Lightweight solutions for high manganese steel

The increasing demand for energy efficiency, reduced emissions, and enhanced structural performance has intensified the need for lightweight materials with high specific mechanical properties. High-manganese steels are particularly attractive due to their excellent ductility, toughness, and strain-hardening capability; however, their relatively high density limits their application in weight-critical components. A common strategy for density reduction is the addition of aluminium in Fe–Mn–Al–C low-density steels. Nevertheless, this approach is not universally applicable. In specific environments, such as lead-cooled nuclear reactors, the high chemical reactivity of aluminium and its detrimental behaviour at elevated temperatures make its use unfavourable. In these cases, steels rich in chromium are required to ensure corrosion resistance and thermal stability, resulting in inherently higher density. Consequently, lightweight design cannot rely on alloy chemistry alone and must be achieved through structural optimization. Bioinspired geometry represents an effective solution to this challenge. This thesis investigates two complementary lightweight strategies for high-Mn steels: alloy design through aluminium addition and bioinspired structural optimization for dense, Al-free alloys. The first part of the work analyses Fe–Mn–Al–C low-density steels, focusing on the role of aluminium in density reduction, phase stability, κ-carbide formation, and strengthening mechanisms. A novel high-Mn alloy is experimentally characterized and compared with a reference material in terms of microstructure and mechanical behaviour. The second part of the thesis addresses lightweight design through geometry, inspired by the hierarchical porous structure of the cholla cactus skeleton. This approach enables mass reduction while preserving load-bearing capacity, making it particularly suitable for high-density, Cr-rich steels intended for high-temperature and corrosive environments. Thin-walled hollow cylindrical cellular structures were designed using a bioinspired methodology and evaluated through analytical modelling, finite element simulations, and experimental compression tests. The structures were manufactured via casting and additive manufacturing, considering technological constraints and scalability. The results show that aluminium alloying effectively reduces density while maintaining favourable specific mechanical properties, although it introduces microstructural complexities that require careful control. For applications where aluminium cannot be used, bioinspired geometrical optimization significantly improves the stiffness-to-weight ratio and energy absorption compared to conventional hollow cylinders with the same volume. This work demonstrates that the integration of advanced alloy development with bioinspired structural design provides a versatile and application-driven pathway for lightweight high-performance components, particularly for extreme environments where material chemistry is constrained.

La crescente richiesta di efficienza energetica, riduzione delle emissioni e miglioramento delle prestazioni strutturali ha reso sempre più necessario lo sviluppo di materiali leggeri caratterizzati da elevate proprietà meccaniche specifiche. Gli acciai ad alto contenuto di manganese risultano particolarmente interessanti per applicazioni strutturali grazie alla loro eccellente duttilità, tenacità e capacità di incrudimento; tuttavia, la loro densità relativamente elevata ne limita l’impiego nei componenti sensibili al peso. Una strategia comunemente adottata per la riduzione della densità consiste nell’aggiunta di alluminio negli acciai Fe–Mn–Al–C a bassa densità. Tale soluzione, però, non è universalmente applicabile. In ambienti specifici, come nei reattori nucleari raffreddati a piombo, l’elevata reattività chimica dell’alluminio e il suo comportamento sfavorevole alle alte temperature ne rendono indesiderabile l’utilizzo. In questi contesti sono necessari acciai ricchi in cromo, in grado di garantire resistenza alla corrosione e stabilità termica, ma caratterizzati da densità più elevata. Di conseguenza, la riduzione di peso non può essere ottenuta esclusivamente attraverso la progettazione della lega, ma deve essere perseguita mediante l’ottimizzazione geometrica. In questo scenario, il design bioispirato rappresenta una soluzione efficace. La presente tesi analizza due strategie complementari per la progettazione leggera degli acciai ad alto contenuto di Mn: la progettazione della lega tramite aggiunta di alluminio e l’ottimizzazione strutturale bioispirata per leghe dense prive di Al. Nella prima parte del lavoro vengono studiati gli acciai Fe–Mn–Al–C a bassa densità, con particolare attenzione al ruolo dell’alluminio nella riduzione della densità, nella stabilità delle fasi, nella formazione dei κ-carburi e nei meccanismi di rafforzamento. Una nuova lega ad alto contenuto di Mn è stata caratterizzata sperimentalmente e confrontata con un materiale di riferimento in termini di microstruttura e comportamento meccanico. La seconda parte della tesi affronta il problema della riduzione di massa attraverso l’ottimizzazione geometrica, ispirata alla struttura gerarchica porosa dello scheletro del cactus cholla. Questo approccio consente di ridurre il peso mantenendo la capacità portante, risultando particolarmente adatto per acciai ad alta densità e ricchi in cromo destinati ad ambienti ad alta temperatura e corrosivi. Sono state progettate strutture cellulari cilindriche a parete sottile mediante una metodologia bioispirata e analizzate tramite modelli analitici, simulazioni agli elementi finiti e prove sperimentali di compressione. Le strutture sono state realizzate mediante processi di fusione e manifattura additiva, tenendo conto dei vincoli tecnologici e della scalabilità. I risultati mostrano che l’aggiunta di alluminio consente un’efficace riduzione della densità mantenendo proprietà meccaniche specifiche favorevoli, sebbene introduca complessità microstrutturali che devono essere opportunamente controllate. Per le applicazioni in cui l’alluminio non può essere utilizzato, l’ottimizzazione geometrica bioispirata permette di migliorare significativamente il rapporto rigidezza/peso e la capacità di assorbimento di energia rispetto a cilindri cavi convenzionali a parità di volume. Il lavoro dimostra che l’integrazione tra sviluppo di leghe avanzate e progettazione strutturale bioispirata rappresenta un approccio versatile e orientato all’applicazione per la realizzazione di componenti ad alte prestazioni e a massa ridotta, in particolare per ambienti estremi in cui la chimica del materiale è vincolata.