Il processo di laminazione a freddo di materiali compositi, come i laminati Cu/Ti e Cu/Al, offre opportunità uniche per migliorare le proprietà meccaniche e la microstruttura dei materiali. In particolare, la deformazione plastica, la formazione di porosità e il raffinamento dei grani sono fenomeni cruciali che influenzano la qualità finale dei laminati. Questi cambiamenti sono determinati dalla combinazione di forze di compressione e trazione, che agiscono sui vari strati dei laminati durante il processo di roll bonding.

Nel caso del laminato Cu/Ti, la deformazione subita dal foglio di titanio (Ti) è particolarmente interessante. Durante il processo di laminazione, il foglio di Ti si allunga maggiormente lungo la direzione di laminazione rispetto ai fogli di Cu, sviluppando una forza di attrito a taglio. Questa forza genera uno stress di taglio sulle superfici del foglio di Ti, che si comporta come un campione di prova a trazione. Quando lo stress di taglio supera un certo valore, il foglio di Ti inizia a subire un fenomeno di necking, ovvero un restringimento che, se prolungato, può portare alla frattura e alla discontinuità del foglio stesso. Con l'aumento del numero di passaggi di laminazione, la rottura del foglio di Ti diventa più probabile. Inoltre, questa deformazione genera uno stress di taglio significativo all'interfaccia tra i fogli di Ti e Cu, favorendo il raffinamento dei grani nel rame. Il rame mostra un gradiente di dimensione dei grani, con un raffinamento massimo vicino all'interfaccia Ti/Cu. Con il proseguimento della deformazione, la zona con grani ultrafini si espande gradualmente.

Un altro aspetto importante riguarda la plasticità del foglio di Ti, che aumenta significativamente durante il processo di laminazione. In condizioni di laminazione, il foglio di Ti è sottoposto a due stress di compressione e uno di trazione, riducendo lo spessore del foglio da 25 μm a circa 200 nm. Questo suggerisce un miglioramento della plasticità, che aumenta di 125 volte rispetto all'allungamento normale in condizioni di laminazione simili.

Nel caso del laminato Cu/Al, un fenomeno interessante è la formazione di porosità nel foglio di alluminio (Al) durante la laminazione. A seconda dello spessore del foglio di Al, si osserva la comparsa di pori, particolarmente nelle regioni dei confini di grano e all'interno dei grani stessi. Il numero di pori aumenta con la riduzione dello spessore del foglio di Al. Quando lo spessore del foglio di Al è di 130 μm, si osservano solo pochi pori, mentre per uno spessore di 16 μm, quasi metà dell'immagine è costituita da porosità. Questi pori a livello nanometrico formano una struttura simile alla schiuma di Al, che può essere utilizzata per applicazioni come la protezione da rumore elettromagnetico in micro-parti o dispositivi elettronici.

La formazione di porosità nel foglio di Al è strettamente legata al rapporto di riduzione dello spessore durante la laminazione. Nel caso di laminati bimetallici, la frattura delle lamine è spesso causata dalla differenza tra i limiti di snervamento dei materiali e dalla loro risposta alla deformazione. Tuttavia, nei laminati Cu/Al, non si osserva frattura, grazie a una deformazione uniforme che evita il necking, un fenomeno che può verificarsi quando le lamine più dure iniziano a cedere.

La qualità del legame tra i fogli di Cu e Al è determinata dal rapporto di riduzione durante il primo passaggio di laminazione. In questo studio, il rapporto di riduzione durante il primo passaggio è stato superiore al 50%, il che ha permesso una buona adesione all'interfaccia tra i fogli di Cu e Al, senza crepe o fori residui visibili. La presenza di pori nano-dimensionati nell'Al è un fenomeno osservato in tutti i campioni, che dipende dallo spessore del foglio di Al e dal processo di laminazione. In particolare, con la riduzione dello spessore del foglio di Al, il rapporto di riduzione di spessore tra Al e Cu diminuisce, suggerendo che una parte significativa del volume di Al è composta da porosità.

Questo fenomeno di formazione di porosità nei laminati Cu/Al può portare alla realizzazione di materiali leggeri e porosi, utili in molteplici applicazioni, inclusi dispositivi elettronici e schermatura contro radiazioni elettromagnetiche. La comprensione della formazione di pori e della distribuzione dei grani a livello nanometrico è essenziale per progettare laminati con proprietà ottimali.

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Quali sono gli effetti del cryorolling sulle proprietà meccaniche e termiche dei laminati Cu/Al?

L’uso di tecniche avanzate come il cryorolling sui laminati compositi Cu/Al ha suscitato un notevole interesse per i suoi effetti sulle proprietà meccaniche e termiche. In particolare, il fenomeno di instabilità plastica nelle leghe di Cu/Al, osservato durante il cryorolling a temperature estremamente basse, come −190 °C, suggerisce che la formazione di uno strato intermetallico AlCu raggiunga una condizione di instabilità di deformazione molto prima dello strato di alluminio. Questo fenomeno è strettamente legato alle caratteristiche plastiche dei materiali, che si riflettono in una diversa resistenza alla deformazione tra il rame e l’alluminio. L’aumento della temperatura di laminazione, come evidenziato dai dati ottenuti a −100 °C e −190 °C, ha portato a una diminuzione dei fenomeni di necking, il che implica una migliore qualità del legame tra i vari strati compositi.

L’effetto delle temperature di laminazione sulla resistenza allo snervamento dei laminati è chiaro: l’aumento della temperatura contribuisce a una riduzione dei difetti locali, come il necking, e al miglioramento della resistenza del legame tra i materiali, sebbene ciò comporti un aumento della dimensione dei grani. La ricerca ha dimostrato che la temperatura ottimale per la produzione di laminati Cu/Al è di circa 300 °C, dove la qualità del legame tra gli strati di rame e alluminio è massima.

Il comportamento meccanico dei laminati compositi sandwich, in particolare la resistenza alla trazione, può essere previsto tramite la regola delle miscele, che calcola le proprietà medie dei componenti, ponderate per le frazioni di area trasversale. Tuttavia, la riduzione della resistenza dovuta alla presenza di vuoti nel composito è un aspetto fondamentale. L’aumento della frazione dei vuoti equivalenti riduce drasticamente la resistenza alla trazione, il che spiega la diminuzione della resistenza dei laminati sottoposti a cryorolling a temperature molto basse.

Il processo di accumulazione tramite rollatura (ARB) ha permesso la fabbricazione con successo di laminati Cu/Al, ma la continua discussione riguarda la relazione precisa tra la resistenza al legame e le proprietà meccaniche dei laminati. I difetti microscopici, come le bande di scorrimento e i difetti di interfaccia tra i vari strati, possono influenzare fortemente queste proprietà. La differenza tra la lamiera di rame e quella di alluminio è spesso accentuata durante il processo di laminazione, dove il rame tende a manifestare un comportamento di necking a causa della sua maggiore durezza.

Il confronto tra campioni di laminati Cu/Al lavorati con laminazione a freddo e cryorolling rivela differenze significative nella microstruttura. Nei campioni sottoposti a cryorolling, la dimensione dei grani nell'alluminio è più piccola rispetto a quelli laminati a freddo, il che è attribuibile alla formazione di bande di micro-shear durante il processo. La formazione di difetti di dislocazione ad alta densità nel rame durante il cryorolling è un altro fattore che migliora le proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione.

Il miglioramento della resistenza meccanica dei laminati Cu/Al tramite cryorolling è accompagnato da una diminuzione dei fasi intermetalliche Cu-Al, che è un altro elemento che contribuisce all’aumento delle performance meccaniche. L’analisi al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) dei campioni ha rivelato che, mentre nei campioni laminati a freddo sono presenti fasi CuAl2 e CuAl intorno all’interfaccia, nel cryorolled si trova principalmente la fase CuAl2, suggerendo che il cryorolling può effettivamente limitare la formazione di fasi fragili intermetalliche.

Infine, la caratterizzazione delle proprietà di trazione dei laminati Cu/Al ha rivelato che i campioni soggetti a cryorolling presentano una maggiore resistenza alla trazione rispetto ai campioni laminati a freddo. Nonostante la diminuzione dell’allungamento totale, che si stabilizza intorno al 10%, il miglioramento nelle proprietà meccaniche è significativo. La morfologia della frattura dei campioni, che mostra una frattura fragile per entrambi i tipi di trattamento, evidenzia che il cryorolling favorisce una migliore qualità del legame interfaccia Cu/Al, con una minore formazione di crepe lungo la linea di interfaccia.

In generale, è importante comprendere che, sebbene il cryorolling offra notevoli vantaggi in termini di resistenza meccanica e stabilità termica dei laminati Cu/Al, esso non è privo di sfide. Le variazioni nella microstruttura, come la formazione di bande di scorrimento e la gestione delle fasi intermetalliche, sono aspetti critici che determinano il comportamento finale dei laminati. L’influenza delle condizioni di processo, come il numero di cicli ARB e le temperature di laminazione, devono essere attentamente controllate per ottimizzare le prestazioni dei materiali in applicazioni industriali avanzate.

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