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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3115 (2023) Citare questo articolo

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L'effetto della microstruttura sulla formabilità delle lamiere inossidabili è una delle principali preoccupazioni per gli ingegneri dell'industria della lamiera. Nel caso degli acciai austenitici, la presenza di martensite indotta da deformazioni (\({\alpha }^{^{\prime}}\)-martensite) nella loro microstruttura provoca una notevole riduzione dell'incrudimento e della formabilità. Nel presente studio, miriamo a valutare la formabilità degli acciai AISI 316 con diverse intensità di martensite tramite metodi sperimentali e di intelligenza artificiale. Nella prima fase, gli acciai di qualità AISI 316 con spessore iniziale di 2 mm vengono ricotti e laminati a freddo a vari spessori. Successivamente, l'area relativa della martensite indotta dalla deformazione viene misurata mediante test metallografici. La formabilità dei fogli laminati viene determinata utilizzando la prova del punzone emisferico per ottenere diagrammi limite di formatura (FLD). I dati ottenuti dagli esperimenti sono stati ulteriormente utilizzati per addestrare e convalidare un sistema di interferenza neurale fuzzy artificiale (ANFIS). Dopo aver addestrato l'ANFIS, le principali tensioni previste dalla rete neurale vengono confrontate con una nuova serie di risultati sperimentali. I risultati indicano che la laminazione a freddo ha effetti sfavorevoli sulla formabilità di questo tipo di acciai inossidabili mentre rinforza significativamente le lamiere. Inoltre, l'ANFIS mostra risultati soddisfacenti rispetto alle misurazioni sperimentali.

La formabilità delle lamiere, sebbene sia stata oggetto di articoli di ricerca per decenni, rappresenta ancora un interessante campo di studio in metallurgia. I nuovi strumenti tecnologici e i modelli computazionali facilitano l’individuazione dei fattori sottostanti che influenzano la formabilità. Ancora più importante, l’utilizzo dei metodi degli elementi finiti di plasticità cristallina (CPFEM) negli ultimi anni ha rivelato l’importanza della microstruttura sui limiti di formazione. D'altra parte, la disponibilità del microscopio elettronico a scansione (SEM) e della diffrazione di retrodiffusione elettronica (EBSD) ha aiutato i ricercatori a osservare le attività microstrutturali delle strutture cristalline durante la deformazione. La comprensione degli effetti delle diverse fasi nei metalli, della dimensione e dell'orientamento dei grani e delle imperfezioni su microscala nel livello dei grani sono fondamentali per prevedere la formabilità.

La stessa determinazione della formabilità è una procedura impegnativa poiché è stato dimostrato che la formabilità dipende fortemente dal percorso1,2,3. Pertanto, la rappresentazione convenzionale delle deformazioni limite di formatura potrebbe non essere affidabile in condizioni di carico non proporzionale. D'altro canto, la maggior parte dei percorsi di carico nelle applicazioni industriali è classificata come non proporzionale. A questo proposito, i metodi sperimentali convenzionali dell'emisfero e di Marciniak-Kuczynski (M-K) dovrebbero essere utilizzati con cautela4,5,6. Negli ultimi anni, un altro concetto di diagramma limite di formazione della frattura (FFLD) ha attirato l'attenzione di molti ingegneri nel campo della formabilità. In questo concetto, la formabilità delle lastre viene prevista utilizzando i modelli di danneggiamento. A questo proposito, l'indipendenza dal percorso è intrinsecamente incorporata nelle analisi e i risultati sono in buon accordo con i risultati sperimentali non proporzionali7,8,9. La formabilità delle lamiere dipende da diversi parametri e dalla storia di lavorazione delle lamiere, nonché dalla microstruttura e dalle fasi dei metalli10,11,12,13,14,15.

La dipendenza dalle dimensioni rappresenta una sfida nell’incorporazione di microcaratteristiche sui metalli. Nello spazio a piccola deformazione, la dipendenza delle caratteristiche di vibrazione e deformazione ha dimostrato di essere fortemente dipendente dalla scala di lunghezza dei materiali16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30. Gli effetti della dimensione del grano sulla formabilità sono stati riconosciuti nell’industria da molto tempo. Gli effetti della dimensione del grano e dello spessore sull'estensibilità delle lamiere sono stati esaminati utilizzando l'analisi teorica di Yamaguchi e Mellor31. Utilizzando il modello Marciniak, hanno riferito che la diminuzione del rapporto spessore/dimensione dei grani provoca una diminuzione dell'estensibilità dei fogli in condizioni di carico di allungamento biassiale. I risultati sperimentali di Wilson et al.32 confermano che la riduzione dello spessore rispetto al diametro medio del grano (t/d) porta a una diminuzione dell'estensibilità biassiale di tre diverse lamiere con diversi spessori. Hanno concluso che per valori t/d inferiori a 20, la notevole disomogeneità della deformazione e la strizione sono per lo più influenzate dai singoli grani nello spessore del foglio. L'effetto della granulometria degli acciai inossidabili austenitici 304 e 316 sulla lavorabilità è stato studiato da Ulvan e Koursaris33. Hanno riferito che la formabilità di questi metalli non era influenzata dalla dimensione del grano ma si osservava una leggera variazione nelle caratteristiche di trazione. In particolare, l'aumento della dimensione del grano ha comportato una diminuzione delle misure di resistenza di questi acciai. L'esame dell'effetto della densità di dislocazione sullo stress di flusso del nichel metallico rivela che, indipendentemente dalla dimensione del grano, è la densità di dislocazione che determina lo stress di flusso del metallo34. Anche l'interazione dei grani e gli orientamenti iniziali hanno un'influenza significativa sull'evoluzione della struttura nell'alluminio esaminato da (Becker e Panchanadeeswaran utilizzando simulazioni sperimentali e di plasticità cristallina35. I risultati numerici nelle loro analisi erano in buona armonia con gli esperimenti sebbene a causa delle limitazioni nell'applicazione delle condizioni al contorno alcuni risultati della simulazione deviavano dagli esperimenti. I fogli di alluminio laminati manifestavano diverse formabilità come simulazioni di plasticità cristallina rilevate e esami sperimentali.36 È stato dimostrato che sebbene le curve sforzo-deformazione di diversi fogli fossero quasi simili, c'erano differenze significative nella loro formabilità in base al valore iniziale textures. Amelirad e Assempour hanno utilizzato esperimenti e CPFEM per ottenere curve limite di formatura in lamiere di acciaio inossidabile austenitico37. La loro simulazione rivela che l'aumento della dimensione dei grani si sposta formando curve limite verso l'alto in FLD. Inoltre, sono stati esaminati l'orientamento dei grani e gli effetti morfologici sulla nucleazione dei vuoti degli stessi autori38.