Investigating the effects of severe shot peening on pure iron : an experimental and numerical analysis

Thousands of years ago cold working was applied to improve hardness of copper, bronze, steel and iron weapons and armour by means of hammer impacts. Nowadays, a wide variety of different processes have been developed to increase mechanical properties of martials; among all, shot peening has been studied a lot during the last century. In the last few years, considering the wide range of properties modified by the process, shot peening has been applied in many different fields. Biomedical is one of the most promising ones, and the current limited knowledge of shot peening application in this area offers a great opportunity to explore its potential application in biomedical context. The aim of this thesis is to use experimental and numerical methods in order to identify the best set of the shot peening process parameters that leads to an increase of the mechanical performance of the biocompatible material pure α-grains iron, commercially called Armco® iron. The final aim of this study is to pave the way towards production of biodegradable implants, eliminating both long-term problems for patients and the need for a second surgery to remove the structure, once the mechanical supporting task is over. The results obtained from the experimental campaign were used to refine and validate a numerical model of the process, fist considering a single shot analysis, validated by means of empirical methods; then, designing a multiple impact analysis to predict the residual stress profile induced on the treated surface. The results indicate considerable enhancement of mechanical properties by application of appropriate shot peening treatment. The distribution of residual stresses obtained from the numerical model shows a good agreement with experimental data and thus can be used for prediction of the induced residual stress field for future analysis.

Migliaia di anni fa, le lavorazioni basate sulla deformazione a freddo erano utilizzate per migliorare la durezza di armi prodotte con materiali come rame, bronzo, acciaio e ferro, sfruttando l’impatto di un martello. Al giorno d’oggi, una grande varietà di processi differenti sono stati sviluppati per migliorare le caratteristiche meccaniche dei materiali; tra tutti, la pallinatura è stata molto studiata durante l’ultimo secolo. Negli ultimi anni, tenendo in considerazione l’ampia gamma di parametri che vengono modificati da questo processo, la pallinatura severa è stata applicata in diversi settori. L’ambito biomedico è uno dei più promettenti, ma, la conoscenza limitata degli effetti della pallinatura, rende la ricerca nel settore ancora vasta. L’obiettivo del lavoro di tesi è di migliorare le caratteristiche meccaniche di un materiale biocompatibile quale il ferro puro grano α, commercialmente chiamato ferro Armco®, mediante l’applicazione di selezionati parametri di processo durante la fase di pallinatura, al fine di aprire la strada alla produzione di protesi che si auto assorbono nell’organismo. Questa specifica applicazione permetterebbe di eliminare sia problemi a lungo termine, sia la necessità di sottoporsi nuovamente ad un secondo intervento per rimuovere l’impianto una volta che la sua funzione strutturale si è conclusa. I risultati ottenuti nella parte sperimentale del lavoro sono stati utilizzati per migliorare e validare il modello numerico del processo analizzato. Come prima cosa è stata effettuata un’analisi considerando un singolo impatto per validare la risposta del materiale confrontando i risultati numerici con quelli empirici. Successivamente, è stato sviluppato un modello a impatto multiplo per prevedere lo sforzo residuo lasciato sulla superficie trattata. I risultati ottenuti mostrano che l’utilizzo di parametri appropriati durante il processo di pallinatura porta ad un considerevole innalzamento delle proprietà meccaniche del materiale. Inoltre, la distribuzione degli sforzi residui ottenuta mediante il modello numerico è confrontabile con quella ottenuta dall’analisi sperimentale. Per questo motivo, tale modello potrà essere utilizzato in analisi future per prevedere lo stato di sforzo residuo indotto dal processo di pallinatura.