Additive manufacturing per componenti meccanici?

Caratterizzazione del comportamento a fatica, sia ad alto (HFC) sia a basso (LCF) numero di cicli, di un acciaio 17-4 PH SS prodotto mediante manifattura additiva.

Negli ultimi anni, la produzione additiva (AM) si è trasformata in una tecnologia emergente e sono ormai sul mercato un numero interessante di polveri metalliche. Per l’adozione su larga scala di questo processo è fondamentale una conoscenza accurata del comportamento meccanico dei materiali, anche considerando che spesso dati affidabili non sono ancora disponibili, così come non ci sono ancora standard dedicati per queste leghe. A questo proposito, lo scopo del presente lavoro è quello di caratterizzare il comportamento a fatica sia ad alto (HFC) sia a basso (LCF) numero di cicli per un acciaio inossidabile AM 17-4 PH. Per comprendere meglio le prestazioni della lega selezionata, sono state prodotte quattro serie di campioni cilindrici. Tre serie sono state prodotte tramite la tecnologia additive (SLM – Selective Laser Melting), utilizzando una macchina EOS M280. La prima serie è stata testata in condizioni as-built, la seconda è stata finita alle macchine utensili prima del test così da ottenere una finitura superficiale migliore, la terza serie è stata trattata tramite HIP (Hot Isostatic Pressing). Infine, è stata prodotta una quarta serie di campioni nello stesso materiale ma ottenuti da lingotto. L’influenza della finitura superficiale sul comportamento a fatica dei materiali AM è fondamentale, considerando che nella maggior parte delle applicazioni le parti prodotte mediante manifattura additiva possono presentare strutture reticolari o lattice, cavità interne o geometrie complesse, che devono essere messe in opera nelle condizioni as-built, dato che una successiva lavorazione di finitura superficiale non è conveniente o non è possibile. D’altro canto, viene spesso suggerito l’impiego di un processo di HIP per ridurre le porosità interne e, quindi, migliorare le proprietà meccaniche. I limiti di fatica ad alto numero di cicli sono stati ottenuti con un approccio stair-case secondo il metodo statistico proposto da Dixon. Il numero massimo di cicli (run-out) è stato fissato pari a 5.000.000. Anche la parte del diagramma di Wöhler relativa alla vita a termine è stata caratterizzata mediante ulteriori prove sperimentali a livelli di sollecitazione più elevati. Inoltre, i test a basso numero di cicli hanno permesso di ottenere anche le curve cicliche secondo Ramberg-Osgood e le curve deformazione-numero di cicli secondo Basquin-Coffin-Manson. I risultati ottenuti per le quattro diverse serie di provini hanno permesso di quantificare la riduzione delle prestazioni meccaniche dovuta agli attuali limiti della tecnologia additiva SLM (qualità superficiale, porosità interna, diversa solidificazione) rispetto alla produzione tradizionale e potrebbero essere utilizzati per migliorare la sicurezza e l’affidabilità del progetto, garantendo l’integrità strutturale delle applicazioni reali sotto carichi di fatica elastici ed elastoplastici.

Test di fatica ad alto numero di cicli (HCF)

I test di fatica ad alto numero di cicli (HCF) sono stati eseguiti su campioni cilindrici con una geometria progettata secondo la norma ASTM E466 [17]. La macchina utilizzata per i test sperimentali è una STEPLab-UD04 in grado di applicare fino a 5 kN a frequenza massima di 35 Hz [18].

Oltre ai test HCF, sono stati eseguiti anche test di trazione quasi-statici. Le prove di trazione sono state eseguite a temperatura ambiente con una velocità della traversa impostata a 0,1 mm/min. Tutti i campioni testati presentano la frattura tipica della rottura duttile. La deformazione plastica è stata confermata anche dalla presenza di una superficie di frattura fibrosa e irregolare.

Il limite di snervamento ottenuto con le prove quasi-statiche è stato utilizzato per la calibrazione dei parametri di Basquin (LCF), come descritto di seguito.

I test HFC sono stati eseguiti secondo la normativa ASTM E466 [17]. Il limite di fatica σF è stato calcolato con il metodo secondo Dixon [19–22]. Più nel dettaglio, sono stati eseguiti diversi test a diversi livelli di carico. Il metodo stair-case prescrive di definire un incremento di forza fisso (ΔF) tra un livello di carico e quello successivo.

Il valore effettivo di ΔF è stato impostato a 50 N, corrispondente a un intervallo di sollecitazione Δσ=10 MPa. Se il test i-esimo, eseguito a un livello di forza Fi, raggiunge la condizione di run-out (sopravvive a 5 milioni di cicli senza cedimento), la prova successiva deve essere eseguita ad un livello di forza aumentato di ΔF cioè Fi+1=Fi+ ΔF. In caso contrario, se il provino si rompe, il livello di forza deve essere diminuito di ΔF, ovvero Fi+1=Fi− ΔF.

Per le quattro serie di campioni le sequenze di rottura (x) / run-out (O) sono risultate le seguenti:
– as-built O–X–O–X–X–X con valore finale (ultimo livello di carico) xf = 265 MPa
– lavorato alle macchine utensili O–X–O–O–X–O con valore finale xf = 336 MPa
– hipped O–O–O–O–X–O con valore finale xf = 264 MPa
– NO-AM O–X–X–O–X–O con valore finale xf = 346 MPa

L’approccio statistico secondo Dixon considera, in aggiunta al numero di run-out (O) e cedimenti (X) anche l’ordine in cui questi avvengono. La significatività statistica dei risultati è assicurata da un coefficiente di correzione k. Il limite di fatica può essere calcolato come:
σF = xf + k ・Δσ

 

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