Giovanni Straffelini

Direttore Vicario

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Rappresentante istituzionale: Dipartimento di Ingegneria Industriale
Rappresentante istituzionale: Presidio per la Qualità

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria Industriale


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giovanni.straffelini[at]unitn [dot] it
Formazione
Si è laureato, con il massimo dei voti e la lode, presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Trento (Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali), il 9 febbraio 1989, discutendo una tesi sperimentale intitolata "Analisi del Comportamento Meccanico di Componenti Sinterizzati in Acciaio Inossidabile Austenitico", relatore il Prof. Baldo Tesi e correlatori il Prof. Alberto Molinari e l'ing. Gian Filippo Bocchini.
Carriera accademica ed attività didattica
Nel triennio ottobre 1989-ottobre 1992, ha frequentato il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Metallurgica (V ciclo, sede Università di Padova) svolgendo una attività di ricerca nel settore della metallurgia delle polveri. Il tema principale è stato lo studio dell'influenza della microstruttura sulle proprietà meccaniche di materiali ferrosi sinterizzati. L'attività sperimentale è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell'Università di Trento sotto la direzione del Prof. A. Molinari e, in due periodi successivi, presso il Fraunhofer Institut fuer Betriebsfestigkeit (LBF) di Darmstadt, sotto la direzione del Prof. C.M. Sonsino. Ha conseguito quindi nell'anno 1993 il diploma di Dottore di Ricerca in Ingegneria Metallurgica dopo aver discusso la tesi dal titolo "Microstruttura e Comportamento Meccanico di Leghe Sinterizzate", relatore il prof. A. Molinari.

Nel giugno 1991 è risultato vincitore del concorso per un posto di ricercatore per il ragguppamento I13 - Metallurgia - presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Trento.

Nell'autunno 1994 ha trascorso un ulteriore periodo presso il Fraunhofer Institut fuer Betriebsfestigkeit (LBF) di Darmstadt lavorando con il Prof. C.M. Sonsino nel campo del comportamento a fatica superficiale degli acciai sinterizzati.

Dall’anno accademico 1997-1998 fino all’anno accademico 1999-2000 ha tenuto, per supplenza, il corso di ‘Impianti Metallurgici’ all’interno del corso di laurea in Ingegneria dei Materiali dell’Università di Trento.

Nel dicembre 1999 ha acquisito l’idoneità a professore di II fascia per il settore scientifico disciplinare I13X – Metallurgia presso il Politecnico di Torino. Nell’agosto 2000 è stato nominato professore associato per il settore scientifico disciplinare 113X – Metallurgia presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Trento. Presso questa Facoltà tiene il corso di ‘Impianti Metallurgici’ e 'Tecnologie Metallurgiche'.

E' stato relatore o correlatore di più di 40 tesi di laurea.

Interessi di ricerca

• attrito e usura delle leghe metalliche,

• ingegneria delle superfici (trattamenti antiusura),

. metallurgia meccanica (frattura duttile, transizione duttile-fragile, fatica)

• metallurgia delle polveri;

. metallurgia delle saldature.

Attività di ricerca
La sua attività di ricerca, testimoniata dalle pubblicazioni riportate nell'elenco allegato a questa documentazione, ha interessato principalmente i settori della metallurgia delle polveri, della metallurgia meccanica e del comportamento ad attrito e usura di leghe metalliche anche modificate in sperficie e si è sviluppata nelle seguenti linee principali:
1) Studio della sinterizzazione e dei trattamenti termici di leghe sinterizzate;
2) Studio del comportamento a deformazione e frattura e dell'affidabilità meccanica di leghe sinterizzate;
3) Analisi del comportamento alle sollecitazioni dinamiche (fatica ed impatto) di leghe sinterizzate e di saldature.
4) Attrito ed usura di leghe tal quali o modificate in superficie;
L'attività di ricerca è stata generalmente condotta con l'intento di correlare fra loro le caratteristiche microstrutturali dei materiali e le loro proprietà tecnologiche al fine di giungere all'ottimizzazione dei processi produttivi o dei trattamenti termici e/o superficiali studiati. Questa impostazione ha richiesto, in particolare, l'acquisizione di esperienza con le tecniche di caratterizzazione dei materiali metallici mediante microscopia ottica ed elettronica, analisi automatizzata dell'immagine, diffrattometria a raggi X, microanalisi elettronica, spettroscopia Auger e SIMS e, inoltre, con le metodologie di esecuzione delle prove meccaniche, quali quelle di trazione, fatica assiale, impatto stumentato e usura.
Vengono qui di seguito descritte le tematiche principali dell'attività scientifica svolta. I richiami bibliografici fanno riferimento all'elenco delle pubblicazioni allegato a questa documentazione.

1) Studio della sinterizzazione e dei trattamenti termici di leghe sinterizzate

La sinterizzazione rappresenta il momento centrale nella tecnologia della metallurgia delle polveri. Tra i vari metodi disponibili per attivare la sinterizzazione vi è l'aggiunta di additivi in grado di indurre la formazione di fase liquida alla temperatura di sinterizzazione. In una serie di lavori, è stata studiata la sinterizzazione in fase liquida dell'acciaio inossidabile austenitico mediante l'aggiunta di polveri di rame in tenori compresi tra il 2 e il 9 % in peso [1,2,3] e, più recentemente, mediante l'aggiunta di polveri di boro [36, 52, 61, 67, 73, 77]. Lo studio dei meccanismi di sinterizzazione si è rivelato fondamentale per l'interprezione della microstruttura e quindi delle proprietà tecnologiche dei materiali.
All'interno di un ampio programma di ricerca, è stata studiata anche la sinterizzazione in fase liquida del sistema Fe-C-P [10] che è stato proposto con l'intento di ottenere un nuovo materiale ad elevate proprietà meccaniche e costo inferiore di quello delle polveri prelegate o legate per diffusione. E' stata determinata l'influenza del carbonio e del fosforo sul meccanismo di sinterizzazione (e quindi sulle caratteristiche microstrutturali dei materiali), mettendo in evidenza l'esistenza di due meccanismi competitivi: il primo conduce alla formazione di ferrite ricca in fosforo in seguito all'interazione, alla temperatura di sinterizzazione, tra i fosfuri di ferro e l'austenite a basso tenore di carbonio; il secondo è caratterizzato invece dalla formazione di fase liquida transiente in seguito alla reazione eutettica tra i fosfuri e l'austenite ricca in carbonio. Il secondo meccanismo, che prevale nei materiali più ricchi in carbonio, promuove la formazione di porosità arrotondata con successivi benefici effetti sulle proprietà meccaniche dei materiali. Con l'intento di migliorare ulteriormente le proprietà di queste leghe è stato studiato anche l'effetto sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche di opportuni trattamenti termici e termochimici [6,12,53]. Il trattamento termico di tempra e rinvenimento si è rivelato efficace solo per i materiali con bassi tenori di carbonio. In questi materiali infatti, non si osserva la completa austenitizzazione della microstruttura durante il trattamento termico come dimostrato dalla presenza nella microstruttura finale di aree di ferrite ricca in fosforo. Il fosforo in questi materiali segrega quindi ai bordi dei grani in una quantità insufficiente da promuovere frattura fragile intergranulare alla temperatura ambiente.
Per quanto riguarda i trattamenti superficiali di cementazione e nitrurazione ionica, è stata verificata la difficoltà di evitare fenomeni di infragilimento del materiale dovuti alla presenza del fosforo [25]. Il trattamento di nitrurazione ionica condotto su leghe Fe-Mo-P ha comunque dato luogo ad un notevole indurimento superficiale in quanto il fosforo promuove una fine precipitazione di nitruri di molibdeno [37].
Tra i trattamenti superficiali delle leghe ferrose sinterizzate, oltre alla cementazione e alla nitrurazione ionica è stata studiata anche la ossidazione in vapore [24,73]. E' stato in particolare verificato l'effetto negativo del rame (che è l'elemento in lega più utilizzato nlla metallurgia delle polveri dei materiali ferrosi) sulla crescita dell'ossido sia superficiale che nella porosità interconnessa; come evidenziato più avanti, questo ha conseguenze negative sul comportamento tribologico dei materiali.

2. Studio del comportamento a deformazione e frattura e dell'affidabilità meccanica di leghe sinterizzate

La presenza della porosità residua nelle leghe sinterizzate influenza notevolmente il loro comportamento a deformazione e frattura e quindi le loro proprietà meccaniche.
Un argomento di ricerca è stato quindi lo studio dell'influenza della porosità e della microstruttura sulla resistenza a trazione e flessione e sulla duttilità di varie leghe sinterizzate, tra le quali l'acciaio inossidabile austenitico legato con rame [1,2,3], una serie di leghe Fe-P-C [15,25] e, infine, ferro puro e leghe ad alta resistenza del tipo: Fe-Ni-Cu-Mo-C e Fe-Mo-C [28,40,47,50,60,68,69]. E' stato evidenziato come la presenza di una microstruttura eterogenea, con la coesistenza di fasi duttili in corrispondenza dei pori ed altre più dure e meno deformabili, conduce ad una ottimizzazione delle proprietà di resistenza e duttilità dei materiali sinterizzati. Inoltre è stato studiato lo snervamento localizzato agli apici dei pori mostrando la sua influenza sul comportamento elastico di questi materiali (modulo di Young) ed evidenziando l'influenza della morfologia dei pori e della deformabilità della microstruttura della matrice [78,80].
In generale, la presenza della porosità penalizza in modo particolare la duttilità di questi materiali che appaiono macroscopicamente fragili e per questo sono spesso poco utilizzati per impieghi strutturali. E' stata quindi studiata la possibilità di usare il coefficiente di collaborazione come misura della duttilità di questi materiali anche in confronto con le leghe massive [49]. Più efficace si è rivelata però la valutazione dell'affidabilità meccanica di questi materiali mediante l'approccio statistico di Weibull, che è un metodo obiettivo basato essenzialmente sulla determinazione e interpretazione del modulo di Weibull. I risultati sono stati analizzati in funzione del comportamento a frattura dei materiali e quindi delle loro caratteristiche microstrutturali. Il metodo è stato applicato allo studio di acciai inossidabili [4], leghe Fe-C-P [5,7], leghe ad alta resistenza (Fe-4%Ni-1.5%Cu-0.5%Mo-0.5%C) allo stato sinterizzato e trattato termicamente [9,11] e ferro sinterizzato [20], verificando che le leghe sinterizzate possono avere una affidabilità meccanica analoga agli acciai massivi qualora la loro microstruttura presenti sufficienti requisiti di duttilità. Il metodo è stato applicato anche allo studio dell'effetto sull'affidabilità meccanica della temperatura di rinvenimento [19] e della densità dei materiali [20]. E' stato in particolare osservato che l'aumento della densità può avere un effetto negativo sull'affidabilità dei materiali a microstruttura eterogenea in quanto l'aumento della dimensione dei "necks" aumenta la triassialità locale degli sforzi e può fovorire una frattura fragile per clivaggio. Successivamente tutto il lavoro svolto è stato rivisto in modo organico ed è stata indagata la possibilità di utilizzo del metodo in fase di controllo di qualità di questi materiali [41].

3. Analisi del comportamento alle sollecitazioni dinamiche (fatica ed impatto) di leghe sinterizzate e saldature

Un altro argomento di ricerca è costituito dallo studio del comportamento a fatica di acciai sinterizzati mediante la determinazione e interpretazione delle curve di Whöler. E' stato studiato il comportamento a fatica di leghe Fe-C-P [15] completando in questo modo la loro caratterizzazione meccanica. In particolare è stata evidenziata l'esistenza di una correlazione tra l'affidabilità meccanica dei materiali e la dispersione dei risultati delle prove di fatica.
Nell'ambito della collaborazione con il Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit (LBF) e all'interno dell'attività di Dottorato di Ricerca è stato invece studiato il comportamento a fatica di leghe ad alta resistenza trattate termicamente, con l'obiettivo si determinare la temperatura di rinvenimento ottimale per quanto riguarda la resistenza a fatica e la lavorabilità di questi materiali [13,14,16].
Nonostante la presenza della porosità residua, il comportamento a fatica degli acciai sinterizzati si rivela in molti casi analogo a quello degli acciai massivi, soprattutto in presenza di discontinuità geometriche come gli intagli. La stessa cosa non si può invece dire nel caso della resistenza all'impatto. Utilizzando quindi un pendolo strumentato, che permette di suddividere i singoli contributi alla dissipazione di energia delle fasi di nucleazione e propagazione della cricca e, inoltre, permette di determinare i valori dei carichi dinamici di snervamento e rottura, è stato studiata in dettaglio l'influenza della microstruttura e della porosità sul comportamento ad impatto degli acciai sinterizzati [17,23,26,29,34,45,48,62]. E' stato osservato che la porosità penalizza in modo notevole l'energia di propagazione e che la maggior parte dell'energia assorbita corrisponde quindi all'energia di deformazione plastica prima della nucleazione della frattura. L'eventuale presenza di una matrice poco deformabile (come, ad esempio, dopo un trattamento termico) o la presenza di un intaglio riducono notevolmente l'energia assorbita in quanto inibiscono la fase di deformazione plastica prima della nucleazione della cricca. In particolare se l'intaglio ha un raggio di curvatura inferiore ad un valore critico (dipendente dalla porosità) si comporta come una cricca acuta. Il comportamento a frattura di questi materiali è stato quindi studiato applicando il modello della "zona di processo" [84]. Tra l'altro è stato così spiegato l'anomalo aumento della tenacità a frattura con l'aumentare della resistenza allo snervamento fino a circa 700 MPa.
In recenti progetti di ricerca è stato infine studiato il comportamento ad impatto di acciai inossidabili bifasici e loro saldature. In questo contesto è stato impostato lo studio dell'infragilimento per permanenze a temperature comprese tra 275 e 475°C [39] e a 800°C. E' stato studiato [72], infine, il comportamento a fatica di giunti saldati in lega di alluminio (lega 6063 con saldatura GMAW) soggetti a diversi trattamenti: distensione, pallinatura, solubilizzazione e invecchiamento. E' stata in particolare studiata l'influenza della presenza (o meno) di tensioni residue sul comportamento a fatica (curva di Whoeler) dei giunti; l'indagine è stata completata con una modellazione agli elementi finiti.

4. Comportamento ad attrito ed usura di leghe tal quali o modificate in superficie

In molte applicazioni i materiali sono sottoposti a sollecitazioni tribologiche. La loro durabilità superficiale è quindi usualmente migliorata mediante l'esecuzione di opportuni trattamenti superficiali. In una serie di lavori sperimentali è stato studiato il miglioramento della durabilità superficiale di una serie di leghe sinterizzate, acciai massivi, leghe di titanio, leghe intermetalliche e compositi a matrice metallica. Sono state eseguite prove di usura a secco o lubrificata nelle configurazioni disco contro disco e blocco contro disco. E' stata impiegata una metodologia 'metallurgica' per lo studio dell'usura dei materiali, che ha previsto la caratterizzazione microstrutturale delle zone superficiali del materiale danneggiate dall'azione tribologica e l'analisi dei frammenti e delle tracce di usura. Tutto questo con l'intento di correlare le caratteristiche del sistema tribologico (materiali, sollecitazioni e ambiente) con i meccanismi di usura e acquisire quindi gli strumenti per interpretare, e quindi migliorare, il comportamento tribologico dei materiali.
Per quanto riguarda le leghe sinterizzate, in una serie di prove tribologiche è stato studiato l'effetto della ossidazione in vapore sul comportamento a strisciamento e strisciamento-rotolamento di leghe base ferro [8,30,31,46,63] e ad alta resistenza [21], anche in confronto con il trattamento di cementazione e il trattamento convenzionale di tempra e rinvenimento [18,21,82]. Per quanto riguarda le leghe base ferro, è stato in particolare verificato che le leghe Fe-C ossidate in vapore possiedono la migliore resistenza a questo tipo di sollecitazioni grazie alla presenza di un compatto strato di ossido superficiale e di una matrice sottostante adeguata a sostenerlo, mentre le leghe Fe-Cu mostrano il comportamento peggiore a causa della difettosità dell'ossido prodotto dal trattamento. Relativamente alle leghe ad alta resistenza, è stato invece mostrato che nei casi in cui l'usura è controllata dalla deformazione plastica le leghe a microstruttura omogenea mostrano un comportamento migliore di quelle a microstruttura eterogenea.
E' stato anche studiato l'effetto della nitrurazione ionica sul comportamento ad usura di leghe sinterizzate ottenute impiegando polveri prelegate Fe-1.5% Mo [22,35]. E' stato ottenuto che l'usura si mantiene bassa fintantoché la coltre bianca non viene asportata per usura ossidativa o in seguito all'insorgenza di microfratturazioni; la durabilità della coltre bianca dipende chiaramente dal carico applicato ma anche dall'abilità della matrice a sostenerla.
All'interno di un ampio programma di ricerca in collaborazione con l'Università di Firenze, è stato studiato il comportamento tribologico della lega Ti-6Al-4V allo stato tal quale [56] e dopo nitrurazione ionica [43,44,55]. La lega tal quale presenta una bassa resistenza all'usura per strisciamento a causa della sua ridotta resistenza alla deformazione plastica, ridotta capacità di incrudimento ed all'incapacità dell'ossido superficiale di esercitare un'azione protettiva. Il perseguimento del miglioramento delle sue proprietà superficiali è quindi indispensabile per promuovere l'uso di questo materiale, caratterizzato da altre e notevoli proprietà ingegneristiche, in applicazioni dove si abbiano situazioni di contatto e moto relativo tra i componenti meccanici. La nitrurazione ionica si rivela particolarmente efficace in condizioni di sollecitazione non così gravose da causare la rimozione dello strato superficiale di composizione.
Un altro argomento di notevole valenza tecnologica riguarda lo studio della durabilità dello strato di diffusione e della coltre bianca prodotti su acciai mediante nitrurazione ionica o in gas [33,79]. E' stato osservato come il comportamento ad usura dello strato di diffusione dipenda dalla omogeneità microstrutturale piuttosto che dal profilo di microdurezza; il comportametnto ad usura dello strato di composizione dipende essenzialmente dallo spessore e dalla compattezza dello strato stesso. Questi lavori hanno quindi permesso di tracciare delle linee guida per la corretta 'progettazione' ad usura del trattamento di nitrurazione. Un obiettivo futuro di questo progetto sarà quello di correlare il comportamento tribologico con la tenacità a frattura degli strati superficiali, studiata in un apposito progetto [32].
In un altro progetto sperimentale è stato studiato l'effetto della codeposizione di vari tipi di particelle (SiC, BN, PTFE, MoS2) sul comportamento ad attrito ed usura di ricoprimenti di nichel chimico [27]. Un altro materiale 'composito' studiato dal punto di vista dell'usura per strisciamento a secco è stata la lega di Al 6061 contenente il 20% di particelle di allumina [64,71]. E' stata in particolare investigata l'influenza del trattamento termico, cioè della durezza della matrice, evidenziando come all'aumentare della durezza la resistenza all'usura cali. Questo comportamento, in contrasto con la legge di Archard, è stato interpretato con riferimento al modello di formazione di uno 'strato attivo' superficiale. Aumentando la durezza della matrice diminuisce corrispondentemente la sua duttilità e le condizioni locali per la formazione dello strato attivo sono anticipate.
Un altro studio di base ha interessato l'interpretazione dei meccanismi di usura, e delle relative transizioni con la distanza di strisciamento ed il carico applicato, della lega ordinata IC-50 basata sul sistema Ni3Al [38,66]. All'interno del programma COST 513 è stato studiato anche il comportamento tribologico della lega ordinata TiAl [58,83]. In questo caso è stata investigata l'opportunità di eseguire un trattamento di ossidazione superficiale durante il trattamento termico della lega per stabilizzare una particolare microstruttura. In particolare, il trattamento usato per produrre una microstruttura di tipo duplex o equiassica ha prodotto uno strato superficiale caratterizzato da un'ossido molto duro, compatto e ben sostenuto dalla matrice sottostante. Il comportamento ad usura di questo materiale si è rivelato quindi estrememente interessante.
Notevole interesse applicativo riveste infine anche lo studio del comportamento tribologico di ricoprimenti di carburi ottenuti tramite la tecnica HVOF [51,54,81]; è stata in particolare evidenziata l'influenza sulla resistenza allo strisicamento a secco della fase h nei ricoprimenti WC-10Co-4Cr e dei carburi di cromo nei ricoprimenti: Cr3C2-25NiCr.

5. Nuovi argomenti di ricerca

Recentemente l'attività di ricerca ha interessato anche altri argomenti, grazie soprattutto a nuove collaborazioni instaurate con altre sedi universitarie.
Un importante argomento riguarda lo studio delle relazioni tra microstruttura e comportamento a frattura di vari tipi di acciai (sotto la guida del prof. R. Roberti). In questo ambito si colloca lo studio della tenacità di strati nitrurati [32], della misura della tenacità alla frattura duttile di diversi acciai mediante prove ad impatto strumentate [42] e della resistenza alla fatica termica del'acciaio AISI H11 [57,74,75,76]. In questi ultimi lavori è stata in particolare studiata l'influenza della velocità di raffreddamento dalla temperatura di austenitizzazione, durante il trattamento termico, sulla microstruttura di questo tipo di acciaio e le correlazioni con il comportamento ad impatto e con la resistenza alla fatica termica. In particolare è stato ottenuto che il materiale a microstruttura più fine (minore dimensione dei pacchetti di bainite e martensite, e minore dimensione media dei carburi) mostra una minore velocità di propagazione delle cricche di fatica termica.
Appartenenza a società e comitati scientifici
Comitato scientifico della rivista "POWDER METALLURGY", edita dall'Institute of Materials (UK).
Altre attività
Presidente dal 2002 dell'Associazione Italiana Ingegneri dei MAteriali (ASSIM).