La crescita dei grani ultrafini o nano-grani durante la deformazione a temperatura ambiente è un fenomeno ben noto nella metallurgia, in particolare nei materiali trattati mediante processi di deformazione plastica come il rolling. Per i laminati di Al/Ti/Al, il trattamento tramite rolling asimmetrico può portare a una crescita anomala dei grani, che può comportare la scomparsa dell'interfaccia tra le diverse strati. In condizioni di alta sollecitazione da taglio, sia a temperatura ambiente che criogenica, i grani tendono a crescere nel strato più morbido, favorendo anche il miglioramento del legame interfaciale. La crescita dei grani, infatti, gioca un ruolo fondamentale nel rafforzamento del legame tra i diversi materiali compositi.

Nei laminati Al/Ti/Al, processati tramite hot roll bonding combinato con cryorolling, è stato osservato che la temperatura di rolling ha un impatto significativo sia sulla morfologia dell'interfaccia tra i materiali sia sulle proprietà meccaniche complessive del laminato. In particolare, il cryorolling a −100°C porta a una forza di legame eccezionale, risultando in laminati che possiedono sia una resistenza meccanica migliorata che una forza di adesione più alta. L'analisi delle superfici interfaciali dopo il trattamento ha rivelato un'interfaccia dentellata, segno del fatto che l'Al si è "schiacciato" nel strato di Ti, un fenomeno che migliora ulteriormente il legame tra i due metalli.

Un'ulteriore osservazione interessante riguarda la diffusione degli elementi tra i vari strati del laminato. Durante il processo di rolling, gli atomi di Al e Ti si diffondono nell'interfaccia, formando uno strato intermetallico che contribuisce alla resistenza meccanica del composito. La larghezza di questo strato intermetallico aumenta con l'incremento della temperatura di rolling, raggiungendo il suo massimo nei laminati trattati con hot rolling. Per i laminati trattati con cryorolling, la larghezza di questo strato varia tra i 2.2 e i 2.4 μm a −190°C e −100°C, mentre con hot rolling può arrivare fino a 2.7 μm. Tale fenomeno di interdiffusione è cruciale per ottenere una forte adesione tra i materiali dissimili, come l'Al e il Ti.

I risultati relativi alla forza di distacco (peeling strength) dei laminati Al/Ti/Al mostrano una tendenza chiara: l'aumento della riduzione durante il rolling migliora la forza di legame, indipendentemente dalla temperatura del trattamento. In particolare, i campioni trattati a −100°C durante il cryorolling presentano la migliore forza di legame, con un incremento del 12.5% rispetto ai campioni sottoposti a cold rolling. Questo miglioramento è attribuibile alla qualità superiore dell'interfaccia e alla maggiore resistenza alla separazione tra i due materiali.

Le caratteristiche meccaniche del laminato, come la resistenza a trazione e la duttilità, sono altrettanto influenzate dalla temperatura di rolling. I laminati trattati con cryorolling a −100°C mostrano le migliori proprietà, con una resistenza a trazione di 260 MPa e una deformazione di rottura del 12.4%. Questi valori sono superiori rispetto ai campioni trattati a temperatura ambiente o con hot rolling, il che evidenzia l'efficacia del cryorolling a basse temperature nel migliorare le proprietà globali dei laminati.

Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle superfici di frattura mostrano chiaramente la differenza tra i vari trattamenti. I laminati trattati con cryorolling a −100°C presentano una frattura plastica con buone caratteristiche di duttilità, caratterizzate da dimples ben definiti sia nel lato di Al che di Ti. Al contrario, i campioni trattati a −190°C o con cold rolling presentano fratture più fragili, con una ridotta presenza di dimples e una minore capacità di deformarsi plasticamente.

Oltre a questi effetti principali, è fondamentale comprendere che la temperatura di rolling non solo influenza la qualità dell'interfaccia e le proprietà meccaniche, ma determina anche il comportamento di altre proprietà fisiche come la durezza. I laminati trattati a −100°C hanno i valori più alti di durezza, sia nel strato di Ti che in quello di Al, rispetto ai campioni trattati con altre tecniche.

Come i Compositi Al/HEAp Si Comportano a Basse Temperature: Un'Analisi della Deformazione Plastica e della Microstruttura

Il comportamento meccanico dei compositi di alluminio rinforzati con particelle di HEAp (idrossiapatite) in ambienti criogenici ha attirato crescente interesse. A basse temperature, la deformazione plastica e la crescita delle fessure nei compositi Al/HEAp sono significativamente influenzate dalla microstruttura e dalla densità di dislocazioni. In particolare, le proprietà di allungamento dei compositi Al/HEAp sono state osservate essere superiori a quelle a temperatura ambiente, un aspetto che emerge chiaramente nei test di trazione condotti a temperature criogeniche.

L'analisi della morfologia della frattura in condizioni criogeniche ha rivelato che i campioni sottoposti a trazione a -173°C (Tensile-173) presentano una distribuzione uniforme di dimples, che sono caratteristici di una maggiore deformazione plastica prima della frattura. Questo fenomeno si traduce in un allungamento più elevato rispetto ai campioni sottoposti a trazione a temperatura ambiente, dove la distribuzione dei dimples è meno uniforme. La presenza di grandi dimples è correlata a una maggiore deformazione plastica e a un allungamento maggiore prima della frattura. In contrasto, la morfologia di frattura con piccoli dimples evidenzia una resistenza inferiore alla deformazione plastica.

Un altro aspetto cruciale riguarda la densità di dislocazioni. Nei compositi Al/HEAp, la densità di dislocazioni aumenta in ambienti criogenici, con la formazione di un numero maggiore di bordi di grano a basso angolo (LAGB), che facilitano il movimento delle dislocazioni. Il fattore di Schmid, che determina la probabilità di scivolamento delle dislocazioni a seconda dell'orientamento del grano, gioca un ruolo significativo in questo contesto. Nei compositi Al/HEAp a -173°C, il fattore di Schmid è più alto, favorendo una maggiore deformazione plastica.

La morfologia delle particelle di HEAp all'interno della matrice di alluminio è un altro parametro importante che influenza la deformazione plastica. Durante il processo di trazione, la matrice di alluminio, più morbida, si deforma prima rispetto alle particelle di HEAp, creando una concentrazione di dislocazioni nell'interfaccia tra le particelle e la matrice. In ambienti criogenici, il fenomeno di contrazione volumetrica dell'alluminio è accentuato, permettendo una più stretta adesione tra la matrice e le particelle di HEAp. Questo miglioramento nell'adesione interfaccia è cruciale per la resistenza alla crescita delle fessure.

Un'altra osservazione interessante è che, a basse temperature, il composito Al/HEAp non solo presenta una maggiore resistenza alla frattura, ma anche una capacità di deformarsi plasticamente in modo più uniforme. Il miglioramento delle proprietà meccaniche a basse temperature è dovuto anche alla combinazione di fattori, tra cui la maggiore densità di dislocazioni e la distribuzione più uniforme delle particelle di HEAp all'interno della matrice.

Il comportamento dei compositi Al/HEAp a temperature criogeniche mostra anche vantaggi rispetto ad altri compositi, come quelli rinforzati con particelle di SiC e Al2O3, che pur essendo resistenti, non raggiungono gli stessi livelli di allungamento e deformazione plastica. Questo dimostra che Al/HEAp è una scelta promettente per applicazioni che richiedono resistenza meccanica a basse temperature, come nelle industrie aerospaziale e automobilistica.

Oltre ai fenomeni osservati, è fondamentale che i lettori comprendano come l'interazione tra matrice e particelle di rinforzo influisca sulle proprietà meccaniche complessive dei compositi. Le proprietà come l'allungamento, la resistenza alla frattura e la distribuzione delle dislocazioni sono tutte influenzate dall'ambiente in cui i materiali vengono utilizzati. In particolare, a temperature criogeniche, la matrice di alluminio diventa meno suscettibile alla frattura rapida, mentre le particelle di HEAp, pur essendo più rigide, contribuiscono a una maggiore uniformità della deformazione. Questo è un aspetto fondamentale che guida la progettazione di nuovi materiali compositi per applicazioni specifiche.

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