• anisotropia
• FEA
• plasticità
• tessitura
• Titanio

L’attività di ricerca ha riguardato prevalentemente due leghe di titanio alfa per impieghi a caldo denominate Ti-Fe-Si-O e Ti-Al-Si-Nb. I suddetti materiali sono impiegati nell’industria automotive per la costruzione di impianti di scarico sottoposti in esercizio a temperature fino a 850 °C. La formabilità a freddo di queste leghe, che risulta estremamente limitata dal comportamento anisotropo imputabile alla peculiare configurazione cristallografica che le contraddistingue, costituisce una tematica fondamentale da approfondire qualora si vogliano comprendere a fondo i parametri di processo da impiegare durante operazioni di imbutitura, piegatura, idroformatura nonché stabilire le geometrie dei componenti ottenibili utilizzando queste tecnologie. Si è proceduto inizialmente alla caratterizzazione approfondita delle leghe studiate, con la finalità di evidenziare le loro caratteristiche meccaniche di base, prestando particolare attenzione ai parametri indicatori di anisotropia, come il parametro di Lankford. In seguito, i risultati sperimentali sono stati utilizzati come dati di ingresso per la simulazione della risposta plastica del materiale attraverso l’utilizzo di un codice ad elementi finiti. Per questa applicazione specifica è stato scelto il criterio di Barlat e Lian 1989, specificatamente sviluppato per lo studio di lamiere ortotrope soggette a sollecitazioni biassiali. L’ottimizzazione della qualità dei dati sperimentali di ingresso impiegati dal programma di simulazione ha permesso di descrivere la superficie limite del dominio elastico nella maniera più accurata possibile. Proprio l’esigenza di realizzare modelli predittivi precisi e sfruttabili per applicazioni industriali ha fatto emergere la necessità di studiare queste leghe utilizzando approcci sperimentali mirati ad evidenziare in dettaglio i loro meccanismi intrinseci di deformazione. A questo proposito, l’impiego di tecniche di misura ottiche ha permesso di compiere efficaci progressi nella comprensione dei limiti di plasticità nonché nell’affinamento dei modelli matematici. Parallelamente, lo studio dell’orientamento cristallografico preferenziale (tessitura) e della sua evoluzione durante l’esplicarsi di una deformazione monoassiale nota ha permesso di correlare le proprietà macroscopiche di deformabilità con quelle microscopiche proprie della microstruttura del materiale. In conclusione, l’attività di ricerca ha permesso di raggiungere i seguenti obiettivi: - Sviluppare e consolidare una procedura di caratterizzazione dei materiali anisotropi che può essere impiegata per l’analisi comparativa di diverse leghe e per il loro controllo di conformità in fase di acquisizione della materia prima. - Validare l’efficacia del criterio di Barlat 1989 per lo studio predittivo del comportamento plastico di materiali anisotropi con cella elementare e.c. sottoposti a sollecitazioni biassiali, nonché approfondire la tecnica di affinamento dei dati sperimentali di input. L’utilizzo di tecniche di simulazione predittive del comportamento plastico di materiali anisotropi ha permesso di comprendere come la risposta del materiale sia fortemente influenzata non solo dalle sue caratteristiche intrinseche, ma anche da natura ed orientamento della sollecitazione esterna applicata. Da questa considerazione si può intuire come l’impiego di codici FEA sia indispensabile quando si studiano particolari di geometria difficoltosa sottoposti a stati tensionali complessi. - Correlare l’orientamento cristallografico del materiale con la sua risposta plastica attraverso lo studio della tessitura permette di ottenere una migliore comprensione del suo comportamento durante la deformazione. La metodologia di analisi risulta interessante poiché in futuro potrà essere utilizzata come base sperimentale per codici di calcolo in grado di modellare la formabilità del materiale attraverso la simulazione dell’evoluzione microstrutturale della lega.

The research activity was mainly focused on two titanium alpha alloys for heat resistant applications named Ti-Fe-Si-O and Ti-Al-Si-Nb. The aforementioned materials are commonly used in automotive industry for manufacturing of exhaust systems subjected to service temperature up to 850 °C. Cold formability of these alloys is extremely limited due to the anisotropic behavior ascribable to their peculiar crystallographic configuration. Understanding the deformation mechanisms of these materials constitutes a fundamental issue to be deepened for understanding the process parameters to be used during operations of deep drawing, bending and hydroforming as well as to understand the component’s geometries which can be achieved using these technologies. At the beginning, a thorough characterization campaign on the two alloys has been made, with the aim of highlighting their basic mechanical properties. Particular attention has been paid in studying the parameters which can provide specific informations about anisotropy, like the plastic strain ratio values. Subsequently, the experimental results were used as input data for simulating the plastic response of the materials using a finite elements code. For this specific application, the Barlat & Lian 1989 criterion has been chosen. This model is specifically intended for describing the behavior of orthotropic metal sheets exhibiting planar anisotropy and subjected to plane stress conditions. Many efforts have been made in optimizing the quality of the experimental input data used by the program, in order to describe the yield locus function as accurately as possible. The requirement of having an accurate and reliable predictive model which can be profitably used for industrial applications, brings out the needs to study these alpha titanium alloys using experimental approaches aimed to highlight in detail their intrinsic deformation mechanisms. In this regard, the use of optic measuring methods allows achieving significant progresses in understanding the plastic behaviour of these materials as well as in refining the quality of FEA output. In parallel, studying the preferential crystallographic orientation (texture) and its evolution during a predefined uniaxial deformation allows correlating macroscopic deformation with microstructural properties of the material. Finally, this research activity allowed achieving multiple targets. In detail: - Developing and establishing a characterization procedure dedicated to anisotropic materials which can be profitably used for comparative analyses of different alloys and also for assessing their compliance in purchasing of raw materials - Validating the effectiveness of Barlat & Lian 1989 criterion in predicting the plane stress anisotropic plastic flow for material presenting hcp crystal lattice as well as refining the input experimental data. The extensive use of finite element analyses for predicting the plastic response of this family of materials has enabled to understand how their response during deformation is strongly influenced not only by its initial characteristics, but also by the nature and direction of the loading conditions. In consideration to that, is understandable how FEA simulation is an essential method to be used if components with difficult geometries subjected to complex stress state need to be studied - Correlating the crystallographic orientation of the material with its plastic response by performing texture analyses allows obtaining a better understanding of its behavior during deformation. This approach is doubly interesting, because in a near future it could be used as an experimental basis for implementing modeling techniques capable of modeling the plastic response of material simulating the texture development during the deformation process of hcp titanium alloys