Qual è l'effetto della temperatura di laminazione sulle proprietà meccaniche dei laminati Cu/Al?

Le proprietà meccaniche dei laminati Cu/Al sono fortemente influenzate dalla temperatura di laminazione. Quando la temperatura di laminazione aumenta, aumenta anche il volume della zona di diffusione tra i due materiali, il che contribuisce a modificare le caratteristiche di resistenza e duttilità del laminato. In particolare, quando la temperatura di laminazione supera i 450 °C, l'effetto della zona di diffusione diventa significativo, influenzando in modo determinante la resistenza meccanica del laminato, nonostante la possibile riduzione della resistenza alla rottura dovuta alla crescita dei grani nei materiali.

A temperature più basse, come i 350 °C, la forza di legame tra i strati di Cu e Al è relativamente debole. Tuttavia, quando la temperatura raggiunge i 500 °C, la qualità del legame migliora notevolmente, mostrando una riduzione della debonding tra gli strati. I risultati ottenuti dalle immagini SEM della superficie di frattura mostrano chiaramente che la resistenza alla rottura aumenta con l'aumento della temperatura di laminazione, anche se le immagini evidenziano una minore quantità di danno a 500 °C rispetto a 350 °C, dove il distacco tra i vari strati è visibile in modo più evidente.

Per i laminati Cu/Al processati mediante ARB, i risultati indicano che la resistenza alla trazione più alta si ottiene quando la temperatura di laminazione è pari a 500 °C, nonostante la crescita dei grani all'interno dei singoli strati di Cu e Al. Questo suggerisce che la temperatura di laminazione gioca un ruolo fondamentale nell'ottimizzazione delle proprietà meccaniche dei laminati, agendo in modo sinergico sulla diffusione tra i materiali e sulla microstruttura interna.

L'importanza della diffusione tra i materiali durante il processo di laminazione è evidente dai dati ottenuti, dove il volume della zona di diffusione aumenta con l'aumento della temperatura di laminazione. A temperature superiori a 400 °C, la frazione di volume della zona di diffusione aumenta notevolmente, contribuendo significativamente alla resistenza meccanica del laminato. Questo comporta una riduzione della distorsione dovuta alla coarsificazione dei grani, compensata dall'effetto rinforzante della zona di diffusione, che rafforza la resistenza alla trazione del laminato.

In sintesi, sebbene il rafforzamento dovuto alla diffusione intermetallica sia maggiore a temperature superiori ai 450 °C, è importante sottolineare che il comportamento meccanico dei laminati Cu/Al dipende fortemente dall'interazione tra la microstruttura, la temperatura di laminazione e la formazione della zona di diffusione. La comprensione di questi effetti consente di progettare laminati con proprietà ottimizzate per applicazioni in cui la resistenza meccanica e la durabilità sono cruciali, come nelle applicazioni aerospaziali e automobilistiche.

Come l'interfaccia di legame tra Cu/Al e l'interlayer SUS304 influenza la microstruttura dei laminati

Le immagini magnificate delle zone rosse (g) e blu (h) nell'immagine (f) evidenziano l'influenza della lamina di SUS304 sull'interfaccia di legame. Le immagini SEM della microstruttura dell'interfaccia e la mappatura EDS per i campioni SR-0 e SR-30 sono riportate nella Fig. 3.42. Nel campione SR-0, gli IMC Cu-Al seghettati (cerchi nella Fig. 3.42a) mostrano una distribuzione discontinua nell'interfaccia di legame. Al contrario, nel campione SR-30 si osservano due morfologie interfaciali differenti: una simile a quella mostrata nella Fig. 3.42a e l'altra visibile nella Fig. 3.42b. Nei punti in cui sono presenti frammenti di SUS304, si forma un'interfaccia di legame quasi lineare, senza IMC evidenti. Il processo di formazione dell'interfaccia di legame nei laminati Cu/Al con un interstrato SUS304 è ulteriormente illustrato nella Fig. 3.43. Durante la fase iniziale di laminazione, si sviluppano crepe intermittenti nella lamina di SUS304, a causa della sua limitata capacità di deformazione plastica. Nel frattempo, gli atomi di Cu e Al vengono compressi nelle fessure risultanti, formando successivamente gli IMC Cu-Al durante il successivo trattamento termico di annealing. Rispetto alle matrici di Cu e Al, la lamina SUS304 e gli IMC Cu-Al presentano minori capacità di deformazione plastica, per cui si rompono in pezzi che vengono successivamente inglobati nelle matrici di Cu e Al dal secondo processo di laminazione.

La differenza nella diffusione degli elementi lungo l'interfaccia Al/SUS304/Cu è strettamente correlata alla variazione dello spessore dell'interstrato di SUS304 durante il processo di laminazione a rulli, come mostrato nella Fig. 3.45a. Il processo di laminazione a rulli ha comportato una riduzione dello spessore dell'interstrato SUS304 pari a 5,25 μm, 6,33 μm e 11,65 μm per i campioni SR-10, SR-20 e SR-30, rispettivamente. In generale, una maggiore riduzione dello spessore dell'interstrato induce un maggiore grado di deformazione da taglio, che può promuovere la diffusione degli elementi lungo l'interfaccia di legame. Questo effetto viene verificato mediante l'esame della superficie di sgretolamento dei laminati.

Le ricerche precedenti hanno indicato che un'interfaccia di legame forte per un foglio bimetallico può essere ottenuta mediante sola laminazione a freddo, senza l'inserimento di calore. Questo perché la barriera energetica per la diffusione può essere significativamente ridotta dall'energia di deformazione da taglio. Considerando l'effetto dell'energia di deformazione da taglio sul processo di diffusione, la formula originale per il coefficiente di diffusione può essere modificata come segue:
$D = D_0 e^{ -\frac{Q}{RT}}$

Le morfologie delle superfici dei fogli e dei composti dell'interfaccia del campione SR-10 dopo il peeling sono mostrate nella Fig. 3.46. Le immagini SEM mostrano tre morfologie differenti di peeling sulla superficie del Cu, comprendenti una matrice Cu liscia, una matrice Al reticolata e blocchi di IMC. Questa distribuzione sfalsata delle tre morfologie di peeling si è formata a causa della frattura dell'interstrato SUS304 e dell'interstrato IMC durante il processo di laminazione a rulli, che è coerente con i risultati mostrati nella Fig. 3.43.

Le morfologie delle superfici dei fogli nei campioni SR-20 dopo il peeling sono mostrate nella Fig. 3.47. Con l'aumento dello spessore dell'interstrato SUS304, la proporzione della matrice Al reticolata e degli IMC in blocchi osservati sulla superficie del Cu è diminuita notevolmente. Curiosamente, sono stati osservati un gran numero di piccole pieghe chiaramente visibili nella matrice Cu, indotte dalla deformazione da taglio dell'interstrato SUS304 a contatto con la superficie del Cu. Rispetto a SR-10, una maggiore quantità di frammenti di SUS304 è rimasta incorporata nella superficie di Al, e i bordi di questi frammenti sono apparsi assottigliati. Questi due fenomeni indicano che l'allungamento alla frattura dell'interstrato SUS304 è stato maggiore in SR-20 rispetto a SR-10, il che è coerente con i risultati mostrati nella Fig. 3.45.

Come la tecnologia di deformazione a bassa temperatura migliora le proprietà dei laminati di rame e ottone

La produzione di laminati metallici ad alte prestazioni mediante tecniche avanzate di deformazione plastica, come la laminazione a caldo e a bassa temperatura, è una delle chiavi per ottenere materiali con caratteristiche superiori rispetto ai metalli convenzionali. Un esempio significativo è rappresentato dai laminati di rame e ottone, i cui comportamenti meccanici possono essere significativamente migliorati grazie all'introduzione di processi come il Cryorolling, una tecnica di laminazione a bassa temperatura. I risultati di queste tecniche sono osservabili nelle differenze di resistenza e duttilità dei vari campioni di metallo, tra cui quelli ottenuti mediante Accumulative Roll Bonding (ARB) e successivo trattamento criogenico.

Il miglioramento delle proprietà meccaniche nei laminati di rame/ottone ottenuti con Cryorolling può essere attribuito a due principali meccanismi. In primo luogo, la struttura multistadio eterogenea presente nel campione A-CR e la presenza di un'area di transizione più ampia (IAZ) intorno all'interfaccia di giunzione tra i vari strati generano un ulteriore rinforzo HDI, che porta a un aumento significativo della resistenza. In secondo luogo, la maggiore tensione HDI del campione A-CR migliora la capacità di inasprimento da deformazione dei laminati di rame/ottone, riducendo la probabilità di formazione di collo. Questo fenomeno è particolarmente importante poiché impedisce il collasso plastico locale durante la deformazione, contribuendo così a un comportamento meccanico più uniforme e più resistente.

Un altro aspetto rilevante del campione A-CR è la maggiore densità di nano-twin, che favorisce l'effetto di plasticità indotta da geminazione. Questi geminati, che si formano durante la deformazione, svolgono un ruolo cruciale nel mantenimento della duttilità del materiale, che altrimenti verrebbe compromessa dalla durezza derivante dall’indurimento dei confini di grano. Inoltre, la presenza di grani recristallizzati più privi di difetti nel campione A-CR contribuisce a preservare la capacità di deformazione plastica del materiale, fondamentale per applicazioni che richiedono sia alta resistenza che buona formabilità.

Il processo di Cryorolling, che consiste nell’applicare la laminazione a temperature molto basse, mostra un effetto decisivo sul miglioramento delle prestazioni meccaniche, poiché favorisce la formazione di una microstruttura fine e ben definita che contribuisce a un migliore comportamento sotto carico, aumentando la resistenza senza compromettere eccessivamente la duttilità. Questa tecnica è quindi particolarmente vantaggiosa quando si desidera un materiale con un’ottima combinazione di forza e resistenza alla deformazione.

Nei test comparativi tra i campioni di laminato A-RTR e A-CR, la superiorità del campione trattato con Cryorolling è evidente non solo in termini di resistenza ma anche di resistenza all'invecchiamento termico e stabilità a lungo termine. Questi miglioramenti sono particolarmente utili in applicazioni industriali che richiedono materiali metallici in grado di mantenere prestazioni elevate anche in condizioni di sollecitazione meccanica continua e varia.