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Tematiche di ricerca

Sono elencate di seguito le più importanti tematiche di ricerca che attualmente il gruppo di Metallurgia sta seguendo e sviluppando all’interno dei laboratori del Dipartimento di Ingegneria, alcune delle quali anche grazie alla collaborazione con Imprese.

Failure analysis

    Costituisce un processo essenziale per comprendere le cause ultime di anomalie, disservizi e cedimenti a carico dei componenti metallici. Attraverso tecniche di analisi metallografica, con il supporto della microscopia elettronica a scansione, è possibile identificare i fenomeni che sono intervenuti e studiare gli effetti a carico della microstruttura del materiale. Obiettivo è quello di individuare il fenomeno scatenante (root cause) delle anomalie evidenziate, ma anche implementare miglioramenti nei processi di progettazione e produzione. Questo approccio si pone al servizio della qualità e della sicurezza nell'ambito dei componenti e degli impianti, promuovendone ed aumentandone la durata e l'affidabilità.

    In tale contesto, il Laboratorio di Metallurgia dell’Università di Ferrara si occupa di attività di failure analysis comprensive della caratterizzazione metallografica e meccanica dei componenti che hanno subito danneggiamento/cedimento in esercizio. Le attività di ricerca inerenti a questa tematica, attualmente pubblicate su riviste scientifiche di rilevanza internazionale, sono relative a:

    • danneggiamento a carico di componenti automotive in acciaio
    • analisi numerico-sperimentale di componenti di impianto in ghisa ad alto Cr
    • studio delle anomalie di processo per la produzione di acciai sinterizzati

    Tribologia

      La Tribologia rappresenta una disciplina essenziale per comprendere le dinamiche esistenti tra superfici in movimento e le interazioni tra materiali a contatto. Si articola attorno all'analisi dei fenomeni di attrito, usura e lubrificazione, ponendo l'attenzione sulla loro interazione sinergica. Attraverso l’approccio sperimentale, ovvero mediante prove di usura dedicate, è possibile riprodurre e analizzare le dinamiche a cui sono sottoposti i componenti in esercizio identificando aree di miglioramento e ottimizzazione. L’analisi delle superfici permette inoltre di individuare e analizzare i meccanismi di usura intercorsi, promuovendo la conoscenza del fenomeno e delle variabili chiave che lo regolano.

      In tale contesto, il Laboratorio di Metallurgia dell’Università di Ferrara si occupa di analisi sperimentali del comportamento ad usura degli accoppiamenti tra materiali di diversa natura al fine di riprodurre su scala di laboratorio condizioni operative di interesse industriale. Le attività di ricerca inerenti a questa tematica, attualmente pubblicate su riviste scientifiche di rilevanza internazionale, sono relative a:

      • rivestimenti thermal-spray su acciai secondo standard ASTM G99-17;
      • valutazione delle proprietà anti-usura di lubrificanti industriali secondo gli standard ASTM D4172-18;
      • leghe di alluminio trattate secondo processi di ossidazione anodica tradizionale e innovativa, caratterizzate attraverso prove conformi agli standard ASTM G99-17 e ASTM G133-05;
      • acciai da costruzione soggetti a diverse finiture superficiali, rivestimenti e trattamenti meccanici in prove conformi agli standard imposti da normativa ASTMG133-05. 

      Leghe leggere

        Il gruppo di Metallurgia storicamente si occupa della correlazione tra le proprietà meccaniche e microstrutturali di leghe di alluminio da fonderia, in particolare della famiglia AlSi7Mg.

        Le più significative attività di ricerca, pubblicate su riviste di rilevanza sia nazionale sia internazionale, riguardano prevalentemente la correlazione tra i trattamenti della lega liquida e la resistenza ad impatto della lega attraverso l’esecuzione di prove di resilienza con pendolo strumentato di tipo Charpy. In particolare, una delle più importanti attività riguarda la valutazione degli effetti della tipologia e del tenore di agenti affinanti e modificanti in leghe AlSi, ponendo particolare attenzione all’effetto e al controllo della percentuale in peso di certo elementi come Ti, Mg, Mn e Fe.

        Le analisi sono state condotte prevalentemente mediante l’ausilio di microscopia ottica (OM) e microscopia elettronica a scansione (SEM+EDS). Parallelamente, è stato possibile correlare i parametri dell’analisi termica con gli aspetti microstrutturali legati alla dimensione del grano, alla morfologia e dimensione delle particelle di Si, oltre che della composizione chimica che condiziona la presenza anche di fasi secondarie. A complemento di tutte queste analisi, sono state impiegate tecniche di analisi di immagine utili per poter condurre adeguate valutazioni di tipo statistico.

        Queste attività vengono svolte spesso in collaborazione con note e importanti fonderie di alluminio, che producono componenti in lega di alluminio prevalentemente mediante processi di colata in bassa pressione (Low Pressure Die Casting - LPDC) per note e prestigiose case automobilistiche europee.

        Nell’ambito delle attività riguardanti le leghe leggere sono attive anche collaborazioni di ricerca con il Department of Materials and Manufacturing dell’Università di Jonkoping - (Jonkoping, Sweden) con cui è stato inoltre possibile studiare l’effetto dell’aggiunta di Cu, oltre che del trattamento termico, sul comportamento a frattura di leghe AlSiMg a SDAS controllato sottoposte a carichi cicli.

        Nonostante le leghe da fonderia siano oggetto principale di studio ed analisi nell’ambito delle leghe di alluminio, vengono affrontate anche tematiche relative alla saldatura FSW di leghe da deformazione plastica e compositi a matrice metallica.

        Molti dei risultati delle ricerche su queste tematiche sono stati pubblicati su riviste nazionali e internazionali del settore, nonché presentati in occasioni di convegni nazionali ed internazionali. Attualmente, le principali ricerche in corso sono relative a:

        • analisi termica e correlazione con la composizione chimica di leghe di AlSIMg da fonderia;

        • correlazione tra composizione chimica, microstruttura e proprietà meccaniche (durezza, trazione, resilienza, fatica) di leghe secondarie AlSi e confronto con analoghe leghe di origine primaria. 

        Manifattura additiva di leghe ferrose e non ferrose (Additive Metallurgy)

          La manifattura additiva di materiali metallici comprende un insieme di processi che negli ultimi dieci anni ha visto un crescente interesse in ambito sia accademico sia industriale. Rispetto alle strategie più convenzionali di produzione la manifattura additiva consente di ridurre la quantità di sfridi di lavorazione, incrementando al tempo stesso la capacità di fabbricare geometrie complesse e talvolta non realizzabili con altre tecnologie. Ciononostante, aspetti come i parametri di processo e la correlazione con le proprietà microstrutturali e meccaniche, così come i trattamenti termici e superficiali post-fabbricazione sono ad oggi oggetto di studio in quanto la microstruttura e le caratteristiche superficiali di componenti prodotti per manifattura additiva sono completamente diversi rispetto ad analoghi componenti prodotti con tecniche tradizionali di fonderia, di deformazione plastica o di asportazione di truciolo. In tale contesto, il Laboratorio di Metallurgia dell’Università di Ferrara ha attività negli ultimi anni una nuova linea di ricerca riguardante analisi e valutazioni a carico di componenti metallici fabbricati tramite tecnologie di manifattura additiva, sia a letto di polvere (es. Selective Laser Melting - SLM) sia mediante deposizione diretta di polveri (es: Directed Energy Deposition - DED). Le recenti attività di ricerca riguardanti questa tematica, in parte già pubblicate su riviste scientifiche di rilevanza internazionale, sono relative a:

          • analisi di ricoprimenti superficiali del tipo WC-Co depositati mediante tecnologia DED al fine di  incrementare la resistenza ad usura e le prestazioni di acciai per utensili;
          • studio ed ottimizzazione dei parametri di processo di acciai inossidabili austenitici, ferritici e martensitici indurenti per precipitazione, attraverso lo studio della microstruttura e delle conseguenti caratteristiche meccaniche anche per effetto di trattamenti termici post-fabbricazione;
          • analisi del comportamento microstrutturale e meccanico (durezza, resistenza a trazione, resistenza ad impatto, resistenza a fatica) delle lega di alluminio AlSi10Mg, anche sottoposta a trattamenti innovativi di trattamento termico o superficiali di pallinatura controllata.

          Materiali a memoria di forma

            Le leghe a memoria di forma sono una classe di materiali metallici caratterizzata da proprietà uniche, ovvero il comportamento a memoria di forma e il comportamento superelastico. Questi materiali "intelligenti" si deformano in risposta a stimoli termici o meccanici e sono in grado di ritornare automaticamente alla forma originale grazie ad una trasformazione di fase. Ne deriva il loro vasto impiego in settori quali il biomedicale, l’automazione e l’aerospaziale. Le leghe a memoria di forma, ed in particolare le leghe NiTi, sono in grado di offrire un controllo preciso e una risposta rapida alle variazioni di temperatura e/o di carico applicato. La loro flessibilità e affidabilità le rendono fondamentali nella progettazione di materiali avanzati.

            In tale contesto, il Laboratorio di Metallurgia dell’Università di Ferrara si occupa dello studio del comportamento a memoria di forma di leghe NiTi per l’impiego all’interno di strutture attive deformabili. Le attività di ricerca inerenti a questa tematica, attualmente pubblicate su riviste scientifiche di rilevanza internazionale, sono relative a:

            • analisi del comportamento a memoria di forma di lamine in lega NiTi;
            • studio dell’effetto a memoria di forma a due vie mediante attivazione termica;
            • sviluppo di strutture attive deformabili composite (materiale polimerico e lamina NiTi).

            Progetti di ricerca istituzionale 

            I  docenti e ricercatori del  gruppo di Metallurgia hanno partecipato a  progetti di ricerca istituzionale,  e tra più recenti, si evidenziano:

            Progetto RIMMEL “RIvestimenti Multi-funzionali e multi-scala, per componenti Meccanici in acciaio e Leghe di alluminio fabbricati con additive manufacturing” per l’attività di ricerca che compete al Laboratorio accreditato MechLav di Ferrara.

            RIMMEL è stato un Progetto Regionale POR FESR EMILIA ROMAGNA 2014-2020 – Asse 1 – Ricerca e Innovazione – Azione 1.2.2: supporto alla realizzazione di progetti complessi di attività di ricerca e sviluppo su poche aree tematiche di rilievo e all’applicazione di soluzioni tecnologiche funzionali alla realizzazione della strategia S3. Ambito di specializzazione S3: C – Meccatronica e Motoristica.

            Il Progetto RIMMEL è stato approvato dalla Regione Emilia-Romagna con atto dirigenziale n. 4672 del 14 marzo 2019 a rettifica della determinazione n. 4155 del 7 marzo 2019.

            Il Progetto è iniziato ufficialmente il 15 luglio 2019 e ha previsto la partecipazione dei seguenti partner: CNR-Nano (Modena), Istec CNR (Faenza), Laboratorio MechLav (Ferrara), UNIMORE-INTERMECH (Modena), CIRI MAM (Bologna). Il prof. Mattia Merlin è stato responsabile scientifico e tecnico del Progetto RIMMEL per il Laboratorio MechLav.

            Il Progetto ha avuto come obiettivo strategico la progettazione, lo sviluppo e l’ingegnerizzazione di rivestimenti e trattamenti superficiali passivi (protettivi) o attivi (funzionali), con caratteristiche di innovatività, sostenibilità e alte prestazioni.

            L’evento finale del progetto è stato svolto in modalità webinar in data 2 febbraio 2022.

             

            Progetto ALERT “Leghe di ALluminio per componenti soggetti a fatica E fretting: Rivestimenti e Trattamenti superficiali integrati” per l’attività di ricerca che compete al Laboratorio accreditato MechLav di Ferrara. ALERT è un Progetto Regionale POR FESR EMILIA ROMAGNA 2021-2027 – AZIONE 1.1.2 BANDO PER PROGETTI DI RICERCA INDUSTRIALE STRATEGICA RIVOLTI AGLI AMBITI PRIORITARI DELLA STRATEGIA DI SPECIALIZZAZIONE INTELLIGENTE DI CUI ALLA DGR 2097/2022. Ambito di specializzazione S3 Innovazione nei Materiali.

            Il Progetto ALERT è stato approvato dalla Regione Emilia-Romagna con atto dirigenziale determinazione n. 16453 del 27 luglio 2023. Il Progetto prevede la partecipazione dei seguenti partner: DTM srl (Modena), Laboratorio MechLav (Ferrara), UNIMORE-INTERMECH (Modena), CIRI MAM (Bologna), IL SENTIERO INTERNATIONAL CAMPUS Srl (Schio – VI).

            Il prof. Mattia Merlin è responsabile scientifico e tecnico del Progetto ALERT per il Laboratorio MechLav.


            Progetto GIFTED “desiGn of addItive manuFactured niTinol Endovascular Devices” - PRIN (PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE) - Bando 2022. GIFTED è un progetto di 24 mesi che vede coinvolte 4 unità operative (Università di Modena e Reggio Emilia, Università di Pisa, Università di Palermo e Università di Ferrara).

            • Il Principal Investigator è un dell’Ateneo di Modena e Reggio Emilia, l’ing. Annalisa Fortini svolge il ruolo di responsabile di unità locale per l’Ateneo di Ferrara.

            • Il progetto prevede l’utilizzo della tecnologia di additive manufacturing per concepire nuove morfologie di dispositivi endovascolari impiantabili, come stent e flow diverters realizzati in leghe NiTi.