Approccio multiscala per l'ottenimento di superfici nanostrutturate mediante processo di pallinatura

Shot peening consist in a superficial treatment which involves the creation of nanostructured surfaces through the use of appropriate process parameters. The formation of such surfaces which are characterized by a crystalline structure whose grains have a size between 1 and 100 nm, allows to increase the mechanical features of a component. In this way it’s conduct will be improved when subjected to fatigue, to wear’s phenomena, to fretting, to stress corrosion cracking on well as to superficial corrosion. The above mentioned properties, together with an increased wettability and the crystalline structure’s compatibility with bone cell have also allow the usage of shot peening in the biomedical field. Shot peening’s ability to create such characteristics on the surface layers of a component is strictly related to the process parameters involved; specifically it depends on the effect that such parameters have on the level of the impact’s energy and on the energy transferred to the component. The objective of this paper is to prove that the formation of a crystalline structure occurs on the superficial layer of a component when treated with shot peening. Such phenomenon is characterized by a fixed structured having grains whose dimensions are between 1 and 100 nm. In the first chapters the survey process, by exploiting finite element’s analysis. On the one fond, will deal with the description of those parameters which are able to influence the impact’s energy, whether under single impact conditions or multi impact condition, as the other hand, it will deals with the effect that such parameters have on the cumulative plastic equivalent deformation’s value. In the last sections of the paper indeed, by considering the above mentioned values, the formation of nanostructures will be proved tanks to the use of molecular dynamic’s analysis. Moreover it will be emphasized the influence that same parameters can have on the process, such as strain rate and the dimension of the considered model.

La pallinatura o shot peening è un trattamento superficiale che permette di ottenere, mediante l’utilizzo di opportuni parametri di processo, superfici nano strutturate. La formazione di tali superfici caratterizzate da una struttura cristallina i cui grani assumono dimensioni comprese tra 1-100 nm permette di incrementare le caratteristiche meccaniche del componente, migliorandone il comportamento a fatica, a fenomeni di usura, al fretting, a stress corrosion cracking nonché a fenomeni di corrosione superficiale. Queste proprietà, unite ad una maggiore bagnabilità ed ad una compatibilità della struttura nanocristallina con le cellule ossee hanno permesso l’utilizzo della pallinatura anche in ambito biomedico. La capacità dello stesso shot peening di creare tali caratteristiche negli strati superficiali del componente è in ogni caso relazionata ai parametri di processo impiegati, in particolar modo all'effetto che questi hanno sul livello di energia posseduta dall'impatto e sull'energia trasferita al componente. Compito di questo elaborato è quello di poter verificare la definizione di un modello in grado di simulare il processo di SSP e di valutare le condizioni che permettono la formazione di uno strato nano strutturato, struttura cristallina caratterizzata da una struttura stabile con grani le cui dimensioni sono comprese tra 1-100 nm, in funzione dei parametri di processo. Un modello di questo tipo richiede un approccio di tipo multiscala a partire da modelli FEM con cui il processo viene simulato al fine di indagare i parametri che influenzano l'energia d'impatto sia nelle condizioni di singolo impatto sia nelle condizioni di multi impatto, e l'effetto che questi hanno sul valore della deformazione plastica equivalente cumulata. Nella seconda parte del lavoro invece, partendo dai valori di deformazione plastica cumulata, si dimostrerà la formazione delle nanostutture mediante l'utilizzo di analisi di dinamica molecolare, evidenziando l'influenza che esercitano alcuni parametri, come la velocità di deformazione e le dimensioni del modello stesso.