Selective laser melting of A357 aluminium alloy : fatigue strength assessment

The present master thesis investigates the fatigue strength assessment of A357 aluminium alloy samples realised by Selective Laser Melting (SLM). The samples were treated with T6 and stress relieved heat treatments whose effects on microstructures and mechanical properties were already studyed in previous thesis [2]. Samples analysis are static and fatigue type and they are done with statistical and Matlab® instruments. Matlab® is also used to plot the statistical results and the diagram of the thesis. The analysis are principally based on mechanical properties comparison of specimens tested, which are already presented in other previous works [2,7]. Datas are aquired from a samples number of 150, whose thirty of them are used and built for static analysis, while the other are fatigue specimens. Specimens were built in different build directions (0°, 45° and 90°) and in internal or external build platform region. For static analysis were built five samples for each built direction for internal and external build platform position (15 samples for internal plate and 15 for external region of the plate). The others 120 specimens are built following the ASTM E466 normative, in this case for the external and internal region of the built plate were printed 20 samples for each built direction. Each build way is compared between them because of the build directions influence the samples mechanical properties. Specimens built with 0° and 45° orientation show better properties than 90° samples (horizontal specimens), which have a major roughness with respect to the other one. Next step of the thesis is the deply study of the defects size, position and typology of the failure fatigue specimens thanks to the Scanning Electron Microscope (SEM). A Matlab® semi-automatic process was realized by which is possible to calculate the Murakami’s area (√Area), which was used to diagram the Kitagawa-Takahashi, El Haddad and Chapetti models. These methods are the bases of the fatigue strength assessment of the samples tested of this thesis. A samples comparison between 0° and 45° orientations show the differences between the defects size and faigue strength, which are quite similar. This work, however, highlights that the vertical specimens (0° orientation) are better than the 45° in fatigue strength assessment, thanks to minor defects size and higher fatigue strength. Moreover the better behaviour of the SLM samples with respect to casting samples of the same A357 aluminium alloy is underlined. An enrichemnt of Kitagawa-Takahashi diagram was made thank to a numerical model. The lack of experimental data to draw the Paris diagram is the reason of numerical results with an error from the real one. The differences, anyway, are less than an order of measure, for this reason the results were used in Kitagawa-Takahashi. The numerical model can be, with a good experimental correlation, an useful tool for enrich the fatigue strength assessment.

La seguente tesi magistrale ha lo scopo di valutare la resistenza a fatica di provini in lega di alluminio A357 realizzati tramite Selective Laser Melting (SLM). Questi sono stati sottoposti a trattamenti termici T6 e di distensione. I loro effetti sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche sono già stati studiati in tesi precedenti. L’analisi dei provini spazia da analisi statiche a quelle a fatica con largo uso della statistica e strumenti di Matlab® usato per rappresentare i dati elaborati. Le analisi si basano principalmente sul confronto delle proprietà meccaniche, già acquisite in lavori precedenti, dei provini testati. La disponibilità di dati deriva da un totale di 150 provini, trenta dei quali sono usati per l’analisi statica, mentre i restanti per l’analisi a fatica. I confronti eseguiti si basano su come i provini sono stati costruiti; infatti per i provini ‘statici’ ne sono stati costruiti cinque per ogni direzione di stampa e per parte interna ed esterna della piattaforma. I provini costruiti per le prove a fatica, invece, sono venti per ogni direzione di stampa e per parte interna ed esterna della piattaforma. La direzione di stampa influenza le caratteristiche meccaniche dei provini, in particolare si notano risultati migliori per i provini costruiti a 0° e 45° rispetto a quelli stampati in orizzontale (90°) caratterizzati da una rugosità superficiale maggiore rispetto i primi due. Svolte le due tipologie di analisi si procede con lo studio dettagliato dei difetti presenti nei provini rotti a fatica grazie a immagini ottenute con l’uso di uno Scanning Electron Microscope (SEM). È stato realizzato un processo semi-automatico in Matlab® con il quale è possibile raccogliere l’area di Murakami (√Area), usata per tracciare i diagrammi di Kitagawa-Takahashi, El Haddad e Chapetti i quali sono alla base dello studio della resistenza a fatica di questa tesi. Un confronto fra provini costruti a 0° e 45° mostra valori dei difetti e limite a fatica simili fra i due, tuttavia questo lavoro evidenzia che i provini costruiti in verticale risultano migliori nel campo della fatica, con difetti minori e limite a fatica più elevato rispetto sia a provini a diversa angolazione ma anche di provini prodotti con tecnologie classiche come la colata. Un’aggiunta di risultati al diagramma di Kitagawa-Takahashi è stata eseguita grazie all’uso di un modello numerico, la mancanza di dati sperimentali che traccino la curva di Paris non permette di avere risultati perfettamente corretti, tuttavia il modello numerico descritto nel capitolo 5, in presenza di dati sperimentali utili per la correlazione con esso, può essere un buon strumento per arricchire il modello di Kitagawa-Takahashi.