Severe plastic deformation by backward tube flowforming

L’utilizzo di componenti “su misura” trova sempre più spazio nell'industria moderna, poiché il loro impiego permette di sfruttare delle proprietà chiave, quali resistenza, spessore, protezione dalla corrosione, tipologia del materiale, in specifiche aree di interesse del pezzo, rimuovendo il peso dove non necessario ai fini prestazionali. Per modificare alcune di queste proprietà è possibile utilizzare una tipologia di processi denominata “Severe Plastic Deformation”. Tramite il notevole raffinamento della grana cristallina conseguente all’elevata deformazione plastica a cui il componente è soggetto, si ottiene un aumento della resistenza del materiale, ma si diminuisce la presenza di difetti interni, e conseguentemente si aumenta la resistenza a fatica. Le dimensioni inferiori della grana cristallina sono infine collegate ad una più elevata resistenza alla corrosione. Questi processi, sviluppati partendo dai più comuni processi di deformazione massiva quali estrusione, torsione, piegatura, laminazione, sono soggetti a diverse criticità, tra cui: le dimensioni su scala di laboratorio dei componenti che possono essere prodotti, con conseguente scarsa applicabilità industriale, la difficile progettazione e realizzazione del processo, e infine i costi elevati. Da una revisione della letteratura è stato possibile individuare alcuni punti critici di interesse scientifico, primo tra tutti l’esigenza di sviluppare un processo che allo stesso tempo garantisce un obiettivo duplice: ottenere un componente con caratteristiche meccaniche elevate, tipico dei processi SPD, ma con delle dimensioni idonee ad un eventuale utilizzo su scala industriale. Per attuare un simile approccio l’attenzione è stata focalizzata sul processo di tube flowforming, che generalmente non si annovera tra i processi SPD. Essendo molteplici gli elementi in comune (elevato raffinamento della grana cristallina, assenza di difetti interni, elevata deformazione plastica) si è deciso di utilizzare questa tecnica per ottenere due diverse tipologie di prodotto. Il primo è un elemento tubolare, molto difficile da realizzare allo stato attuale visti i problemi di buckling e sticking, mentre il secondo è un elemento piatto, caratterizzato dalle stesse proprietà dell’elemento tubolare, ricavato dopo le operazioni di taglio e spianatura condotte sul tubo. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di valutare la fattibilità nell’utilizzo del processo di backward tube flowforming per ottenere componenti con microstruttura raffinata creati “su misura”, valutando quindi sia a livello numerico sia a livello sperimentale l’influenza di vari parametri di processo su alcune delle proprietà del componente finale. A tal fine per eseguire le prove sperimentali sono state sviluppate due diverse attrezzature, una tradizionale, progettata partendo dalle caratteristiche peculiari del processo reperibili in letteratura e simulate numericamente, ed un’attrezzatura innovativa che utilizza un vincolo radiale, utile per aumentare la deformazione impressa durante il processo e per aumentare la qualità superficiale del componente finale. Le prove sperimentali, condotte utilizzando come materiale di riferimento la lega di alluminio 6082-T4, hanno permesso di valutare le variazioni delle caratteristiche meccaniche del materiale di partenza, riportando un elevato incremento di durezza e delle proprietà meccaniche intese come limite di snervamento e UTS. Allo stesso tempo si è avuta un’elevata riduzione della dimensione del grano cristallino, con una porzione di tubo caratterizzata da una microstruttura altamente raffinata. L’elevata deformazione ha comportato una riduzione della duttilità, che comunque non ha influito sull'esecuzione del processo di spianatura e di ottenere piatti con caratteristiche uguali al tubo flowformato di partenza.

Tailored components are increasingly used in modern industry, as they allow the exploitation of key properties, such as strength, thickness, corrosion protection, type of material, in specific areas of interest of the workpiece, removing the weight where not necessary for performance purposes. It is possible to use a class of processes called “Severe Plastic Deformation” to modify some of these properties. Through the considerable refinement of the crystalline grain resulting from the high plastic deformation to which the component is subjected, not only does the resistance of the material increase, but also decreases the presence of internal defects, and consequently increases the fatigue resistance. The smaller dimensions of the crystalline grain are finally linked to a higher resistance to corrosion. These processes, developed by the most common massive deformation processes such as extrusion, torsion, bending, rolling, are subject to various critical issues, including the laboratory-scale dimensions of the components that can be produced, resulting in poor industrial applicability, the problematic design and implementation of the process, and finally the high costs. From a review of the literature, it was possible to identify some critical points of scientific interest, first of all, the need to develop a process that at the same time guarantees a double objective: to obtain a component with high mechanical characteristics, typical of SPD processes, but with of suitable dimensions for possible use on an industrial scale. To implement a similar approach, attention was focused on the tube flowforming process, also known as tube spinning, which is generally not included among the SPD processes. However, since there are many elements in common (high refinement of the crystalline grain, absence of internal defects, high plastic strain), it was decided to use this technique to obtain two different types of products. The first is a tubular element, very difficult to make at present given the buckling and sticking problems, while the second type of product that can be obtained is a flat element, characterized by the same properties of the tubular component, obtained after cutting and straightening conducted on the tube. The purpose of this PhD thesis is to evaluate the feasibility of using the backward tube flowforming process to obtain tailored SPD components, thus assessing the influence of various process parameters both numerically and experimentally in some of the properties of the final component. To this end, two different equipment have been developed to perform the experimental tests, a traditional one, designed starting from the peculiar characteristics of the process available in the literature and simulated numerically, and an innovative equipment that uses a constraint placed radially to the tube, helpful in increasing the strain imposed during the process and improving the surface quality of the final component. The experimental tests, carried out using the AA6082-T4 alloy as reference material, allowed us to evaluate the variations in the mechanical characteristics of the starting material, reporting a high increase in microhardness and mechanical properties intended as yield strength and UTS. At the same time, following the theoretical result that associates an increase in mechanical performance with a decrease in the size of the crystalline grain, there was a high reduction in the size of the crystalline grain, with a portion of the tube characterized by a structure with microstructure highly refined, typical of SPD processes. The high deformation impressed on the tubular elements led to a reduction in ductility, which in any case did not affect the execution of the flattening process performed downstream of the flowforming process, allowing to obtain plates characterized by the same microstructure and mechanical characteristics of the initial flowformed tube.