Il comportamento meccanico dei laminati Cu/Al è fortemente influenzato dal trattamento termico e dalle modifiche strutturali che avvengono durante il processo di laminazione a caldo. Un esempio di tale comportamento si osserva nella matrice di rame (Cu) nei laminati Cu-Al, che presenta fenomeni di frattura e plastificazione differenti a seconda della temperatura di ricottura. In particolare, la matrice di rame, come mostrato nella Fig. 2.50a, presenta una simmetria incompleta del sottile strato intermedio SUS304 durante il processo di laminazione, che porta a concentrazioni di stress nei punti di interfaccia tra la matrice di rame e il substrato SUS304. Questo fenomeno induce una frattura precoce da un lato della matrice di rame rispetto agli altri materiali della matrice.

Dopo un trattamento di ricottura a 200 °C, la plasticità della matrice Cu-Al subisce una parziale ripresa. La presenza di fenomeni di necking, come illustrato nella Fig. 2.50c, è evidente sulla superficie di frattura del campione. I frammenti dello strato intermedio SUS304 sono incorporati all'interfaccia della matrice Cu-Al. Con il trattamento a 300 °C, la plasticità della matrice Cu-Al aumenta ulteriormente, portando ad un angolo di necking più marcato. Un'altra caratteristica interessante è l'apparizione di frammenti intatti dello strato SUS304 sulla superficie di frattura, con una larghezza significativamente maggiore rispetto alla matrice Cu-Al neckata, come mostrato nella Fig. 2.50e. Questo fenomeno è principalmente dovuto al fatto che, durante la trazione, i frammenti SUS304, con una resistenza maggiore rispetto alla matrice Cu-Al ricotta, subiscono una deformazione concentrata principalmente nella matrice Cu-Al. Inoltre, lo strato SUS304 è saldamente legato alla matrice. In seguito alla frattura, la matrice di alluminio appare come "strappata" mentre gli strati si separano per via del necking, con alcuni frammenti dello strato SUS304 che rimangono saldamente legati alla matrice di alluminio. Nella regione ingrandita localmente dell'interfaccia della superficie di frattura, come visibile nella Fig. 2.50f, si osservano numerosi dimples distribuiti densamente nella matrice, segno di una buona plasticità della matrice dopo il trattamento termico a 300 °C. Inoltre, nella zona di contatto diretto tra rame e alluminio, è possibile osservare parziali fratture a strisce degli IMC Cu-Al sulla superficie di frattura, con la direzione di frattura parallela alla direzione di trazione.

A temperature di ricottura superiori, come i 400 °C, la matrice Cu-Al mostra una plasticità eccellente. La superficie di frattura mantiene ancora una morfologia di necking, ma in questo caso i frammenti dello strato SUS304 non sono più visibili sulla superficie di frattura (Fig. 2.50g). Nell'immagine ingrandita dell'interfaccia (Fig. 2.50h), si osservano numerosi IMC Cu-Al nella zona di contatto diretto tra rame e alluminio. Le fratture degli IMC Cu-Al possono verificarsi sia parallele che perpendicolari alla direzione di laminazione, con una prevalenza di quelle perpendicolari.

Il comportamento meccanico e le proprietà microstrutturali dei laminati Cu/Al sottoposti a laminazione accumulativa a caldo (ARB) sono fortemente influenzati dalla temperatura di laminazione. Quando la temperatura di laminazione è 350 °C, i laminati Cu/Al mostrano un alto stress di snervamento, ma la deformazione di frattura è la più bassa tra le temperature di laminazione studiate. Al contrario, aumentando la temperatura di laminazione a 400 °C, lo stress di snervamento diminuisce significativamente, ma la duttilità aumenta, raggiungendo il massimo valore a 400 °C. Quando la temperatura di laminazione aumenta ulteriormente a 450 e 500 °C, lo stress di snervamento dei laminati aumenta, mentre la loro duttilità subisce una lieve riduzione. Questi comportamenti inaspettati sono legati all'evoluzione microstrutturale che avviene durante il trattamento termico.

Durante il processo ARB a temperature più basse, come 350 °C, si verifica una raffinazione della dimensione dei grani, risultando in un materiale con alta resistenza e bassa duttilità. Con l'aumento della temperatura di laminazione, la dimensione dei grani aumenta chiaramente, con il spessore medio dei grani che aumenta da 9,4 μm a 13,5 μm tra 350 e 500 °C. La microstruttura dei laminati si trasforma in una struttura a strati, con spessori che aumentano da 3,1 μm a 7,5 μm con l'aumento della temperatura. Le immagini SEM delle strutture nei pressi dell'interfaccia Cu-Al mostrano che, a temperature di laminazione superiori a 350 °C, si formano strati di intermetalluri (IMC) tra rame e alluminio, e il loro spessore aumenta con la temperatura di laminazione, diventando addirittura seghettato a 500 °C, un fenomeno tipico dei compositi bimetallici trattati a caldo.

L'aumento della temperatura di laminazione comporta anche un aumento significativo dello spessore dello strato di diffusione tra rame e alluminio. A 350 °C, lo spessore medio dello strato di diffusione è di soli 1,79 μm, mentre a 500 °C raggiunge i 27,87 μm. Questo aumento dello spessore dello strato di diffusione contribuisce in modo significativo alla formazione di una microstruttura più stabile e resistente.

Oltre alla comprensione dei cambiamenti microstrutturali e meccanici, è importante notare che l'ottimizzazione delle condizioni di laminazione ARB, come la temperatura, è fondamentale per ottenere il miglior compromesso tra resistenza e duttilità dei laminati Cu/Al. La qualità dell'interfaccia tra i due metalli e la gestione degli strati intermetallici possono essere determinanti per le applicazioni industriali dei laminati bimetallici.

Come l'evoluzione microstrutturale influisce sul miglioramento delle proprietà meccaniche delle lamiere AA1050/AA6061

L'evoluzione microstrutturale delle lamiere AA1050/AA6061 durante il trattamento di invecchiamento è un aspetto fondamentale per comprendere il miglioramento delle proprietà meccaniche dei materiali compositi. Un elemento chiave che contribuisce al rafforzamento è la densità di dislocazioni. In particolare, rispetto ai campioni trattati tramite ARB (Accumulative Roll Bonding), la maggiore densità di dislocazioni nelle lamiere trattate con criorullatura offre più siti di nucleazione per la precipitazione delle fasi indurenti. Questo processo di invecchiamento non solo impedisce un aumento evidente delle dimensioni delle particelle precipitate, ma favorisce anche l'interazione tra precipitati e dislocazioni, risultando in un mantenimento di alta resistenza nel materiale.

Le lamiere AA1050/AA6061 mostrano una struttura laminata ondulata e discontinuo dopo cicli multipli di ARB, indicando che si sono verificati fenomeni di necking e frattura. Questo comportamento è legato alle differenze nelle proprietà meccaniche e di flusso dei metalli dissimili che compongono il materiale. Quando i metalli vengono deformati insieme, la discontinuità strutturale che si forma nelle lamine più dure può causare fratture nella lamina AA6061, mentre la lamina AA1050 subisce una deformazione plastica aggiuntiva per adattarsi a queste modifiche strutturali. Questo fenomeno di instabilità plastica nella lamina più dura è stato osservato anche in altri materiali bimetallici. Studi precedenti hanno identificato che diversi fattori, come il rapporto di spessore iniziale, l'indice di inasprimento per deformazione e il coefficiente di resistenza delle singole lamine, influenzano questo comportamento.

L'uso della criorullatura ha permesso di ottenere lamiere con una struttura più piatta e continua rispetto ai campioni trattati con ARB, ottimizzando l'interfaccia di adesione tra le lamine e riducendo la formazione di bande di taglio. La criorullatura, inoltre, è in grado di aumentare la densità di dislocazioni nei campioni, contrastando la recupero dinamico e favorendo la generazione di nuove dislocazioni. Questo fenomeno contribuisce a una distribuzione non uniforme delle dislocazioni, che rende più difficile l'inizio del movimento delle dislocazioni durante la deformazione. La difficoltà di movimento delle dislocazioni a causa dell'incompatibilità tra le regioni adiacenti porta a un accumulo maggiore di dislocazioni nella lamina trattata criogenicamente.

L'elevata densità di dislocazioni nelle lamiere criorullate è fondamentale per il miglioramento delle fasi indurenti durante il processo di invecchiamento. Le microstrutture osservate tramite TEM mostrano che, nonostante il recupero a bassa temperatura, le lamine trattate criogenicamente mantengono una morfologia allungata con dislocazioni, evidenziando la presenza di precipitati fini sferici e a forma di ago che impediscono il movimento delle dislocazioni, aumentando l'effetto di indurimento. Questo processo porta a un aumento della resistenza alla trazione nelle lamiere trattate criogenicamente, come evidenziato nei risultati sperimentali.

L'analisi della superficie di frattura dei campioni trattati con criorullatura mostra che la qualità dell'adesione tra le lamine costituenti è migliore rispetto ai campioni trattati con ARB. La de-bonding all'interfaccia, che è stata osservata più frequentemente nei campioni trattati tramite ARB, è correlata a due fattori principali: (i) la deformazione ineguale tra le lamine che crea gradienti di deformazione vicino all'interfaccia, indebolendo la connessione, e (ii) l'accumulo di dislocazioni a livello dell'interfaccia che aumenta la concentrazione di stress, causando la delaminazione. Al contrario, nei campioni trattati con criorullatura, l'adesione tra le lamine è stata rinforzata grazie alla ridotta formazione di bande di taglio e alla migliore distribuzione delle dislocazioni.

Infine, l'invecchiamento delle lamiere con criorullatura non solo migliora la resistenza meccanica, ma stabilizza anche la microstruttura, grazie all'efficace effetto di pinning dei precipitati che impedisce il movimento delle dislocazioni. Le interazioni tra precipitati e dislocazioni rendono la struttura più stabile rispetto a quella senza precipitati, migliorando in tal modo le proprietà meccaniche complessive del materiale.

L'importanza di questi risultati è duplice. In primo luogo, essi dimostrano come tecniche di lavorazione avanzate come la criorullatura possano migliorare significativamente le prestazioni delle lamiere composite. In secondo luogo, il controllo accurato della microstruttura, in particolare della densità delle dislocazioni e della distribuzione dei precipitati, è essenziale per ottenere materiali con elevata resistenza e durabilità. Comprendere questi fenomeni permette di progettare materiali più performanti per applicazioni industriali avanzate.

Come migliorano le proprietà meccaniche dei materiali compositi Al/HEAp a temperature criogeniche?

I materiali compositi a matrice metallica (MMC), in particolare quelli basati su alluminio rinforzato con particelle di HA (Al/HEAp), hanno mostrato significativi miglioramenti delle loro proprietà meccaniche a temperature criogeniche, come evidenziato nei campioni sottoposti a trazione. A temperature criogeniche, i campioni di Al/HEAp MMCs hanno presentato un comportamento più favorevole rispetto alla temperatura ambiente, con un aumento significativo della deformazione plastica e dell'elongazione prima di subire la frattura.

Le analisi microstrutturali condotte sui campioni a 3% di HEAp, con una riduzione del 30% per laminazione, hanno rivelato una distribuzione più uniforme delle dislocazioni a temperature criogeniche (173 K), rispetto ai campioni testati a temperatura ambiente (298 K). A quest'ultima, le dislocazioni tendono a formare grovigli in regioni locali, con una distribuzione non uniforme. Al contrario, a temperature criogeniche, la densità di dislocazioni è aumentata significativamente, portando alla formazione di pareti e celle di dislocazioni, che hanno contribuito a migliorare la resistenza meccanica del materiale.

Questo incremento della densità di dislocazioni non solo ha aumentato la forza del materiale, ma ha anche ridotto la deformazione locale, contribuendo a una minore concentrazione di stress e ritardando i fenomeni di necking e frattura, che sono tipicamente associati alla deformazione plastica. In pratica, la capacità di allungamento dei campioni a 173 K è stata nettamente superiore rispetto a quelli a temperatura ambiente.

Il miglioramento delle proprietà meccaniche dei MMC Al/HEAp a temperature criogeniche non è un fenomeno isolato. È stato osservato anche in altre leghe di alluminio, come la AA2060, la AA6061 e leghe Al-Cu-Mn, le quali mostrano tutte un aumento della resistenza alla trazione a temperature inferiori. Tuttavia, l'Al/HEAp MMC ha mostrato un miglioramento molto più marcato rispetto alle leghe di alluminio pure, con un incremento della resistenza alla trazione criogenica superiore al 20%, rispetto a una media del 10-15% delle leghe pure.

Meccanismi di rinforzo a temperatura criogenica

Il meccanismo che guida il miglioramento delle proprietà meccaniche degli Al/HEAp MMCs in un ambiente criogenico può essere attribuito a due principali fattori: il mismatch del coefficiente di espansione termica (CTE) e il rinforzo da dislocazioni.

Il mismatch tra il CTE del matrice di alluminio e quello delle particelle di HA gioca un ruolo cruciale nell'aumento della densità di dislocazioni a bassa temperatura. L’alluminio ha un CTE di 23,4 × 10^−6 K^−1, mentre le particelle di HA hanno un CTE di 9,03 × 10^−6 K^−1. Questa differenza genera deformazioni elastiche residue nel materiale, che contribuiscono a una maggiore densità di dislocazioni, migliorando la resistenza alla trazione. L'effetto di rinforzo causato dal mismatch del CTE è più pronunciato nelle condizioni criogeniche, con una differenza di temperatura di 125 K tra l'ambiente criogenico e quello a temperatura ambiente, che intensifica questo effetto di rinforzo.

Un altro meccanismo significativo è il rinforzo da dislocazioni, che a temperature più basse diventa più efficace. A 173 K, il comportamento delle dislocazioni è significativamente diverso rispetto a 298 K: le particelle di rinforzo impediscono la risoluzione dinamica delle dislocazioni, consentendo a queste ultime di accumularsi a una densità maggiore. Ciò, combinato con un maggiore effetto di ritiro volumetrico, che si verifica a temperature criogeniche, porta a una maggiore densità di dislocazioni necessarie geometricamente (GND), che contribuiscono ad aumentare la resistenza del materiale.

In aggiunta a ciò, l'inibizione della ricostruzione dinamica delle dislocazioni a basse temperature comporta una maggiore conservazione della deformazione plastica nel materiale, migliorando la sua forza a trazione. La densità di dislocazioni e il comportamento del materiale possono essere analizzati in dettaglio utilizzando il metodo KAM (Kernel Average Misorientation), che misura la dislocazione media in funzione del gradiente di deformazione. Valori KAM più elevati indicano un maggiore grado di deformazione plastica e densità di dislocazioni, riflettendo così la capacità del materiale di assorbire e distribuire meglio le sollecitazioni meccaniche.

La combinazione di questi meccanismi, che agiscono sinergicamente a temperature criogeniche, permette di ottenere performance superiori per gli Al/HEAp MMCs in condizioni di temperature estremamente basse. La comprensione di come e perché questi materiali si comportano meglio a basse temperature non solo è utile per il design di nuovi materiali avanzati, ma può anche fornire intuizioni preziose per applicazioni in ambienti estremi, come nell’industria aerospaziale o nella produzione di componenti per veicoli criogenici.

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