Il loro sviluppo di una fusione di acciaio austenitico legato al rame, deformabile a freddo e con proprietà TRIP/TWIP segna una pietra miliare nella scienza dei materiali e apre nuove prospettive per applicazioni critiche per la sicurezza. La nuova lega offre una combinazione senza precedenti di resistenza e duttilità: è altamente resistente e può comunque deformarsi plasticamente.
Il segreto dell'effetto TRIP/TWIP
Il nucleo di questa innovazione risiede nel cosiddetto effetto TRIP/TWIP, che conferisce al nuovo acciaio fuso le sue straordinarie proprietà. TRIP sta per 'Plasticità indotta da trasformazione' e TWIP per 'Plasticità indotta da geminazione'. Questi meccanismi fanno sì che la microstruttura del materiale cambi sotto carico, portando a un aumento significativo della resistenza e della duttilità.
Effetto TRIP: Sotto sollecitazione meccanica, una parte dell'austenite, una fase microstrutturale morbida e tenace, si trasforma in martensite, cioè in una fase dura e rigida. Questa trasformazione porta a un indurimento locale del materiale e aumenta la sua resistenza alle fessurazioni.
Effetto TWIP: Qui si formano nell'austenite cosiddetti geminati di deformazione, che contribuiscono anch'essi a un indurimento e a un aumento della tenacità del materiale.
Entrambi gli effetti aumentano la resistenza a trazione del materiale e la sua capacità di assorbire energia meccanica:
‘Combinando questi due effetti, la resistenza del materiale è significativamente aumentata e il fallimento del componente sotto carico dinamico è ritardato. Inoltre, la capacità di deformazione e la capacità di assorbire energia in caso di impatto migliorano notevolmente’, spiega Nadine Lehnert, che ha assunto la direzione del progetto presso il Fraunhofer IWU nel progetto di ricerca finanziato dalla DFG 'Deformazione a freddo dell'acciaio fuso'.
E funziona così: La forma iniziale della lega di acciaio fuso considerata viene deformata a freddo in un prodotto con una microstruttura austenitica a grana fine e ricostituita. Il percorso di produzione inizia con una struttura austenitica a grana grossa. Il pezzo viene inizialmente ridotto nel diametro in una matrice di pressatura. Questo carico meccanico porta, attraverso l'effetto TRIP/TWIP, a una microstruttura parzialmente martensitica. Il successivo trattamento termico in forno provoca una riduzione della dimensione dei grani (finezza) nel componente, grazie alla ricristallizzazione della martensite in austenite.
Sotto carico elevato, può verificarsi una fessurazione nel componente, specificamente nella microstruttura austenitica, che però non porta a un fallimento, ma viene fermata da una trasformazione martensitica della microstruttura. Grazie al nuovo indurimento (martensite), la capacità di carico del materiale aumenta persino.
Aree di applicazione con alto potenziale di sicurezza
Le uniche proprietà del nuovo acciaio fuso lo rendono idoneo per l'uso in applicazioni critiche per la sicurezza, dove sono richiesti i massimi standard di resistenza, tenacità e affidabilità.
- Industria automobilistica: Viti, componenti delle sospensioni, assorbitori di urti e strutture della carrozzeria beneficiano dell'elevata capacità di assorbimento energetico e della sicurezza in caso di collisione del materiale.
- Aerospaziale: I componenti strutturali e gli elementi di fissaggio possono essere progettati più leggeri e resistenti grazie al nuovo acciaio fuso.
- Tecnologia medica: Impianti e strumenti chirurgici possono essere ottimizzati grazie all'elevata biocompatibilità e resistenza del materiale.
Edilizia e infrastrutture: Gli ancoraggi montani e gli elementi di fissaggio per ponti e tunnel possono essere resi più sicuri grazie all'elevata resistenza alle fessurazioni del materiale. Infatti, la lega esprime i suoi vantaggi dove la durabilità del materiale è fondamentale anche sotto carichi estremi.
Deformazione a freddo energeticamente efficiente come tecnologia chiave
Un ulteriore vantaggio decisivo del nuovo acciaio fuso è l'idoneità per la deformazione a freddo. Questo processo consente la produzione di componenti a temperatura ambiente, rendendo superflui processi ad alta intensità energetica come la laminazione a caldo. 'La catena di processo della deformazione a freddo è significativamente più breve ed efficiente. Iniziamo con un pezzo pre-fuso, che viene poi deformato direttamente. Ciò elimina numerosi passaggi ad alta intensità energetica come il riscaldamento, la laminazione e il decapaggio, che sono necessari nella deformazione a caldo', spiega Lehnert.
Sostenibilità e redditività al centro
Oltre ai vantaggi tecnici, lo sviluppo del nuovo acciaio fuso contribuisce anche alla sostenibilità e alla redditività.
Risparmio di risorse, aspetti sanitari: La parziale sostituzione del nichel con rame riduce l'uso di risorse costose e scarse, nonché i rischi per la salute durante la lavorazione.
Risparmio energetico: La deformazione a freddo consuma significativamente meno energia rispetto alla deformazione a caldo, portando a una riduzione delle emissioni di CO2.
Efficienza dei costi: La catena di processo semplificata, il minore utilizzo di materiali e il minor consumo di gas (deformazione a freddo) abbassano i costi di produzione.
Uno sguardo al futuro
I risultati della ricerca del team costituiscono la base per un utilizzo mirato dell'effetto TRIP/TWIP per applicazioni critiche per la sicurezza. Le future ricerche presso il Fraunhofer IWU si concentreranno sull'ottimizzazione del processo di deformazione e sull'impostazione mirata delle proprietà del materiale. 'Il nostro obiettivo è sfruttare appieno le potenzialità dell'effetto TRIP/TWIP e consentire la produzione economica di componenti ad alte prestazioni per una varietà di applicazioni', afferma Lehnert.
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