L'analisi morfologica della superficie di sgretolamento nei campioni di laminati Cu/Al con interstrato SUS304 evidenzia significative differenze a seconda delle temperature di ricottura. In particolare, il comportamento dell'interfaccia Cu/Al e Cu/SUS304 durante il processo di sgretolamento risulta altamente influenzato dalla formazione di fasi intermetalliche (IMC), che modificano le caratteristiche di morfologia superficiale e la resistenza del legame.

Nel caso di campioni sottoposti a ricottura a 200 °C, la forza di legame tra Cu e Al risulta alta, grazie al recupero parziale della plasticità delle matrici di rame e alluminio. Le morfologie di sgretolamento osservate sono caratterizzate principalmente da una superficie levigata, con alcune caratteristiche di piccole depressioni e morfologie simili a creste. In queste aree, il passaggio del danneggiamento avviene principalmente lungo le interfacce Cu/Al e Cu/SUS304, ma senza una formazione significativa di fasi intermetalliche complesse.

L'analisi della superficie di sgretolamento dei campioni trattati a 300 °C (figura 2.42) rivela cambiamenti notevoli, con la formazione di IMC e la comparsa di morfologie a cresta parallela e superfici di sgretolamento lisce. Le immagini ingrandite mostrano che nella regione in contatto con l'interstrato SUS304 la superficie si presenta priva di depressioni o creste, mentre nelle aree periferiche si sviluppano morfologie a cresta, con alcune superfici di sgretolamento visibili tra le creste stesse. Sulle superfici di sgretolamento lisce sono state osservate fasi IMC, principalmente Al2Cu e AlCu, mentre in alcune zone appare anche la fase Al4Cu9. Queste fasi intermetalliche, distribuite lungo l'interfaccia, suggeriscono che la transizione tra le zone di sgretolamento e le aree di interfaccia rigida sia determinata dalla formazione di questi composti.

Il trattamento termico a 300 °C, pur aumentando la resistenza del legame, porta anche alla comparsa di microfessure nelle IMC, che indeboliscono ulteriormente la resistenza del legame. Tali fessure si orientano principalmente perpendicolari alla direzione di laminazione e sono concentrate all'interno delle IMC stesse, indicando una frattura fragile a livello interfaciale. Questi difetti sono di particolare rilevanza, poiché riducono in modo significativo l'efficacia del legame tra Cu e Al, che è già compromessa dalla presenza di fasi intermetalliche.

Con l'aumento della temperatura di ricottura a 400 °C, le caratteristiche della superficie di sgretolamento subiscono ulteriori modifiche. L'interfaccia Cu/Al diventa sempre più uniforme, con l'IMC che si espande, creando una superficie di sgretolamento meno strutturata. La formazione di IMC a 400 °C provoca un ulteriore appiattimento della superficie, e le creste che caratterizzavano precedentemente le superfici di sgretolamento scompaiono quasi del tutto. L'effetto più evidente è la presenza di fratture fragili nelle IMC, che coprono interamente l'interfaccia Cu/Al, impedendo il contatto diretto tra le due matrici. Queste fessure, ancora una volta perpendicolari alla direzione di laminazione, risultano essenziali per comprendere la perdita di forza del legame all'aumentare della temperatura di ricottura.

Un'analisi SEM e EDS dei campioni trattati a 400 °C conferma che le fasi IMC responsabili delle fratture fragili sono principalmente Al2Cu e AlCu, e che le fratture avvengono all'interno di queste fasi. La presenza di queste fratture rende difficile il mantenimento dell'integrità del legame, diminuendo drasticamente la resistenza dell'interfaccia Cu/Al.

Oltre a queste osservazioni, è importante considerare anche i fenomeni di ricristallizzazione che avvengono durante il trattamento termico. Nella matrice di rame, la presenza dell'interstrato SUS304 promuove una concentrazione della deformazione plastica all'interfaccia, con conseguente formazione di una sottile zona di grani ricristallizzati. Questi fenomeni di ricristallizzazione dinamica sono osservati anche nella matrice di alluminio, dove la distribuzione dei grani ricristallizzati è più uniforme. Il rafforzamento di queste zone di ricristallizzazione può contribuire a una maggiore stabilità della struttura del materiale, ma non è sufficiente a contrastare gli effetti negativi della formazione delle IMC.

La comprensione di questi processi è cruciale per migliorare la progettazione dei materiali compositi e la loro resistenza in applicazioni industriali. La gestione della formazione delle IMC, insieme alla promozione della ricristallizzazione nelle matrici di Cu e Al, rappresenta una via importante per ottimizzare la resistenza e la durata dei laminati Cu/Al/SUS304 in ambienti ad alte temperature. La capacità di controllare la microstruttura e la composizione delle IMC è determinante per la performance del materiale e per la sua applicabilità in vari settori, come l'elettronica e la progettazione di componenti ad alta resistenza termica.

Quali sono gli effetti del trattamento ARB e cryorolling sulla microstruttura e le proprietà meccaniche dei compositi Al/TiC?

Il processo di ricristallizzazione, che si verifica durante il trattamento di deformazione plastica severa (SPD) in tutti gli altri processi SPD, porta alla formazione di una microstruttura fine o ultra-fine. In questo modo, tutti i materiali trattati vengono rafforzati grazie all’irrigidimento per i confini di grano. Questo fenomeno è particolarmente evidente durante il trattamento ARB (Accumulative Roll Bonding) e il cryorolling, dove la deformazione non uniforme causa distorsioni nelle cavità sferiche e coassiali, che si orientano in direzioni differenti. La separazione dei fogli durante il processo ARB mostra un’interfaccia netta, indicando una bassa forza di legame. Tuttavia, l’introduzione del cryorolling aumenta significativamente la resistenza al legame tra gli strati laminati, eliminando gli spazi vuoti. Questo suggerisce che l’avanzato trattamento ARB con cryorolling migliori la duttilità del materiale e quindi la sua processabilità.

Nell’ottimizzazione della duttilità del materiale, è importante che si approfondiscano ulteriormente le tecniche di deformazione criogenica, confrontandole con altri trattamenti. La meccanica di frattura dei compositi risulta essere influenzata anche dalle particelle rinforzanti di TiC. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) rivelano la presenza di queste particelle rinforzanti nella zona centrale delle cavità, favorendo la propagazione della frattura. La frattura si presenta in forma duttili, con fori profondi sulla superficie, mentre la matrice mostra una superficie grigia con fori quasi sferici. Il processo di frattura si sviluppa inizialmente dalla formazione di micro vuoti, che, unendosi, provocano la rottura a angoli di tensione. Dopo otto cicli di trattamento, le zone senza particelle e quelle con TiC aggregati sono significativamente diminuite, confermando l’efficacia dell’AR con cryorolling nel miglioramento della dispersione delle particelle nel materiale.

Il trattamento ARB con cryorolling ha un vantaggio rispetto ad altri metodi, in quanto produce un rinforzo iniziale a livello nanoscala, con le particelle di TiC che diventano nanometriche. Durante il processo, è difficile eliminare l’accumulo delle particelle rinforzanti, specialmente quando la frazione volumetrica del rinforzo è elevata. Tuttavia, al termine dell'ultimo ciclo, il composito risulta caricato uniformemente con piccole particelle rinforzanti. La mancanza di vuoti o porosità nel campione suggerisce un’ottima adesione tra le particelle di TiC e la matrice di Al 1050. La densità del composito aumenta con il numero di cicli, poiché la porosità diminuisce, un risultato che è stato confermato dalla letteratura. Il trattamento ARB combinato con cryorolling ha migliorato la uniformità della dispersione delle particelle, incrementando le proprietà del materiale composito.

Le immagini SEM delle superfici di frattura mostrano che le micro-pores e le cavità sono evidenti in tutti i campioni, indicando che la frattura duttile predomina. La resistenza delle lastre di Al trattate con questo metodo è quasi equivalente a quella prevista dalla relazione di Hall-Petch, anche per una struttura con grano submicronico. Riducendo la dimensione dei grani, si possono ottenere materiali con resistenza superiore al limite teorico. Tuttavia, dopo il cedimento, la quantità di lavoro di indurimento è relativamente ridotta e la lacerazione avviene bruscamente, portando a un allungamento uniforme limitato. La ricerca futura dovrebbe approfondire ulteriormente la formazione dei materiali attraverso la metodologia avanzata di ARB con cryorolling e i relativi meccanismi di rinforzo.

Per quanto riguarda i compositi rinforzati con particelle ceramiche nanometriche, l’utilizzo di fogli di Alluminio commerciale puro AA1050 di spessore 0.80 mm, insieme a particelle SiCp e TiCp, è stato studiato per preparare compositi AMCs di alta resistenza. Le immagini SEM delle particelle di TiCp e SiCp mostrano una dispersione omogenea nel materiale. Nei primi cicli del trattamento ARB, si osserva un’aggregazione delle particelle nano-dimensionate, che porta alla formazione di zone prive di particelle. Con l'aumento del numero di cicli, questa aggregazione diminuisce, e la distribuzione delle particelle diventa più uniforme, come visibile nelle immagini SEM successive. Gli studi suggeriscono che l’introduzione di particelle rinforzanti di dimensioni nanometriche nelle matrici metalliche possa migliorare notevolmente le proprietà meccaniche e fisiche dei compositi risultanti, come la rigidità e la resistenza.

L’analisi della distribuzione delle particelle nei compositi è stata estensivamente indagata attraverso tecniche analitiche come SEM e EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). Le immagini EDS e le mappature elementari hanno mostrato una distribuzione omogenea degli elementi nel composito. Questo è stato confermato dall'analisi delle microstrutture di Al/SiCp, Al/TiCp e Al/SiCp-TiCp, con una distribuzione uniforme di Ti, Si, C e Al. Queste tecniche di analisi approfondiscono la comprensione della dispersione delle particelle e sono essenziali per valutare l’efficacia dei trattamenti nel miglioramento delle proprietà meccaniche dei compositi.

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