggiamento delle ghise sferoidali sia più complesso ed influenzato dalla microstruttura della matrice. In questo lavoro, il micromeccanismo di danneggiamento all’apice di una cricca in una ghisa sferoidale perlitica viene studiato considerando sia la fatica, sia gli effetti dei sovraccarichi, focalizzando l’interazione tra la cricca e la microstruttura indagata (matrice perlitica e noduli di grafite). Sulla base dei risultati sperimentali, l’applicabilità della norma ASTM E399 sulla caratterizzazione della resistenza alla propagazione della cricca a fatica nelle ghise sferoidali perlitiche viene rianalizzata in modo critico.

Misurazioni in-situ della trasformazione di fase cinetica nella ghisa sferoidale austemperata

Autori: Leopold Meier, Michael Hofmann, Patrick Saal, Wolfram Volk, Hartmut Hoffmann

Technische Universität München

JOURNAL: ScienceDirect – Elsevier

10 settembre 2013

Una ghisa sferoidale austemperata (ADI) con il 0,42% di Mn e lo 0,72% di rame è stata trattata per mezzo di un impianto sperimentale denominato “mirror furnace” e le transizioni di fase sono state studiate “in-situ” attraverso la diffrazione di neutroni. Il trattamento termico prevede una fase di austenitizzazione a 920° C e una fase di austempering isotermico a 400° C, 350° C e 300° C, rispettivamente. A causa della crescita della ferrite aciculare, il contenuto di austenite decresce rapidamente a tutte le temperature nei primi 15-20 minuti e raggiunge un plateau stabile dopo 35 min (400° C) e dopo 80 min (300° C). Il contenuto di carbonio nell’austenite residua, che è stato monitorato e caratterizzato analizzando il cambiamento della costante reticolare, aumenta fino al 1.6% wt. a causa della redistribuzione della nuova ferrite appena formata. Se da una parte, a temperature di austempering più elevate, quanto descritto avviene quasi parallelamente alla trasformazione di fase, a 300 °C la ridistribuzione del carbonio nell’austenite ritarda notevolmente. Inoltre, i dati ottenuti dalla diffrazione di neutroni hanno rivelato un assimetria nel picco dell’austenite durante la fase di austempering, che è attirbuito alla successiva trasformazione di fase. Tale risultato è dovuto alla presenza temporanea di due frazioni di austenite, un iniziale a basso contenuto di carbonio e una arricchiata ad alto contenuto di carbonio.

Caratterizzazione e progettazione di ghise sferoidali ad alte prestazioni

Autori: Dr.-Ing. Martin Landesberger

UNIVERSITA’: Technische Universität München

15 giugno 2022

Il presente lavoro affronta il tema del trattamento termico della ghisa sferoidale. Si tratta di un trattamento in grado aumentare significativamente le proprietà meccaniche di questa classe di materiale. Per concretizzare tale potenziale, è necessaria una profonda comprensione dei processi di trasformazione di fase e delle risultanti microstrutture che si formano durante il trattamento termico. Infatti, a seconda dei livelli di temperatura selezionati e dei tempi di mantenimento, si formano microstrutture molto diverse nei getti di ghisa sferoidale. La distribuzione del carbonio (C) incorporato nella matrice di ferro è decisiva. Nel trattamento termico per ottenere una ghisa sferoidale perferritica isotermata (IDI), il carbonio assume un ruolo importante nella formazione del reticolo perlitico-ferritico, mentre nella ghisa sferoidale austemperata (ADI) assicura la stabilità dell’austenite a temperatura ambiente e consente la formazione di ferrite aciculare. Nell’ADI, la ferrite aciculare, insieme all’austenite residua, forma la microstruttura ausferritica, con grado di finezza variabile in funzione del controllo della temperatura. I trattamenti termici della ghisa sferoidale IDI e ADI consistono in una ricottura isotermica ad alta temperatura (austenitizzazione), a cui segue una fase isotermica tra 250 °C e 425 °C dopo lo spegnimento in bagno di sali. Infine, il materiale viene raffreddato a temperatura ambiente. La differenza principale tra il ciclo di trattamento dei due materiali è nella fase ad alta temperatura. Mentre l’ ADI è completamente austenitizzata a circa 900 °C, per la IDI si punta ad una struttura mista di austenite e ferrite. Questo viene fatto mediante ricottura intercritica IDI a circa 820 ° C. Una volta ottenuta una comprensione sufficiente della trasformazione di fase per le diverse leghe, le proprietà meccaniche possono essere adattate ad applicazioni specifiche, in particolare per le ADI. Per evitare la formazione di perlite durante il processo di tempra, nelle ghise ADI è necessario utilizzare leganti come Cu, Ni e Mo. La IDI si propone come alternativa a basso costo all’ADI a causa della bassa richiesta di elementi di lega, se sono richieste proprietà intermedie tra le ghise sferoidali perlitiche e le ghise ADI. Utilizzando vari metodi in-situ ed ex-situ, questo lavoro fornisce un contributo fondamentale alla comprensione del processo nella produzione delle due tipologie di ghise sferoidali ad alte prestazioni. La dilatometria così come la difrazione di neutroni, permettono di osservare direttamente il processo di trasformazione così come l’arricchimento di C dell’austenite. Alla caratterizzazione della cinetica di trasformazione della IDI è seguita una dettagliata fase di analisi dell’influenza del Mo sulla definizione della finestra di processo del trattamento termico delle ADI. Estese analisi metallografiche forniscono informazioni sul decadimento dell’austenite residua e dell’associata formazione di carburi ε quando si supera la soglia della finestra di processo. Ulteriori informazioni sulla caratterizzazione della microstruttura ausferritica sono state ottenuti attraverso le misure di diffrazione degli elettroni retrodiffusi (EBSD). Infine, la tomografia a sonda atomica viene utilizzata per individuare il C e altri elementi di lega contenuti nella microstruttura ausferritica a livello atomico. Questi metodi vengono poi utilizzati per definire una lega ADI da utilizzare nei componenti soggetti a fatica. Resistenza a trazione, durezza, resistenza all’impatto/resilienza Charpy e proprietà cicliche del materiale sono state determinate per i livelli di temperatura di 300° C, 350° C e 400° C. In particolare, per la temperatura di a 350° C il tempo di mantenimento in condizioni isotermiche è ottimizzato per assicurare una produzione efficiente da punto di vista energetico e relativo risparmio di risorse ove possibile.

Tesi di laureaeseguite in Zanardi Fonderie SpA

Comportamento a Strisciamento-Rotolamento ADI, IDI e 42CrMo4 QT+Ni

Studente: Giuliari

2013

In questo lavoro è studiato il comportamento a strisciamento-rotolamento a secco di ghise sferoidali austemprate (ADI). Lo studio è rivolto a sei tipi di ghise e un acciaio nitrurato, usato come confronto, materiali prodotti dall’azienda Zanardi Fonderie S.p.A.. Lo studio del comportamento a strisciamento-rotolamento viene affrontato per simulare il danneggiamento tribologico che si verifica in diversi sistemi come ingranaggi e sistemi camma-punteria. Si affronta il comportamento a secco per analizzare al meglio il ruolo della microstruttura e si utilizzano ghise sferoidali austemperate perché sono usate spesso in applicazioni tribologiche, soprattutto in quelle con antagonista dello stesso tipo, in acciaio o in lega di rame. Le ghise e l’acciaio sono sottoposti a prove a secco di rotolamento-strisciamento (strisciamento del 10%) nella configurazione disco contro disco, usando un tribometro Amsler. In questo modo è possibile costruire la curva di usura e confrontare così la prestazione dei diversi materiali in studio. Inoltre, durante ogni prova, viene registrata l’evoluzione del coefficiente d’attrito in modo da poter capire l’influenza della grafite e stabilire l’eventuale esistenza di transizioni del meccanismo di usura. Per interpretare i risultati ottenuti, i provini usurati sono stati sottoposti ad indagine metallografica per caratterizzare al meglio l’evoluzione del danneggiamento superficiale, attraverso osservazioni delle tracce di usura con l’ausilio di un microscopio elettronico a scansione ed, effettuando osservazioni con un microscopio ottico su sezioni ricavate perpendicolarmente alla traccia di usura, si può capire l’eventuale insorgenza di cricche ed il loro ruolo.

Studio dialometrico del trattamento di Austempering delle ghise nodulari

Studente: Marco dal Molin

Università: Università degli studi di Trento

Relatori: Straffellini Giovanni e Pellizzari Massimo

2013

In ambito industriale la ghisa rappresenta uno dei materiali metallici più utilizzati, soprattutto per la realizzazione di getti da impiegare nell’industria meccanica. Il successo che questo materiale ha riscosso negli anni è legato alla sua ottima colabilità, cosa che lo rende particolarmente adatto ai processi di colata classici, come ad esempio il processo in sabbia, con i quali possono essere realizzati facilmente anche componenti di grandi dimensioni.
Da sempre la ghisa è però considerata come un materiale “povero”, adatto solamente a quegli impieghi dove non siano richieste proprietà meccaniche particolarmente elevate o dove le sollecitazioni tipiche nella fase di utilizzo siano limitate. Nella ghisa infatti sono presenti particelle di grafite che favoriscono la frattura fragile; non possono essere applicati quindi tutti i processi di deformazione plastica come la forgiatura e la laminazione , che generano un rinforzo del materiale mediante incrudimento. Non è nemmeno possibile sfruttare i processi di ricristallizzazione correlati alla deformazione plastica, che permetterebbero di modificare la matrice metallica del materiale; permane invece una struttura di solidificazione, caratterizzata dall’inevitabile presenza di segregazione degli elementi di lega e disomogeneità che influiscono sulle proprietà finali.
L’unica strada percorribile per migliorare le proprietà meccaniche di un getto in ghisa rimane quindi quella dei trattamenti termici per modificare la microstruttura della matrice. Il trattamento di austempering in particolare risulta essere uno dei processi più interessanti, grazie alle ottime proprietà meccaniche ottenibili; attraverso infatti la nucleazione di una struttura mista di bainite ed austenite ritenuta, si ottengono valori di resistenza meccanica molto elevati, uniti ad una buona tenacità del materiale.

Determinazione della finestra di processo di austempering di ghise sferoidali austemperate al variare del contenuto di Silicio

Studente: Montanari Andrea

Università: Università degli studi di Padova (DTG)

Relatore: Chiar.mo Prof. Franco Bonollo

Correlatore di Zanardi Fonderie: Federico Vettore

2015

L’attività di tesi esposta nel presente lavoro, svolto mediante la collaborazione di Zanardi Fonderie S.p.A., riguarda una caratterizzazione microstrutturale e meccanica di tre tipologie di ghisa sferoidale differenziate per, principalmente, un diverso contenuto di silicio le quali hanno subito un trattamento termico di austempering per la massimizzazione delle proprietà di resistenza e tenacità. L’obiettivo della ricerca è stato quindi di valutare l’impatto di un particolare trattamento termico sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche ottenibili, secondo una metodica analoga a quella industriale, in modo da rilevare la cosiddetta finestra di processo ottimale che vada a massimizzare le performance del materiale per la produzione di una relativamente nuova famiglia di materiale che risponde al nome di ghisa ADI. A tale scopo si è quindi valutato l’effetto delle temperature e dei tempi delle fasi di austenitizzazione e austempering e la loro influenza nella formazione della struttura ausferritica; in seguito, i dati quantitativi microstrutturali sono stati incrociati con i risultati dei test meccanici in modo da verificare per quali parametri di processo si manifesti il miglior compromesso tra caratteristiche di resistenza e tenacità.

Influenza del mantenimento prolungato in temperatura sulla microstruttura e sul comportamento meccanico di ghise ad alte prestazioni

Studente: Valentina Catellani

Università: Università di Bologna

Relatore: Chiar.mo Prof. Alessandro Morri

Correlatore di Zanardi Fonderie: Ing. Stefano Masaggia

2017

Le ghise sono materiali utilizzati in diversi settori e trovano impiego in settori anche molto diversi fra loro, dall’architettura, all’idraulica oleodinamica e pneumatica, alle macchine utensili e all’automotive.
Le ghise sferoidali, in particolare, sono caratterizzate da proprietà meccaniche superiori alle altre classi di ghise, buona duttilità, resistenza a fatica e resilienza, oltre ad avere ottima colabilità e fluidità.
Attualmente, pur essendo queste ghise utilizzate anche per applicazioni in temperatura e per applicazioni che richiedono un’elevata resistenza agli shock termici, i dati reperibili in letteratura sul loro comportamento meccanico dopo lunga esposizione ad alta temperatura sono estremamente scarsi e non sistematici. Questo ne limita la loro diffusione in applicazioni in cui le ghise sferoidali potrebbero sostituire acciai bonificati. Obiettivo dell’attività di tesi è stato quindi valutare l’effetto dell’esposizione ad alte temperature sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche di quattro tipologie di ghise sferoidali prodotte dalle Fonderie Zanardi. I materiali presi in esame sono una ghisa sferoidale austemperata (ADI 1050), una ghisa sferoidale a matrice perlitica (GJS/800-2), una ghisa sferoidale perferritica (IDI 800) e una ghisa sferoidale ferritica (GJS/400-18). Per tale ragione le ghise, dopo un degrado controllato in forno, sono state sottoposte a misure di durezza e prove di trazione sia a temperatura ambiente che a 500°C, e ad una completa caratterizzazione microstrutturale avvalendosi della microscopia ottica e della microscopia elettronica in scansione. I dati ottenuti sono stati elaborati e commentati anche tenendo conto dei risultati di precedenti sperimentazioni scientifiche.

Sviluppo di approcci locali per la stima della vita a fatica di giunti saldati dissimili ghisa sferoidale austemperata-acciaio.

Studente: Elena Pullin

Università: Università degli Studi di Padova

Relatore: Prof. Giovanni Meneghetti

Correlatore di Zanardi Fonderie: Ing. Stefano Masaggia

13 dicembre 2019

Al giorno d’oggi l’impiego di differenti classi di materiali in una medesima struttura è aumentato per tenere il passo con l’innovazione e i sempre più alti requisite prestazionali richiesti dai prodotti. In questo contesto, componenti strutturali realizzati con materiali diversi devono essere uniti tra loro; una possibile soluzione è data dalla saldatura ad arco. Poiché nell’impiego i giunti saldati dissimili devono essere in grado di resistere a carichi ciclici, il presente lavoro si propone di confrontare il comportamento a fatica di giunti ibridi, in ghisa sferoidale austemperata e acciaio S355J2 rispetto ai corrispondenti giunti saldati omogenei in acciaio, in funzione degli standard e raccomandazioni internazionali. Per primi, analisi metallografica, misure di microdurezza e rilievi delle tensioni residue sono stati ottenuti su una selezione di giunti. I disallineamenti angolari e lineari sono stati quantificati per tutti i campioni. Quindi, sono state eseguite prove sperimentali a fatica sulla selezione di giunti saldati dissimili. Infine, i dati sperimentali sono stati rianalizzati in termini di approcci locali per prendere esplicitamente in considerazione le concentrazioni degli sforzi e fornire il miglior livello di accuratezza per la valutazione della resistenza a fatica delle strutture saldate.