Investigation on planar anisotropy to improve the deep-drawability of ultra-thin cold rolled and annealed ferritic and austenitic stainless steels

The objective of this thesis is to conduct a comprehensive investigation into the planar anisotropy and deep-drawability of ultra-thin cold rolled and annealed stainless steels coils belonging to the AISI 304, AISI 316, and AISI 430 grades. The thesis aims to correlate anisotropy with operating parameters and so with mechanical properties, and microstructural features. The research encompasses 135 samples sourced from coils originating from around 105 distinct castings. These coils undergo industrial cold rolling processes to produce ultra-thin sheets, ideal for metal forming operations like deep drawing. Manufacturing is significantly impacted by the anisotropy of the material, which is categorized into two forms: normal anisotropy and planar anisotropy. The former refers to the material's resistance to thinning and should be enhanced, whereas the latter, must be minimized to prevent the earing phenomenon. Hence, it is of industrial interest to investigate planar anisotropy to comprehend how to manage and mitigate it, to reduce waste and operational challenges during deep-drawing. To quantitatively evaluate planar anisotropy and correlate it to the metallurgical features of materials, various experimental evaluations have been applied: tensile test, earing test, and, in case of specific samples, an assessment of grain characteristics and texture analysis. The tensile test highlights planar anisotropy values (Δr) primarily influenced by the percentage of thickness reduction carried out in the last cold rolling step: for AISI 304, better values are obtained at low reductions, for AISI 316 at intermediate reductions, and for AISI 430 both at low and high reductions. The results of the earing test and the tensile test have shown a good linear relationship, leading to the same conclusions. Texture analysis results are in line with the Δr values obtained for the two austenitic alloys, while for AISI 430 the correlation is less evident. The study has highlighted that the standard production routs defined by the company allow achieving controlled planar anisotropy values while preserving the mechanical characteristics of the material, adjusting the percentage of thickness reduction in the cold rolling process.

L'obiettivo di questa tesi è quello di condurre un'indagine esaustiva sull'anisotropia planare e sull'imbutitura profonda di bobine ultrasottili di acciai inossidabili laminati a freddo e ricotti, appartenenti ai gradi AISI 304, AISI 316 e AISI 430. La tesi mira a stabilire una correlazione tra l'anisotropia, i parametri operativi e, di conseguenza, le proprietà meccaniche e le caratteristiche microstrutturali. La ricerca coinvolge 135 campioni provenienti da bobine originate da circa 105 colate distinte. Tali bobine vengono sottoposte a processi industriali di laminazione a freddo per produrre fogli ultra-sottili, ideali per operazioni di formatura dei metalli come l'imbutitura. Questo processo è notevolmente influenzato dall'anisotropia del materiale, suddivisa in due forme: anisotropia normale e anisotropia planare. La prima si riferisce alla resistenza del materiale all'assottigliamento e deve essere incrementata, mentre la seconda deve essere ridotta al minimo per evitare il fenomeno dell'earing. È quindi di interesse industriale studiare l'anisotropia planare per comprendere come gestirla e mitigarla, al fine di ridurre gli scarti e le sfide operative durante l'imbutitura. Per valutare quantitativamente l'anisotropia planare e correlarla alle caratteristiche metallurgiche dei materiali, sono state applicate diverse valutazioni sperimentali: prova di trazione, earing test e, per specifici campioni, valutazione della dimensione del grano e analisi della tessitura. La prova di trazione evidenzia che i valori di anisotropia planare (Δr) sono fortemente influenzati dalla percentuale di riduzione dello spessore nell'ultimo step di laminazione a freddo: per l'AISI 304 si ottengono valori migliori a basse riduzioni, per l'AISI 316 a riduzioni intermedie e per l'AISI 430 sia a riduzioni basse che alte. I risultati dell'earing test e della prova di trazione mostrano una buona relazione lineare, giungendo alle stesse conclusioni. Gli esiti dell'analisi di tessitura sono in linea con i valori di Δr ottenuti per le due leghe austenitiche, mentre per l'AISI 430 la correlazione è meno evidente. Lo studio ha evidenziato che i cicli produttivi standard definiti dall'azienda consentono di ottenere valori controllati di anisotropia planare, garantendo al contempo la conservazione delle proprietà meccaniche del materiale, attraverso la regolazione della percentuale di riduzione dello spessore nel processo di laminazione a freddo.