Come la Struttura e la Deformazione dei Laminati Al/Mg-Li Influiscono sulle Loro Proprietà Meccaniche

L'analisi della morfologia di frattura dei laminati Al/Mg-Li, esaminata tramite microscopia elettronica a scansione (SEM), ha rivelato differenze significative tra i laminati trattati con diverse tecniche di deformazione. Nei laminati HR+RTR1, il comportamento di frattura del Mg-Li ha mostrato una tipica frattura fragile, caratterizzata da scissione e quasi-scissione, mentre il livello di frattura dell’alluminio (Al) ha mostrato una frattura duttili con evidenti fossette sulla superficie di rottura. Invece, nei laminati HR+RTR2, il Mg-Li ha mostrato una rottura più decisa e fragile, con la presenza di poche fossette nell’area dell’Al. Contrariamente, nei laminati HR+CR1 e HR+CR2, la frattura è stata per lo più duttile, seppur con differenze evidenti nella dimensione e profondità delle fossette, con HR+CR1 che ha mostrato fossette uniformi nel Mg-Li e fossette più grandi nell’Al.

Nel complesso, la duttilità dei laminati HR+RTR è risultata bassa, mentre quella dei laminati HR+CR è stata significativamente migliorata. Questo miglioramento è stato attribuito alla struttura duale del Mg-Li, che ha mostrato differenze evidenti in funzione della temperatura di lavorazione. I laminati HR+RTR1 e HR+CR1 differivano anche per la morfologia dei grani e la resistenza della texture, con un impatto diretto sulle proprietà meccaniche complessive. Tali risultati suggeriscono che la dualità della fase Mg-Li, insieme alla morfologia dei grani e alla texture dell’Mg-Li, contribuiscono ad aumentare la duttilità del materiale.

Un aspetto fondamentale da comprendere in questa analisi è l'importanza della temperatura di lavorazione nel determinare la microstruttura finale dei laminati. La fase di trasformazione del Mg-Li, in particolare, dipende fortemente dalla temperatura di deformazione. La trasformazione dalla fase β-Li alla fase α-Mg è facilitata a temperature più basse, come mostrato nei laminati trattati a 298 K e 77 K. A temperature più elevate, come nel caso dei laminati HR+HR1, non si è osservata alcuna trasformazione di fase significativa, probabilmente a causa di una maggiore differenza di energia chimica tra le due fasi.

In questo contesto, l’effetto del CR (Cold Rolling) sulla riduzione delle trasformazioni di fase rispetto al RTR è di particolare interesse. Mentre il trattamento a temperatura elevata favorisce la trasformazione della fase β-Li in α-Mg, il CR, che comporta una deformazione a bassa temperatura, riduce notevolmente la quantità di trasformazioni di fase, portando alla formazione di una microstruttura più uniforme e stabile. Le fasi α-Mg risultano distribuite più uniformemente nel matrice β-Li nei laminati trattati con CR, riducendo le disomogeneità che potrebbero compromettere la duttilità e la resistenza.

L’evoluzione della microstruttura durante la deformazione, in particolare la formazione di bande di scorrimento e l’accumulo di dislocazioni, gioca un ruolo cruciale nel determinare la resistenza alla frattura e la duttilità finale dei laminati. Nelle condizioni di bassa temperatura, come quelle ottenute con il CR, l'energia di deformazione è limitata, il che comporta una minore formazione di nuove fasi e un miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei laminati. Queste osservazioni evidenziano come le caratteristiche di fase e la morfologia dei grani influiscano in modo significativo sulle proprietà meccaniche, rendendo essenziale un controllo preciso delle condizioni di lavorazione per ottimizzare le prestazioni del materiale.

Per migliorare ulteriormente la comprensione dei laminati Al/Mg-Li, sarebbe utile approfondire l'effetto di altre variabili di processo, come la velocità di deformazione e l'influenza di altri trattamenti termici o meccanici. In particolare, l'interazione tra le fasi di Mg e Li sotto diverse condizioni di stress potrebbe rivelare ulteriori dettagli sulla resistenza alla frattura e sulla capacità di deformazione del materiale.

Come l'ARD con Cryorolling Migliora le Proprietà Meccaniche degli AMC Al/TiC

Il processo ARB (Accumulative Roll Bonding) combinato con il Cryorolling ha un impatto significativo sulle proprietà meccaniche degli AMC (compositi a matrice metallica) Al/TiC. Quando si applicano questi processi a un materiale come la lega AA1050 rinforzata con particelle di TiC, si ottiene un rafforzamento notevole grazie alla combinazione di affinità tra la matrice di alluminio e le particelle di TiC, che favorisce la dispersione uniforme di queste ultime all'interno del materiale.

Durante le prime fasi del processo ARB, si verificano miglioramenti significativi nelle proprietà meccaniche, soprattutto per quanto riguarda la resistenza alla trazione e la durezza. La deformazione da strain hardening gioca un ruolo fondamentale nel rafforzamento iniziale, mentre l’ulteriore aumento del numero di cicli di ARB porta a un affinamento della grana. Questo affinamento delle particelle di TiC e la loro distribuzione più uniforme nella matrice di Al sono responsabili del miglioramento continuo delle proprietà meccaniche, come la resistenza a trazione, la durezza e la deformazione.

Le curve di stress-strain mostrano che la resistenza a trazione aumenta in modo significativo con l'incremento dei cicli di ARB, arrivando a un valore massimo di 308 MPa dopo il processo di Cryorolling-3, che è circa 2,5 volte superiore alla resistenza del materiale di partenza. Inoltre, l'elongazione diminuisce inizialmente con i cicli ARB, ma l'applicazione dei cicli di Cryorolling successivi aumenta sia la resistenza a trazione che l'elongazione, portando a un miglioramento complessivo delle proprietà del materiale.

Questo fenomeno è dovuto a due meccanismi di rafforzamento principali: l'affinamento della grana e la presenza delle particelle di TiC. Inizialmente, l'irrigidimento da deformazione (strain hardening) è il fattore dominante nel miglioramento della resistenza, ma con l'aumento dei cicli di rolling, l'affinamento della grana diventa sempre più efficace. L'aumento della densità di confini di grano ad angolo elevato, insieme alla finezza della grana, contribuisce ulteriormente a migliorare le proprietà meccaniche del composito.

Un altro effetto significativo riguarda la durezza microstrutturale. Dopo il ciclo ARB-5, la durezza micrografica aumenta da 41 HV a 88 HV dopo il Cryorolling, grazie all'interazione tra le particelle di TiC e la densità di dislocazioni all'interno della matrice di Al. Questi miglioramenti si verificano soprattutto dopo i primi due cicli di Cryorolling, quando il processo di affinamento della grana è più intenso e la matrice di Al si rinforza ulteriormente.

Le proprietà elastiche del materiale sono anche migliorate grazie all'aumento del numero di cicli. L'elasticità del composito Al/TiC aumenta dal valore iniziale di 68 GPa a circa 84 GPa dopo il Cryorolling-3, con un miglioramento del 20% rispetto al materiale di base. Questo incremento è legato al rafforzamento della matrice di Al attraverso la distribuzione più omogenea delle particelle di TiC e la creazione di sub-grani ad angolo basso, che riducono la deformabilità della matrice di Al.

In termini di allungamento, la presenza delle particelle di TiC sulla frontiera dei grani riduce la capacità dei grani di scivolare tra di loro, portando a un minor allungamento rispetto al materiale di partenza. Tuttavia, durante il processo di ARB e Cryorolling, la deformazione plastica e l’affinamento della grana favoriscono l’aumento dell’allungamento, soprattutto durante i cicli di Cryorolling, in cui la formazione di sub-grani consente una maggiore mobilità del materiale tra i sub-grani stessi, migliorando così la duttilità.