La qualità della giunzione dell'interfaccia in materiali laminati sottoposti a deformazione da compressione è fortemente influenzata da vari fattori, tra cui il tempo di sosta e la velocità di deformazione. Questi parametri determinano la dinamica della diffusione atomica e la crescita dei grani, processi cruciali per l'ottenimento di una giunzione stabile e resistente.

Nel caso di materiali laminati, la velocità di deformazione è un parametro fondamentale per la migrazione degli atomi attraverso l'interfaccia. A velocità di deformazione elevate, la diffusione atomica è limitata, lasciando frequentemente dei vuoti residui nella zona di giunzione. Questi vuoti possono compromettere la qualità del legame e la resistenza meccanica complessiva. Come mostrato nella Figura 2.8, l'aumento della velocità di deformazione porta a una maggiore presenza di porosità residua, che diminuisce progressivamente con l'aumento del tempo di sosta. La migrazione degli atomi, descritta dalla legge di diffusione di Fick, è influenzata dalla durata del tempo di sosta: maggiore è il tempo, maggiore è la distanza di diffusione degli atomi e, di conseguenza, la qualità della giunzione.

La Figura 2.9 evidenzia come l'evoluzione microstrutturale dell'interfaccia cambi al variare del tempo di sosta durante la deformazione. Quando il tempo di sosta è di soli 1 minuto, l'interfaccia mostra una distribuzione lineare dei vuoti. Con il prolungarsi del tempo di sosta a 5 e 10 minuti, nuovi grani si formano e la zona di transizione dell'interfaccia diventa meno definita. Al raggiungimento di 20 minuti, la qualità della giunzione migliora considerevolmente, con una struttura cristallina nella zona di interfaccia che risulta simile a quella del materiale di base. Questi cambiamenti sono accompagnati da una riduzione significativa dei vuoti residui, come evidenziato nella Figura 2.10.

Questi fenomeni sono il risultato di una maggiore opportunità di diffusione atomica durante il tempo di sosta. L'intensificazione della diffusione porta a una maggiore uniformità della microstruttura e a una migliore qualità di giunzione. La diffusione atomica, regolata dalla legge di Fick, segue una relazione diretta tra il tempo di diffusione e la distanza di migrazione, con quest'ultima che cresce proporzionalmente alla radice quadrata del tempo. Sebbene la temperatura di riscaldamento giochi un ruolo cruciale nell'iniziare il processo di giunzione, il tempo di sosta, se sufficientemente lungo, consente una completa unione delle superfici di interfaccia.

Un altro aspetto significativo nella valutazione della giunzione è la resistenza al taglio dei laminati. Le figure 2.12 e 2.13 mostrano come la resistenza alla trazione vari in funzione del rapporto di riduzione. Con un basso rapporto di riduzione (ad esempio, il 5%), la giunzione tende a rompersi lungo l'interfaccia, indicando una qualità di legame inferiore. Tuttavia, con l'aumento del rapporto di riduzione, la resistenza alla trazione aumenta, indicando una miglior giunzione tra le superfici. Al raggiungimento di un rapporto di riduzione del 50%, la resistenza al taglio diventa comparabile a quella del materiale di base, con la rottura che avviene nel materiale stesso piuttosto che nell'interfaccia.

La figura 2.15 illustra le morfologie di frattura delle zone di giunzione per vari rapporti di riduzione. Con bassi rapporti di riduzione (5-10%), la frattura è prevalentemente di tipo cleavaggio, mentre con l'aumento del rapporto di riduzione, la frattura diventa sempre più di tipo dimple, un segno evidente di una giunzione di alta qualità. Quando il rapporto di riduzione raggiunge il 40-50%, la frattura è completamente di tipo dimple, indicando una giunzione ottimale.

Infine, il meccanismo di giunzione dell'interfaccia durante il bonding a caldo coinvolge fenomeni di ricristallizzazione e crescita dei grani. A temperature elevate, la ricristallizzazione può avvenire alle interfacce libere, mentre la deformazione plastica severa induce una distribuzione non uniforme dell'energia, con la formazione di grani che crescono verso la zona di giunzione, riducendo gradualmente le fessure presenti. Questo processo consente una miglior fusione tra le superfici e una formazione di nuove strutture cristalline che contribuiscono a migliorare la resistenza e la qualità complessiva della giunzione.

L'interpretazione corretta di questi fenomeni è cruciale per il miglioramento delle tecniche di bonding a caldo, e per ottenere laminati con giunzioni di alta qualità, è necessario comprendere l'interazione tra temperatura, tempo di sosta, velocità di deformazione e la capacità di diffusione atomica. I lettori devono considerare come questi parametri influenzano non solo la microstruttura, ma anche la resistenza meccanica finale del materiale.

Come la Riduzione della Deformazione e le Proprietà Meccaniche dei Compositi Al/HEAp Influiscono Sulle Loro Prestazioni Criogeniche

Le proprietà dei compositi Al/HEAp al 4,5% in peso di HEAp sono aumentate mediamente del 21% sotto tre diverse condizioni di riduzione a rulli. Con l'aggiunta di HEAp, le proprietà meccaniche criogeniche dei compositi a matrice metallica (AMC) sono state significativamente migliorate. Inoltre, per i compositi con la stessa frazione di massa di HEAp, la deformazione di rottura dei fogli di Al/HEAp sottoposti a prova di trazione a temperatura ambiente diminuisce con l'aumento della riduzione a rulli. Per i campioni di AMC Al/HEAp con il 3% in peso di HEAp, la deformazione di rottura diminuisce dal 12,2% ± 0,3% al 9,8% ± 0,2% fino al 4,9% ± 0,2% a 298 K, con un aumento della riduzione a rulli dal 30%, 60% al 90%. Pertanto, i compositi Al/HEAp mantengono una buona duttilità anche dopo una forte riduzione a rulli. L'aumento del contenuto di particelle HEAp ha avuto un effetto limitato sulla deformazione degli AMC. Quando la riduzione a rulli era del 60%, le deformazioni di rottura degli AMC Al/HEAp con 1,5%, 3% e 4,5% in peso di HEAp erano rispettivamente del 12,3% ± 3,5%, 11,3% ± 0,9% e 10,0% ± 0,2%. La deformazione di rottura degli AMC Al/HEAp non diminuiva significativamente con l'aumento del contenuto di HEAp, a parità di riduzione a rulli.

L'analisi della morfologia della frattura può rivelare l'influenza del meccanismo di frattura e dell'allungamento degli AMC Al/HEAp. La figura 5.38 mostra la morfologia della frattura degli AMC Al/HEAp sottoposti a prove di trazione a 298 K e 173 K, indicando che il meccanismo di frattura di entrambi era di tipo duttili. Nei campioni di AMC Al/HEAp a 298 K, si osservava una grande area priva di fossette (Fig. 5.38a2 e c1) con bordi di strappo più evidenti (Fig. 5.38a1), che indicano una bassa deformazione alla rottura. Gli AMC Al/HEAp a 173 K contenevano fossette più dense e profonde (Fig. 5.38d1 e d2) rispetto ai campioni a 298 K. L'illustrazione della figura 5.38d1 mostra la presenza di HEAp nel fondo delle fossette, evidenziando una maggiore capacità di deformazione uniforme degli AMC Al/HEAp a 173 K. L'area e la profondità delle singole fossette negli AMC Al/HEAp a 173 K erano significativamente più grandi rispetto a quelle negli AMC Al/HEAp a 298 K. Inoltre, fossette distribuite in modo uniforme e denso sono state osservate nei campioni di AMC Al/HEAp a 173 K con una maggiore riduzione a rulli (Fig. 5.38e1 e f1), indicando una notevole capacità di deformazione a temperatura criogenica. I risultati hanno dimostrato che gli AMC Al/HEAp a temperatura criogenica avevano una maggiore allungabilità rispetto a quelli a temperatura ambiente.

Un altro aspetto cruciale dell'analisi è l'evoluzione della microstruttura degli AMC Al/HEAp durante il test di trazione criogenico. La figura 5.39 mostra i risultati dell'EBSD (Electron Backscatter Diffraction) dei campioni di AMC Al/HEAp al 3% in peso di HEAp dopo la lavorazione criogenica e i test di trazione a diverse temperature. Tipicamente, gli angoli di confine dei grani compresi tra 2° e 15° sono definiti come confini a basso angolo (LAGB), mentre quelli superiori a 15° sono considerati confini ad alto angolo (HAGB). La proporzione di LAGB negli AMC Al/HEAp senza deformazione di trazione era solo del 16,8%. Dopo la deformazione a temperatura ambiente, la proporzione di LAGB è aumentata al 36,7% negli AMC Al/HEAp a 298 K, mentre un'ulteriore maggiore densità di LAGB è stata osservata nei campioni a 173 K, con una proporzione che è salita al 37,7%. La recupero dinamico degli AMC è stato inibito a temperatura criogenica, pertanto l'eliminazione delle dislocazioni è stata soppressa, e ciò ha comportato la formazione di più sottostrutture nei grani, aumentando la proporzione di LAGB. Pertanto, la proporzione di LAGB negli AMC Al/HEAp a 173 K è risultata maggiore rispetto agli AMC a 298 K.

Inoltre, sono state utilizzate le immagini del fattore di Schmid per analizzare il comportamento di deformazione degli AMC. Il sistema di scivolamento {111} <110> degli allumini è stato utilizzato per calcolare il fattore di Schmid, con valori compresi tra 0,25 e 0,5 per i grani degli AMC Al/HEAp in diverse condizioni. Le immagini di Schmid hanno mostrato che nelle deformazioni a 298 K i grani con un fattore di Schmid tra 0,42 e 0,47 erano più numerosi, mentre a 173 K i grani con un fattore di Schmid tra 0,47 e 0,5 erano più abbondanti, indicando una migliorata deformabilità delle piani reticolari negli AMC a 173 K.

In conclusione, le analisi dei parametri KAM (Kernel Average Misorientation) e TEM (Transmission Electron Microscopy) hanno rivelato che gli AMC Al/HEAp a 173 K presentano una maggiore densità di dislocazioni rispetto ai campioni a temperatura ambiente. Ciò conferma che a temperature criogeniche la struttura reticolare dei compositi diventa più complessa, favorendo un migliore comportamento di deformazione e una maggiore resistenza alla rottura.

L'importanza di questi studi non risiede solo nell'osservazione di come la microstruttura e le proprietà meccaniche si evolvono durante la deformazione criogenica, ma anche nel fatto che le leghe Al/HEAp, pur con un contenuto variabile di HEAp, mostrano una notevole resistenza alla frattura anche in condizioni di alta riduzione a rulli. La comprensione di queste dinamiche è fondamentale per applicazioni in ambienti estremi, come quelli a bassa temperatura, dove i materiali devono mantenere sia resistenza che duttilità.

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