LA SUPERPLASTICITÀ Corso di “Tecnologie Speciali I” Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università degli Studi.

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1 LA SUPERPLASTICITÀ Corso di “Tecnologie Speciali I” Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università degli Studi di Napoli Federico II

2 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Il termine superplasticità è usato per indicare la straordinaria duttilità che alcune leghe metalliche esibiscono se sottoposte a particolari condizioni: Struttura della grana cristallina fine e stabile (~10  m)Struttura della grana cristallina fine e stabile (~10  m) Temperatura di formatura alta e costante (T>0.5T f )Temperatura di formatura alta e costante (T>0.5T f ) Velocità di deformazione bassa e controllata (10 -5 -10 -3 s -1 )Velocità di deformazione bassa e controllata (10 -5 -10 -3 s -1 ) LA SUPERPLASTICITÀ

3 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Gli allungamenti percentuali a rottura dei materiali superplastici tipicamente sono contenuti nel range 200% -1000%; In laboratorio sono stati registrati allungamenti percentuali a rottura anche dell’ordine del 7000%; Comportamento superplastico della lega PbSn60: allungamento del 650%. Questi allungamenti sono di 1 o 2 ordini di grandezza più grandi di quelli registrati per metalli e leghe convenzionali. LA SUPERPLASTICITÀ

4 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino FORME COMPLESSE IN UN UNICO CICLO DI FORMATURA ELEVATA RIGIDEZZA STRUTTURALE PESO RIDOTTO LA SUPERPLASTICITÀ

5 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino BASSA CADENZA PRODUTTIVA ACCURATO CONTROLLO DEL PROCESSO RIFIUTO DEI PROGETTISTI AD ADOTTARE NUOVE TECNICHE DI FORMATURA E NUOVI MATERIALI SETTORI AEROSPAZIALE E AERONAUTICO in cui il problema della rapidità della produzione non è particolarmente sentito automobilistico Negli ultimi anni anche il settore automobilistico ha cominciato a mostrare interesse per questo particolare tipo di tecnologia. LA SUPERPLASTICITÀ

6 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino QUOTE PERCENTUALI PER I VARI SETTORI DI MERCATO DI PRODOTTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

7 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO NEL SETTORE FERROVIARIO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO NEL SETTORE FERROVIARIO uno dei pannelli che formano la parte frontale del treno Cuccette realizzate in alluminio superplastico LA SUPERPLASTICITÀ

8 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Telai delle finestre dei treni realizzate in alluminio superplastico ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO NEL SETTORE FERROVIARIO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO NEL SETTORE FERROVIARIO LA SUPERPLASTICITÀ

9 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO Tetto di una cabina telefonica della Telecom UK realizzata in alluminio superplastico Imbarcazione in alluminio superplastico e relativo stampo LA SUPERPLASTICITÀ

10 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Applicazioni dell’artista Ron Arad ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

11 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino The bicycles, named MN (Marc Newson) after the designer, are fabricated using super plastic aluminium. Biomega pioneered this first-of-a-kind application for the cycling industry, where the frame was made as two shells which were glued together. All cables and wires are hidden in the frame, which is treated with tritium to make the bicycle virtually glow in the dark. ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

12 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN ALLUMINIO SUPERPLASTICO SPF aluminum can provide a 40% weight savings and with the SPF preocess the springback problems that you experience in a stamped panel are eliminated LA SUPERPLASTICITÀ

13 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Superplastically formed titanium dental implant Courtesy from Dassault ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

14 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO Porta di accesso di un Boeing 737 realizzato in titanio superplastico Pannelli del motore CFM-56 di un Boeing 737 realizzati mediante tecnologia superplastica e tecnologia convenzionale LA SUPERPLASTICITÀ

15 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Condotto di scarico dell’unità di potenza ausiliaria realizzato mediante tecnologia superplastica e tecnologia convenzionale Portello di scomparto dell’Harrier Avionics ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

16 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Chiglia (componenti strutturali primari) del velivolo militare EFA (Eurofighter Aircraft). [Alenia Aeronautica (Torino)] ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

17 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO ESEMPI DI APPLICAZIONI DI COMPONENTI IN TITANIO SUPERPLASTICO LA SUPERPLASTICITÀ

18 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino TECNICHE UTILIZZATE PER LA FORMATURA DEI MATERIALI SUPERPLASTICI BLOW FORMING – VACUUM FORMING THERMO FORMING PROCESSO COMBINATO (SPF-DB) FORMATURA SUPERPLASTICA - SALDATURA PER DIFFUSIONE LA SUPERPLASTICITÀ

19 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino BLOW FORMING – VACUUM FORMING Deformare una lamiera vincolata, mediante l’azione di un gas in pressione in modo tale da farle assumere la forma dello stampo. La differenza sostanziale tra i due processi è rappresentata dal metodo con cui viene applicata la pressione differenziale. LA SUPERPLASTICITÀ

20 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino THERMO FORMING La deformazione della lamiera è ottenuta dall’azione combinata di un gas in pressione e di un punzone.

21 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino THERMO FORMING L’uso del punzone è stato introdotto per conferire al manufatto un’uniforme distribuzione dello spessore e per migliorarne la finitura superficiale in entrambi i lati della lamiera. Ovviamente, la presenza del punzone complica l’esecuzione della formatura, in quanto è necessario mettere a punto un maggior numero di parametri. È necessario l’uso di presse per movimentare il punzone all’interno dello stampo.

22 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino PROCESSO COMBINATO SPF/DB Il processo combinato tra la formatura superplastica e la saldatura per diffusione (SPF/DB) è possibile in quanto le condizioni operative (temperatura e pressione) richieste dai singoli processi sono le stesse. I materiali di stop off più utilizzati sono il nitrato di boro e l’ossido di ittrio.

23 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino PROCESSO COMBINATO SPF/DB

24 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino PROCESSO COMBINATO SPF/DB

25 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino PROCESSO COMBINATO SPF/DB

26 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino PROCESSO COMBINATO SPF/DB

27 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ATTREZZATURE IMPIEGATE presse Le presse utilizzate nei processi di formatura superplastica devono rispondere a precise esigenze: riscaldare riscaldare e mantenere la lamina da lavorare alla temperatura di processo, evitando l’insorgere di gradienti di temperatura; esercitare una forza esercitare una forza sufficientemente elevata sullo stampo, in modo da assicurare il bloccaggio ed evitare eventuali fuoriuscite di gas con conseguenti depressurizzazioni dannose della camera dello stampo; gas in pressione introdurre gas in pressione all’interno dello stampo, in modo da deformare la lamiera secondo i parametri di processo.

28 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino presse Le presse utilizzate nei processi di formatura superplastica sono di due tipi: presse idrauliche presse idrauliche: esse consentono una rapida operazione di carico/scarico, ma richiedono un investimento di capitale maggiore; presse meccaniche presse meccaniche: esse sono meno costose, ma l’operazione di carico/scarico è più lenta e complessa. ATTREZZATURE IMPIEGATE

29 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino bloccaggio della lamiera Per il bloccaggio della lamiera si utilizzano dei risalti, lavorati alle macchine utensili, posti nella periferia dello stampo, che, oltre ad impedire che la lamiera possa scivolare verso l’interno, hanno anche lo scopo di evitare la fuoriuscita di gas utilizzato per la formatura. In alcuni casi, per prevenire le perdite di gas in pressione, sono utilizzate delle guarnizioni in materiale superplastico. ATTREZZATURE IMPIEGATE

30 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino sistema di riscaldamento soluzione elettrica piastre riscaldanti vengono divise in sezioni di elementi riscaldanti Il sistema di riscaldamento deve essere scelto in funzione della temperatura richiesta e dei gradienti termici ammissibili. In generale, si opta per la soluzione elettrica: gli elementi elettrici sono incorporati all’interno di opportune piastre metalliche o ceramiche introdotte tra il premilamiera e lo stampo. Queste piastre riscaldanti vengono divise in sezioni di elementi riscaldanti, in modo da poter essere controllate separatamente mediante sensori di temperatura, al fine di minimizzare i gradienti termici che possono condurre ad eccessivi assottigliamenti o rotture della lamina in fase di formatura. ATTREZZATURE IMPIEGATE

31 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino stampi Gli stampi, utilizzati nei processi di formatura superplastica, sono generalmente riscaldati fino alla temperatura di formatura e sono soggetti alla pressione del gas ed alle forze di serraggio. pressione interna La pressione interna esplicata dal gas risulta essere tipicamente più bassa di 3400 kPa, questo parametro non risulta essere fondamentale ai fini della progettazione degli stampi. carichi dovuti al sistema di bloccaggio e agli stress termici Molto più importanti sono i carichi dovuti al sistema di bloccaggio e agli stress termici : la temperatura dello stampo utilizzato, infatti, varierà da quella ambientale a quelle caratteristiche del materiale di formatura, per ritornare, successivamente, alla temperatura ambiente, una volta terminato il processo. I gradienti termici e, quindi, le tensioni indotte, possono provocare delle distorsioni permanenti nello stampo. Il problema può essere eliminato evitando brusche variazioni di temperatura (riscaldamenti e raffreddamenti molto lenti) ed utilizzando materiali con buona resistenza meccanica ed al creep. ATTREZZATURE IMPIEGATE

32 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino stampi I materiali utilizzati per la costruzione degli stampi devono essere compatibili con il materiale della lamina superplastica ed eventuali materiali di separazione: alle elevate temperature, infatti, possono essere rilevanti i fenomeni di interdiffusione all’interfaccia di questi elementi, così da comportare degradazione delle caratteristiche meccaniche. stampi I materiali utilizzati per la costruzione degli stampi sono: metalli e leghe metalliche metalli e leghe metalliche (utilizzati per la costruzione di stampi destinati alla produzione di componenti maggiori di 100); grafite grafite (è facilmente lavorabile ma presenta problemi di pulizia; è utilizzata per una produzione media di circa 100 prodotti). materiali ceramici materiali ceramici (utilizzati nel caso di piccole produzioni, normalmente inferiori ai dieci prodotti). ATTREZZATURE IMPIEGATE

33 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino caratteristiche superplastiche Non tutti i materiali commercialmente disponibili presentano caratteristiche superplastiche in quanto non sono caratterizzati da una microstruttura a grana fine e stabile durante il processo di deformazione. Il prerequisito di struttura fine e stabile può essere raggiunto mediante diverse tecniche di preparazione dei materiali. I MATERIALI SUPERPLASTICI I MATERIALI SUPERPLASTICI TRATTAMENTI TERMICI TRATTAMENTI MECCANICI

34 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Lega Temperatura di prova [°C ] Velocit à di deformazione [s -1 ] Indice di sensibilit à alla velocit à di deformazione Allungamento % a base di alluminio Al-33Cu400-5008 x 10 -4 0.8400-1000 Al-4.5Zn-4.5Ca5508 x 10 -3 0.5600 Al-6a10Zn-1.5Mg-0.2Zr55010 -3 0.91500 Al-5.6Zn-2Mg-1.5Cu-0.2Cr (7475) 5162 x 10 -4 0.8-0.9800-1200 Al-6Cu-0.5Zr (Supral100)45010 -3 0.31000 Al-6Cu-0.35Mg-0.14Si (Supral220) 45010 -3 0.3900 Al-4Cu-3Li-0.5Zr4505 x 10 -3 0.5900 Al-3Cu-2Li-1Mg-0.2Zr5001.3 x 10 -3 0.4878 a base di titanio Ti-6Al-4V840-8701.3 x 10 -4 a 10 -3 0.75750-1170 Ti-6Al-5V8508 x 10 -4 0.70700-1100 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo9002 x 10 -4 0.67538 Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr9712 x 10 -4 0.63-0.81>510 Ti-6Al-4V-2Ni8152 x 10 -4 0.85720 Ti-6Al-4V-2Co8152 x 10 -4 0.53670 Ti-6Al-4V-2Fe8152 x 10 -4 0.54650 Ti-5Al-2.5Sn10002 x 10 -4 0.49420 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al8152 x 10 -4 0.5229 Ti-13Cr-11V-3Al800--- <150 Ti-8Mn750---0.43150 Ti-15Mo800---0.60100 I MATERIALI SUPERPLASTICI I MATERIALI SUPERPLASTICI

35 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Composizione chimica (wt.%): 60% Pb - 40% Sn. Elevato peso specifico Buona resistenza agli agenti corrosivi Buona deformabilità Basso costo LA LEGA PbSn60 LA LEGA PbSn60

36 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Le lamine sono ricavate dalla laminazione delle barrette PbSn60. L’obiettivo del processo di laminazione è quello di rompere i grani del materiale per ottenere una struttura a grana estremamente fine. LA LEGA PbSn60 LA LEGA PbSn60

37 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino La sequenza di laminazione può essere suddivisa in tre passi: ricavare quattro lamine dalla laminazione di quattro spezzoni di barretta; ricavare quattro lamine dalla laminazione di quattro spezzoni di barretta; creare un sandwich di quattro lamine caratterizzate dallo stesso spessore e laminarlo fino a saldatura ultimata e ad uno spessore uguale a quello della singola lamina iniziale; creare un sandwich di quattro lamine caratterizzate dallo stesso spessore e laminarlo fino a saldatura ultimata e ad uno spessore uguale a quello della singola lamina iniziale; ripiegare varie volte su se stessa la lamina così ottenuta e laminarla fino ad ottenere la saldatura ed uno spessore finale sempre pari a quello della lamina di partenza. ripiegare varie volte su se stessa la lamina così ottenuta e laminarla fino ad ottenere la saldatura ed uno spessore finale sempre pari a quello della lamina di partenza. Così facendo, è possibile ottenere lamine composte da numerosissimi strati di spessore molto piccolo. In tal modo, le dimensioni della grana saranno al massimo pari allo spessore di uno strato. La prima serie di laminazione trasforma le barrette, caratterizzate da uno spessore di 3.6 mm, in lamiere di spessore pari a circa 0.3 mm. Quattro lamine, dopo essere state opportunamente pulite per evitare la presenza di polvere deleteria per la saldatura, vengono sovrapposte. Il gruppo ottenuto viene laminato fino a raggiungere di nuovo uno spessore di circa 0.3 mm Ultimo ciclo vi saranno 4096 (512 x 8) strati sovrapposti. LA LEGA PbSn60 LA LEGA PbSn60

38 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Ovviamente, le lamiere si allungano nella direzione di laminazione mentre la larghezza resta invariata. Si otterranno, quindi, delle lamiere di larghezza e lunghezza pari a circa 100 mm e 336 mm rispettivamente. Successivamente, si applicano alla lamiera, già formata da quattro strati, quattro cicli di piegatura. Dopo ogni ciclo, il materiale viene laminato fino a raggiungere ancora lo spessore di 0.3 mm circa. I cicli di piegatura sono di due tipi. Il primo ed il quarto prevedono che il materiale sia piegato su se stesso tre volte, in modo da ottenere otto livelli sovrapposti. Nel secondo e nel terzo ciclo, invece, il materiale viene piegato su se stesso due volte ottenendo, così, quattro livelli sovrapposti. Ricordando che la lamiera di partenza è formata da quattro strati, dopo il primo ciclo ve ne saranno trentadue (4 x 8), dopo il secondo centoventotto (32 x 4), dopo il terzo cinquecentododici (128 x 4), ed infine dopo il quarto ed ultimo ciclo vi saranno quattromilanovantasei (512 x 8) strati. Le operazioni di formatura vengono eseguite subito dopo il completamento della laminazione del materiale in modo da evitare che una prevedibile ricrescita cristallina alteri il comportamento della lega. LA LEGA PbSn60 LA LEGA PbSn60

39 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ Curva ingegneristica tensione-deformazione Curva ingegneristica tensione-deformazione di materiali metallici sottoposti alla prova di trazione ad una temperatura T < 0.5 T f dove  è la tensione,  è la deformazione, K è il coefficiente di resistenza ed n l’indice di incrudimento L’andamento non-lineare può essere ben descritto dalla relazione:

40 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino (T>0.5T f ), Quando la prova di trazione è eseguita ad alta temperatura, (T>0.5T f ), si attivano all’interno del materiale dei processi termici che causano il riassetto di atomi e molecole. Questi fenomeni, per esplicarsi, richiedono un certo tempo, comportando la dipendenza della tensione oltre che dalla deformazione anche dalla velocità di deformazione. Di conseguenza l’equazione costitutiva assume la forma: dove è la velocità di deformazione e m l’indice di sensibilità alla velocità di deformazione. Assumendo condizioni di temperatura e velocità di deformazione tali da annullare il fenomeno dell’incrudimento, si ha: ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

41 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Poiché in un provino sottoposto alla prova di trazione allora ed essendo la velocità di contrazione della sezione trasversale del provino può essere espressa come: ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

42 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Effetto dell’indice di sensibilità alla velocità di deformazione sulla strizione indice di sensibilità alla velocità di deformazione m La caratteristica meccanica più importante di un materiale superplastico è rappresentata dall’indice di sensibilità alla velocità di deformazione, definito dal parametro m. m m Per un comportamento superplastico, m deve essere maggiore o uguale a 0.3 anche se per la maggior parte dei materiali superplastici m varia tra 0.4 e 0.8. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

43 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino m m Il valore di m ha un forte effetto sulla duttilità dei materiali superplastici. In generale, più alto è m, maggiore sarà l’allungamento a rottura. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

44 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Lavori sperimentali hanno mostrato che m può variare significativamente durante il flusso superplastico. m m Nella lega Supral 220, la crescita del grano durante deformazione causa non solo una riduzione del valore massimo di m all’aumentare della deformazione, ma porta anche a ridurre la velocità di deformazione corrispondente al valore massimo di m. Grana crescente ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

45 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino m Anche se la velocità di deformazione è costante l’indice di sensibilità alla velocità di deformazione m varierà durante il processo di formatura.. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

46 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino m Se la velocità di deformazione è costante e maggiore della velocità di deformazione corrispondente al valore massimo di m, l’indice di sensibilità alla velocità di deformazione continuerà a diminuire all’aumentare della deformazione durante il processo di formatura.. m Se la velocità di deformazione iniziale è minore della velocità di deformazione corrispondente al massimo valore di m, l’indice di sensibilità alla velocità di deformazione aumenta, durante la fase iniziale di flusso superplastico, raggiunge un massimo e diminuisce. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

47 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino La caratteristica meccanica più importante di un materiale superplastico è rappresentata dall’indice di sensibilità alla velocità di deformazione, definito dal parametro m. m m Per un comportamento superplastico, m deve essere maggiore o uguale a 0.3 anche se per la maggior parte dei materiali superplastici m varia tra 0.4 e 0.8. m m Il valore di m ha un forte effetto sulla duttilità dei materiali superplastici. In generale, più alto è m, maggiore sarà l’allungamento a rottura. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

48 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino La figura mostra la notevole influenza che la velocità di deformazione e la temperatura possono avere sull’allungamento percentuale a rottura di un materiale superplastico. Tale figura, pertanto, evidenzia la necessità di definire un intervallo ottimale di temperatura e di velocità di deformazione al cui interno l’allungamento percentuale a rottura assume dei valori elevati. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

49 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino La figura mostra le curve sforzi-deformazioni, ricavate da prove di trazione a velocità di deformazione costante, mentre si è variata, in ciascuna prova, la temperatura. Le curve sono relative alla lega d’alluminio Al7475, ma devono intendersi come rappresentative dell’intera classe dei metalli e delle leghe superplastiche di interesse industriale. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

50 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Curve sforzi-deformazioni per la lega Al 7475 per diversi valori della velocità di deformazione e alla temperatura di 516°C. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

51 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Andamento della tensione in funzione della velocità di deformazione per la lega Al 7475. Al crescere della dimensione dei grani, il valore degli sforzi, a parità di velocità di deformazione, tende ad aumentare. ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ ASPETTI MECCANICI DELLA SUPERPLASTICITÀ

52 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino COMPORTAMENTO OTTIMALE DEL MATERIALE GEOMETRIA DEL PRODOTTO FINITO RISPONDENTE ALLE TOLLERANZE PREVISTE DAL PROGETTO Lo scopo della progettazione di un processo di formatura superplastica è quello di realizzare una geometria del prodotto finito che risponda alle tolleranze previste da progetto e contestualmente mantenere durante tutta la fase di formatura il comportamento del materiale superplastico ottimale. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

53 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino comportamento superplastico Solo in corrispondenza di una ristretta gamma di valori di temperatura e di velocità di deformazione un materiale esibisce un comportamento superplastico. Se, durante il processo di deformazione, queste grandezze si discostano dai valori ottimali, le proprietà superplastiche risultano fortemente pregiudicate. progettazione del processo tecnologico. Per sfruttare in modo completo le potenzialità offerte dai processi di formatura superplastica è indispensabile un’accurata progettazione del processo tecnologico. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

54 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Nel caso della formatura superplastica delle lamiere metalliche i parametri di lavorazione da definire sono: la temperatura; lo spessore iniziale della lamiera; il ciclo di carico pressione-tempo. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

55 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino T>0.5T f La temperatura ottimale varia generalmente, in funzione della lega metallica utilizzata, tra i 400 °C ed i 1000 °C. processo di formatura superplastica Si tratta di temperature comunemente raggiunte nei processi di lavorazione per deformazione plastica a caldo dei metalli convenzionali. Pertanto, il “know-how”, sviluppato in questo settore, può essere sfruttato per la progettazione del sistema di riscaldamento della lamiera e del controllo della temperatura durante il processo di formatura superplastica. campo di distribuzione della temperatura il più possibile uniforme. È necessario distribuire in maniera opportuna gli elementi riscaldanti all’interno dello stampo tenendo in considerazione la geometria che il prodotto assume durante la formatura, al fine di ottenere un campo di distribuzione della temperatura il più possibile uniforme. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

56 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino IL DIMENSIONAMENTO DELLO SPESSORE INIZIALE DELLA LAMIERA NELLA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI DI FORMATURA SUPERPLASTICA Le grandi deformazioni, necessarie per sagomare forme complesse in un’unica operazione, possono causare forti assottigliamenti nella lamiera. La previsione della distribuzione finale degli spessori è di grande importanza per prevenire l’insorgere di pericolose rotture del componente, durante la formatura o successivamente in esercizio. E’ chiaro che la distribuzione finale degli spessori del prodotto è fortemente influenzata dallo spessore iniziale della lamiera. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

57 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Durante il processo di formatura, all’interno del materiale si genera un campo di deformazione variabile, in quanto vi sono delle zone che partecipano alla formatura maggiormente rispetto ad altre, in funzione del disegno dello stampo. È possibile impiegare lamiere a spessore variabile. In questo modo, aggiungendo materiale nelle zone maggiormente deformate, è possibile conseguire, a fine formatura, un andamento degli spessori più uniforme. IL DIMENSIONAMENTO DELLO SPESSORE INIZIALE DELLA LAMIERA NELLA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI DI FORMATURA SUPERPLASTICA LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

58 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino LA DETERMINAZIONE DEL CICLO OTTIMALE DI CARICO PRESSIONE-TEMPO Abbiamo già visto che l’andamento di m e dell’allungamento percentuale a rottura in funzione della velocità di deformazione è di tipo a campana. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

59 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino LA DETERMINAZIONE DEL CICLO OTTIMALE DI CARICO PRESSIONE-TEMPO Ciò evidenzia che esiste un valore ottimale di che massimizza la deformazione del materiale. Quindi una delle condizioni fondamentali da rispettare, durante un processo di formatura superplastica, è la costanza della velocità di deformazione. Bisogna dunque fornire alla pressa l’andamento della pressione in funzione del tempo, nell’intento di realizzare una velocità di deformazione costante e pari al valore che massimizza m. È quindi fondamentale la determinazione del ciclo ottimale di carico pressione-tempo. LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

60 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino Avere in ogni punto del materiale la stessa velocità di deformazione è praticamente impossibile, in quanto in ogni punto si hanno diversi livelli di deformazione, in funzione della geometria del prodotto. Quindi, è necessario garantire che ogni punto del materiale in lavorazione sia sottoposto ad una velocità di deformazione interna ad un campo di riferimento. LA DETERMINAZIONE DEL CICLO OTTIMALE DI CARICO PRESSIONE-TEMPO LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

61 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino MODELLAZIONE ANALITICA Jovane Enikeev TEORIA DEL TRIAL AND ERROR LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

62 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino PROCESSO PRODOTTO LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI

63 Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino GEOMETRIA DELLA LAMIERA E DELLO STAMPO CONDIZIONI AL CONTORNO EQUAZIONE COSTITUTIVA DEL MATERIALE Distribuzione degli spessori, delle deformazioni e delle tensioni Curva di carico ottimale pressione-tempo Previsione della rottura (curva FLD) LA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI