Metallurgical and mechanical characterization of standard and new generation cast irons

The demand for ductile cast iron components, with weights ranging from a few kilograms to several tons, has increased significantly in recent years, both for technical and economic reasons. In fact, the lower cost compared to other materials, the good castability, which allows to obtain near-net shape components in as-cast conditions, and the mechanical properties that can be obtained, are just some of the motivations that attract mechanical designers. In the case of large components, the knowledge of mechanical behaviour is however limited and incomplete. What is known is that, by increasing the thicknesses of the castings, the solidification times increase and the cooling rates are greatly reduced. In these critical conditions, solidification can lead to the formation of microstructural defects, sometimes unavoidable, which negatively influence the local mechanical properties of ductile cast iron components. From an initial and in-depth bibliographic analysis, it emerged that, in literature, these issues have been studied in a systematic way only in the recent years. As a result, the number of data available for engineers is limited and it can be noted that there are many lacks, especially with regard to the mechanical characterization and fatigue behaviour of these materials. Specifically, most of the work has been carried out considering traditional ferritic ductile iron used, for example, in the production of wind turbine components. In some studies, traditional cast irons with pearlitic matrix have been characterized, while the data concerning the mechanical and microstructural properties of new-generation cast irons with a solid solution strengthened ferritic matrix are very limited. The First Chapter contains a brief introduction concerning the above mentioned topics, with particular attention to the state of the art and to the recent works published in the literature The Second Chapter describes the experimental campaign conducted during the doctorate, following which an in-depth microstructural and mechanical characterization of different types of spheroidal cast iron characterized by different conditions of cooling and solidification was carried out. During the experimental campaigns, microstructural analyses were performed using an optical microscope and image analysis software on polished and etched samples. In addition, tensile and fatigue tests were performed on specimens obtained from the areas of interest within the castings. The fracture surfaces were then analysed by SEM to identify the causes of fracture. In the Third Chapter the most significant experimental results obtained from the microstructural and mechanical characterization of a traditional ferritic matrix iron are reported. The aim is to expand the literature with further experimental data on this type of material in specific cooling and solidification conditions. In the Fourth Chapter, because of the few works in the literature, cast iron with pearlitic matrix was studied. In particular, through the realization of three experiments, the effect that the post-inoculation process have on the microstructural parameters and on the mechanical properties has been investigated. In the Fifth Chapter, the results obtained on new-generation solution strengthened ferritic ductile irons are reported. In particular, the effect of different amount of silicon and antimony on the properties of castings characterized by long solidification times has been investigated. In the Sixth Chapter, the microstructural, mechanical and fatigue properties of a particular grade of solution strengthened ferritic ductile iron have been evaluated as a function of different section thicknesses and solidification times. In the Seventh Chapter, a model that allows estimating the fatigue strength of as-cast ductile irons containing solidification defects is proposed based on the new experimental data. The Eighth Chapter presents concluding remarks on the work in order to discuss the main results

La domanda di componenti in ghisa sferoidale, con pesi che variano da pochi chilogrammi diverse tonnellate, è aumentata di molto negli ultimi anni, per motivi sia tecnici che economici. Infatti, il più basso costo rispetto ad altri materiali, la buona colabilità, che permette di ottenere componenti near-net shape nelle condizioni as-cast, e le proprietà meccaniche che si possono ottenere, sono solo alcune delle motivazioni che attraggono i progettisti meccanici. Nel caso di componenti di notevoli dimensioni, la conoscenza del comportamento meccanico è però limitata e incompleta. Quello che è noto è che, aumentando gli spessori dei getti, aumentano di conseguenza i tempi di solidificazione e si riducono di molto le velocità di raffreddamento. In queste condizioni critiche, le condizioni di solidificazione possono portare alla formazione di difetti microstrutturali, a volte inevitabili, che vanno a influenzare negativamente le proprietà meccaniche locali dei componenti in ghisa sferoidale. Da una iniziale e approfondita analisi bibliografica è emerso come, in letteratura, questi temi siano stati studiati in maniera sistematica soltanto negli ultimi anni. Di conseguenza, il numero di lavori presenti nei database e a disposizione degli ingegneri progettisti è tutt’altro che ampio e si nota come siano presenti numerose lacune, specialmente per quanto riguarda la caratterizzazione meccanica e il comportamento a fatica di questi materiali. Nello specifico, la maggior parte dei lavori sono stati svolti considerando ghise tradizionali a matrice ferritica impiegate ad esempio in componenti utilizzati per lo sfruttamento dell’energia eolica. In alcuni studi sono state effettuate delle caratterizzazioni di ghise tradizionali a matrice perlitica, mentre sono molto limitati i dati che riguardano le proprietà meccaniche e microstrutturali di ghise di nuova generazione, a matrice ferritica rafforzata per soluzione solida. Nel Primo Capitolo viene riportata una breve introduzione riguardante le tematiche sopracitate, con particolare attenzione allo stato dell’arte e ai recenti lavori pubblicati in letteratura. Nel Secondo Capitolo viene descritta la campagna sperimentale condotta durante il dottorato, seguendo la quale si è svolta una approfondita caratterizzazione microstrutturale e meccanica di diverse tipologie di ghisa sferoidale contraddistinte da diverse condizioni di raffreddamento e solidificazione. Durante le campagne sperimentali condotte sono stati eseguiti controlli microstrutturali utilizzando microscopio ottico e software di analisi di immagine su campioni lucidati e attaccati. Inoltre si sono eseguiti test di trazione e fatica su provini ricavati dalle zone di interesse all’interno dei getti. Le superfici di frattura sono state quindi analizzate al SEM per individuare le cause di innesco della frattura. Nel Terzo Capitolo sono riportati i risultati sperimentali più significativi ottenuti dalla caratterizzazione microstrutturale e meccanica di una ghisa tradizionale a matrice ferritica, con lo scopo di ampliare la letteratura con ulteriori dati sperimentali su questa tipologia di materiale in specifiche condizioni di raffreddamento e solidificazione. Nel Quarto Capitolo, a causa dei pochi lavori presenti in letteratura, si sono studiate ghise a matrice perlitica. In particolare, tramite la realizzazione di tre sperimentazioni, si è voluto indagare l’effetto che il processo di post-inoculazione può avere sui parametri microstrutturali e sulle proprietà meccaniche. Nel Quinto Capitolo, sono riportati i risultati ottenuti su ghise di nuova generazione rafforzate per soluzione solida. In particolare si è condotto uno studio riguardante l’effetto dell’aggiunta di silicio e antimonio sulle proprietà di getti aventi lunghi tempi di solidificazione. Nel Sesto Capitolo, sono state valutate le proprietà microstrutturali, meccaniche e a fatica di un particolare grado di ghisa ferritica rafforzata per soluzione solida in funzione di differenti sezioni e tempi di solidificazione. Nel Settimo Capitolo viene proposto, sulla base dei risultati sperimentali, un modello in grado di stimare con una buona approssimazione la resistenza a fatica di diverse tipologie di ghisa sferoidale considerando le proprietà statiche locali e i difetti di solidificazione presenti all’interno dei getti. Nell’ Ottavo Capitolo sono riportate le osservazioni conclusive sul lavoro svolto e sui risultati più importanti ottenuti.