Sviluppo di una macchina di prova di fatica termica

The aim of this work is the development of a thermal fatigue testing machine, allowing a classification of the materials involved in mould construction for aluminum die casting. The main objective settled is the repeatability of testing conditions and results, that has been reached through several system modifications. Our starting point was a tensile testing machine, with the addition of an inductor for heating and water nozzles for cooling phase. The thermal expansion and contraction of the specimen were constrained by the crossbars, thus generating thermal stresses. After many tests on this apparatus, it was found to be not repeatable due to inhomogeneous cooling and heating and it showed problems related to temperature measurement and control. For these reasons, we developed an internal cooling system that provided more suitable conditions for the application of an optical measurement instrument, assuring a more homogeneous cooling and heating but overall ensuring the replication of the thermal conditions among different tests. In the meanwhile of this development work, we spent time on the study of material’s response to thermal stresses, trying to identify the spectrum of all the possible damages. We also suggested guidelines for the test parameters, in order to obtain on the specimen only thermal fatigue breaking. In fact we noticed a tendency to a strong plastic deformation beyond 600°C, that made the test useless. On all the successful tests it was performed a metallographic analysis, in order to obtain a damage parameter relating the useful life of the specimen to cracks dimension and number. This factor is called pyrocracking factor, and it provided positive results when it was possible to use it. The overall result of all the implementations was the direct correlation, found several times, between the duration of the test and the maximum temperature reached.

Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo di una macchina di prova di fatica termica, che permetta la classificazione dei materiali usati per la costruzione degli stampi per la pressofusione di alluminio. L’obiettivo principale è l’ottenimento della ripetibilità delle condizioni di prova e dei risultati, che è stata raggiunta attraverso numerose modifiche al sistema. Il nostro punto di partenza è stata una macchina di prova di trazione, con l’aggiunta di un induttore per il riscaldamento e di ugelli per la fase di raffreddamento. L’espansione e la contrazione termica del provino sono state vincolate dalle traverse, generando quindi stress termici. Dopo numerose prove con questo setup, è stato stabilito che non era ripetibile, a causa di riscaldamenti e raffreddamenti non omogenei, e mostrava problemi legati alla lettura e al controllo delle temperature. Per queste ragioni è stato sviluppato un sistema di raffreddamento interno, che ha fornito condizioni più adatte per l’utilizzo di uno strumento di misura ottico, assicurando riscaldamento e raffreddamento uniformi, e garantendo la riproducibilità delle condizioni termiche tra differenti prove. Parallelamente a questo lavoro di sviluppo, ci siamo concentrati sullo studio della risposta del materiale agli stress termici, cercando di identificare uno spettro dei possibili danni. Sono state inoltre suggerite linee guida per i parametri di prova, in modo da ottenere la rottura del provino per fatica termica. Infatti è stata notata la tendenza a una forte deformazione plastica oltre i 600°C, che rendeva inutili i test. Su tutti i provini che non hanno manifestato questo problema, è stata effettuata un analisi metallografica, per ottenere un parametro per la quantificazione del danno, che leghi la durata della prova alle dimensioni e al numero delle cricche presenti. Questo indice è chiamato fattore di pirocriccatura, e ha fornito risultati positivi ogni qualvolta è stato possibile applicarlo. Il risultato conclusivo di tutto lo sviluppo è stata la correlazione diretta, trovata diverse volte, tra la durata della prova e la massima temperatura raggiunta.