Mechanical characterization of gas and water atomized 4130 low alloy steel processed by laser powder bed fusion

During last decades, additive manufacturing technologies gained importance in the manufacturing industry, this increasing interest led to ask about the quality of processed components for any kind of use, such as structural one and not only for prototyping or mould making. Since the knowledge of mechanical properties is necessary to evaluate the suitability of a material for design purposes, the aim of this thesis work is the mechanical characterization of a widely spread quenching and tempering steel, processed through laser powder bed fusion. The material under investigation is known with different names: SLM 4041 or 42CrMo4, different kinds of powders have been adopted and different heat treatments have been applied. The adoption of water atomized (WA) powder, and the one of gas atomized (GA), as well as the choice between as built conditions and quenched and tempered, showed different results. To clarify the meaning of the provided results, some hints about additive manufacturing processes, as well as metallurgy, will be covered in first chapters. Different tests, including mechanical proofs and metallographic analysis, have been described and performed to access material properties, the differences between a conventional processing cycle and laser powder bed fusion (L-PBF) have been reported. The results coming from the tests claim that this steel processed by L-PBF has limited ductility and tenacity if compared to a conventional processing route; in addition, high anisotropy coming from additive manufacturing was found. Most of the tests were performed on WA specimens, since the lower cost of this powder compared to GA one makes this option more interesting. Despite these considerations, high values of UTS and YS (up to 1100 MPa and 1000 MPa), as well as high hardness and an acceptable hardenability have been obtained, the only remarks are on impact and fracture toughness values, which are very low, describing a fragile behavior, unsuitable for some applications like structural ones.

Durante gli ultimi decenni, le tecnologie di additive manufacturing hanno acquisito importanza nel settore manifatturiero, questo crescente interesse ha portato all’interrogarsi sulla qualità dei componenti ottenuti riguardo ogni tipo di uso, come ad esempio l’uso strutturale e non solo per la realizzazione di prototipi o stampi. Dato che la conoscenza delle proprietà meccaniche del materiale è fondamentale per valutarne l’adeguatezza in fase di progettazione, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è la caratterizzazione di un acciaio da bonifica molto diffuso, ottenuto attraverso il processo di fusione laser selettiva di metalli (laser powder bed fusion, L-PBF). Il materiale investigato è conosciuto con diversi nomi, SLM 4041 o 42CrMo4, diversi tipi di polvere sono stati utilizzati, e differenti tipi di trattamenti termici sono stati applicati. La scelta tra polvere atomizzata tramite acqua (WA) o gas (GA), così come la scelta tra condizioni inalterate rispetto alla realizzazione, trattamento di rinvenimento o di bonifica, hanno portato a differenti risultati. Per fornire maggiore chiarezza sul significato dei risultati ottenuti, alcuni cenni sui processi di additive manufacturing, così come su aspetti metallurgici, saranno trattati nei primi capitoli. Diversi test, includendo prove meccaniche ed analisi metallografiche, sono stati descritti e svolti per risalire alle proprietà del materiale, le differenze tra un processo convenzionale ed L-PBF sono state riportate. I risultati prodotti dai test affermano che la produzione di questo acciaio attraverso L-PBF ha una limitata duttilità e tenacità se paragonato a metodi convenzionali; inoltre, è stata verificata la presenza di grande anisotropia derivante dal processo di additive manufacturing. La maggior parte dei test è stata realizzata su campioni realizzati con polvere atomizzata con acqua, dato il minor costo di questa polvere rispetto a quella atomizzata con gas, questa opzione è sicuramente più interessante. Nonostante queste considerazioni, si sono trovati valori elevati per il carico di rottura UTS e di snervamento Ys (rispettivamente fino a 1100 e 1000 Mpa), inoltre elevate durezze e buona temprabilità sono state osservate, gli unici commenti negativi sono sui valori di resilienza e di tenacità alla frattura, che essendo molto bassi, descrivono un comportamento fragile, non adatto per alcuni utilizzo, come quello strutturale.