Micro-scale digital image correlation for microstructural damage detection in additively manufactured alloys

This thesis aims to develop a digital image correlation (DIC)-based technique to investigate damage localization mechanisms at the microscale and their effects on the mechanical properties in an Al2618 matrix composite from laser powder bed fusion with TiB2 reinforcement (developed in the framework of ENCOMPASS – ESA project). After the macro-mechanical characterization of the material, the study involves the application of DIC in combination with both static and fatigue in situ scanning electron microscope testing, and with tensile testing with optical coordinate measurement system, taking images at various load steps to compute strain evolution. The preliminary stages regard the preparation of the specimens and the creation of suitable speckles, that can be obtained with the microstructural features or more in general through sandblasting with silicon powder, while the acquisition of images requires the identification of a proper field of view and a stitching strategy. Postprocessing of strain data is performed by means of Matlab coding which enables to superimpose the strain maps with the underlying microstructure and to focus on the analysis of deformation in correspondence of the features of interest. Regarding Al2618 with TiB2 reinforcement, the analysis confirms the link between plastic strain accumulation and potential damage, identifying pores as the most critical features, as at the interface with the matrix they typically cause strain concentration, that under cyclic loading can result in crack nucleation; conversely, borides tend to reduce the deformation in the neighbouring portion of matrix, thus without negative impacts on fatigue. Overall, the proposed method for the application of microscale DIC is proven to be effective for linking microstructural characteristics and mechanical properties. The procedure developed is further adopted for studying an innovative Ti64 alloy with heterostructure, showing the versatility for different microstructures.

L’obiettivo della tesi è sviluppare una tecnica basata sulla correlazione digitale di immagini (DIC) per studiare i meccanismi di localizzazione del danneggiamento alla microscala e i loro effetti sulle proprietà meccaniche di un composito a matrice di Al2618 prodotto per fusione a letto di polvere con sorgente laser rinforzato con TiB2 (nel contesto di ENCOMPASS – progetto ESA). Dopo la caratterizzazione macro-meccanica del materiale, lo studio include l’applicazione della DIC in combinazione con prove statiche e a fatica al microscopio elettronico a scansione in situ, e con prove di trazione con sistema di misura a coordinate ottica, acquisendo immagini a vari carichi per calcolare l’evoluzione della deformazione. I passaggi preliminari riguardano la preparazione dei provini e la creazione di speckle adatti, ottenibili con gli elementi microstrutturali o più in generale tramite sabbiatura con polvere di silicio, mentre l’acquisizione delle immagini richiede l’identificazione di una regione di interesse e di una strategia di stitching. La rielaborazione dei dati è effettuata con codici Matlab permettendo di sovrapporre le mappe di deformazione con la microstruttura sottostante e di focalizzarsi sull’analisi delle deformazioni in corrispondenza degli elementi di interesse. Riguardo ad Al2618 rinforzato con TiB2, l’analisi conferma il legame tra accumulo di deformazione plastica e potenziale danneggiamento, identificando i pori come gli elementi più critici, dal momento che all’interfaccia con la matrice generalmente causano concentrazione di deformazione, che sotto carico ciclico può portare a nucleazione di cricche; al contrario i boruri tendono a ridurre la deformazione della porzione di matrice circostante, senza quindi impatti negativi sulla fatica. Nel complesso, si dimostra che il metodo proposto per l’applicazione della DIC alla microscala è efficace per stabilire una relazione tra caratteristiche microstrutturali e proprietà meccaniche. La tecnica sviluppata è ulteriormente adottata per studiare un’innovativa lega Ti64 con eterogeneità microstrutturali, mostrandone la versatilità per diverse microstrutture.