UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BRESCIA
XXXII Congresso di Fonderia
Brescia, 21-22 Novembre 2014
INFLUENZA DELLA GRAFITE CHUNKY SULLE
PROPRIETÀ MECCANICHE E SUL COMPORTAMENTO
A FATICA DI UNA GHISA SFEROIDALE FERRITICA
M. Gelfi*, A. Pola*, E. Foglio*, D. Lusuardi°, G.M. La Vecchia*
*DIMI - Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli
Studi di Brescia
°Fonderie Ariotti SpA
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INTRODUZIONE
Uso sempre più frequente delle ghise sferoidali per
componenti strutturali a spessore elevato
Basse velocità di raffreddamento
100 µm
Riduzione della densità di noduli e
degenerazione della morfologia
sferoidale della grafite:
grafite chunky
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 Diversi lavori sull’influenza della chunky sulle proprietà
statiche
 Pochi studi per valutare l’effetto della chunky sul
comportamento a fatica → risultati discordanti
Ref: A. Mourujärvi et al., Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 32 (2009) 379–390
P. Ferro et al., Materials Science and Engineering A 554 (2012) 122-128
OBIETTIVI DEL LAVORO
- Comprendere la reale incidenza della grafite chunky
sulla vita a fatica
- Correlare il comportamento a fatica con la
microstruttura del materiale attraverso un’accurata
indagine metallografica quantitativa
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PROCEDURA SPERIMENTALE
 Produzione di 2 cilindri (d = 300mm; h = 520mm) con
formatura in sabbia e resina
Bacino
di
colata
Alimentatore
Tubi
ceramici
Cilindro
 Materiale: EN GJS-400-15
C
Si
Mn
P
S
Mg
Cilindro A
3,69
2,42
0,17
0,02
0,007
0,049
Cilindro B
3,66
2,33
0,16
0,03
0,011
0,040
Inoculante ad
alto contenuto
di cerio:
chunky
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PROCEDURA SPERIMENTALE
Caratterizzazione meccanica
CILINDRO A
TA1-da FA1 a FA6
TA2-da FA7 a FA14
TA3-da FA15 a FA21
TA4-da FA22 a FA28
CILINDRO B
Da TB17 a TB19- da FB27 a FB31
Da TB13 a TB16-da FB20 a FB26
Da TB9 a TB12-da FB13 a FB19
Da TB5 a TB8-da FB7 a FB12
Da TB1 a TB4-da FB1 a FB6
T= provini di trazione
F= provini di fatica
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PROCEDURA SPERIMENTALE
Caratterizzazione meccanica
 Prove di trazione
UNI EN ISO 6892-1:2009
 Prove di durezza Brinell
 Prove di fatica
Metodo stair-case
UNI 3964:1985
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PROCEDURA SPERIMENTALE
Analisi metallografica
 Analisi macrografica della sezione
trasversale dei due cilindri
CILINDRO A
 Indagine micrografica in diverse
posizioni dei due cilindri per
valutare l’effetto della diversa
inoculazione
1000 µm
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PROCEDURA SPERIMENTALE
Analisi metallografica
 Determinazione della percentuale di
grafite chunky sulla superficie di
frattura dei campioni di fatica (SEM)
 Determinazione della quantità media
di grafite chunky all’interno di ogni
campione (SEM)
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PROCEDURA SPERIMENTALE
Analisi metallografica
 Misura
della dimensione
delle
microporosità
d’innesco della rottura per fatica (SEM)
√area [μm]
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RISULTATI E DISCUSSIONE
Trazione e durezza
Cilindro A
276 ± 1
355 ± 12
79
5,3 ± 1,0
149 ± 1
Cilindro B
275 ± 5
412 ± 6
137
15,9 ± 2,8
145 ± 3
 Chunky:
• riduzione di resistenza a rottura e allungamento
• poca influenza su carico di snervamento e durezza
 Effetto della chunky
deformazione plastica
solamente
nella
fase
di
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RISULTATI E DISCUSSIONE
Fatica
CILINDRO A
CILINDRO B
198 MPa
163 MPa
Cilindro A
163
8,8
1,15
Cilindro B
198
8
1,11
In presenza di chunky riduzione del limite di fatica del 18%
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RISULTATI E DISCUSSIONE
Analisi metallografica
CILINDRO B
CILINDRO A
1000 µm
1000 µm
Microstruttura simile nelle aree prive di chunky:
- Matrice quasi completamente ferritica
- Densità di noduli paragonabile
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RISULTATI E DISCUSSIONE
Analisi metallografica
CILINDRO B
CILINDRO A
100 µm
100 µm
L’aggiunta dell’inoculante contenente cerio ha portato
alla formazione di grafite chunky nel cilindro A
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RISULTATI E DISCUSSIONE
 Non c’è correlazione tra la quantità di chunky sulla
superficie di frattura e la resistenza a fatica
 Effetto predominante delle microporosità di innesco
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RISULTATI E DISCUSSIONE
 La relazione tra la dimensione delle porosità d’innesco e
la durata dei campioni rimane buona
 Migliora il legame tra quantità di chunky e la resistenza
a fatica
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RISULTATI E DISCUSSIONE
FA 5
FA 7
FA 8
FA 13
FA 14
FA 16
FA 20
FA 21
FA 23
FA 24
FA 27
FA 28
45 N
40 N
35 N
40 N
35 N
35 N
45 N
40 N
40 N
35 N
40 N
35 N
83,1
49,6
76,4
68,9
89,9
52,2
56,8
84,2
52,9
67,2
18,1
75,9
44,5 ± 10,6
58,0 ± 18,9
18,4 ± 10,2
43,2 ± 4,8
78,6 ± 0,6
19,9 ± 19,9
12,8 ± 9,0
22,4 ± 7,8
13,5 ± 10,1
47,5 ± 20,0
8,9 ± 12,9
57,1 ± 17,2
86,7 %
-14,5 %
315,2 %
59,5 %
14,4 %
162,3 %
343,8 %
275,9 %
291,9 %
41,5 %
103,4 %
32,9 %
 Difficile stabilire una qualsiasi relazione tra il contenuto
medio di chunky e la resistenza a fatica (elevata
dispersione dei dati)
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RISULTATI E DISCUSSIONE
FA 5
FA 7
FA 8
FA 13
FA 14
FA 16
FA 20
FA 21
FA 23
FA 24
FA 27
FA 28
45 N
40 N
35 N
40 N
35 N
35 N
45 N
40 N
40 N
35 N
40 N
35 N
83,1
49,6
76,4
68,9
89,9
52,2
56,8
84,2
52,9
67,2
18,1
75,9
44,5 ± 10,6
58,0 ± 18,9
18,4 ± 10,2
43,2 ± 4,8
78,6 ± 0,6
19,9 ± 19,9
12,8 ± 9,0
22,4 ± 7,8
13,5 ± 10,1
47,5 ± 20,0
8,9 ± 12,9
57,1 ± 17,2
86,7 %
-14,5 %
315,2 %
59,5 %
14,4 %
162,3 %
343,8 %
275,9 %
291,9 %
41,5 %
103,4 %
32,9 %
 La grafite chunky costituisce un percorso preferenziale
per la propagazione della cricca
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RISULTATI E DISCUSSIONE
 La cricca avanza attorno
ai noduli all’interfaccia con
la matrice
Ref: A. Mourujärvi et al., Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 32 (2009) 379–390
P. Ferro et al., Materials Science and Engineering A 554 (2012) 122-128
GRAFITE SFEROIDALE
 La cricca penetra all’interno
degli agglomerati di grafite
chunky interconnessa
GRAFITE CHUNKY
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CONCLUSIONI
 Influenza della grafite chunky sulle proprietà statiche: riduzione
di Rm e A%, scarsi effetti su Rp0,2% e HB
 Modesta riduzione del limite di fatica dovuta alla chunky
 Effetto predominante delle microporosità di innesco sulla
resistenza a fatica
 La grafite chunky costituisce un percorso facilitato per la
propagazione della cricca di fatica, mentre non è stata
trovata alcuna relazione con l’innesco della frattura
 In componenti progettati per lavorare in assenza di cricche la
presenza di grafite chunky non è determinante
 Difficile stabilire una relazione tra la quantità di chunky nel
campione e la sua resistenza a fatica
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Grazie
per l’attenzione
[email protected]