Fracture and Structural Integrity (Jan 2012)
Sulla stima di macro, micro e nano-durezza di materiali metallici mediante analisi elasto-plastiche agli elementi finiti
Abstract
Il lavoro sintetizzato nel presente articolo si pone come obiettivo primario quello di investigare la possibilità di stimare, mediante un approccio elasto-plastico agli elementi finiti, la durezza dei materiali metallici convenzionali, e questo sia a livello macroscopico, che a livello microscopico, che, infine, a livello nanoscopico. Per verificare validità e accuratezza della metodologia FEM sviluppata, sono state condotte una serie di analisi sperimentali su tre materiali metallici aventi caratteristiche metallurgiche estremamente diverse: una lega d’alluminio (Al 7075-T6), un acciaio a basso tenore di carbonio (BS970-En3B) e, infine, un acciaio austenitico (AISI 316L). L’indentazione Vickers è stata simulata con analisi elasto–plastiche agli elementi finiti considerando carichi di prova nell’intervallo tra 490 N e 490 µN e calibrando le simulazioni numeriche mediante curve monotone tensione–deformazione ottenute da prove di trazione eseguite utilizzando provini sia di dimensione convenzionale che aventi larghezza della zona calibrata dell’ordine dei 100 µm.La sistematica comparazione tra risultati sperimentali e simulazioni numeriche ha posto in evidenza come l’aumentare del valore della durezza misurata al diminuire della dimensione dell’impronta possa essere imputata al ruolo giocato dalla reale morfologia del materiale, ruolo che diventa predominante sulla plasticità convenzionale quando le dimensioni della superficie indentata diventano comparabili con le dimensioni medie della grana cristallina delle leghe esaminate. Tali fenomeni, pertanto, non hanno consentito di estendere l’utilizzo della meccanica del continuo fino ad un livello nanoscopico per determinare correttamente i valori della durezza. Alla luce di questi risultati è stata, però, proposta una semplice metodologia di correzione delle stime eseguite mediante gli elementi finiti che si è dimostrata un valido strumento da utilizzarsi in situazioni di interesse pratico per stimare la durezza dei materiali metallici, indipendentemente dalla dimensione della superficie indentata.
