Il processo di invecchiamento termico dei laminati in lega AA1050/AA6061 ha un impatto significativo sulle loro proprietà meccaniche, in particolare sulla resistenza alla trazione (UTS). Studi condotti su campioni di laminati trattati termicamente a diverse temperature di invecchiamento hanno mostrato che l’effetto positivo della precipitazione supera la perdita di resistenza causata dal recupero, portando così a un miglioramento complessivo delle prestazioni meccaniche.

In generale, l'UTS dei laminati aumenta con l’invecchiamento, ma l’incremento massimo si verifica a temperature di 100°C. Campioni sottoposti a invecchiamento a questa temperatura per 54 ore (campione C2) e 57 ore (campione A5) hanno mostrato valori di UTS rispettivamente di 328 MPa e 265 MPa, indicando una risposta di invecchiamento che aumenta la resistenza. Questo fenomeno è confermato dalla figura 4.8, che mostra come le proprietà di trazione dei laminati AA1050/AA6061 evolvano con il tempo di invecchiamento a temperature di 90°C, 100°C, 110°C e 120°C.

Inoltre, l’invecchiamento a temperature più alte accelera il processo di raggiungimento del picco di invecchiamento, riducendo il tempo necessario per raggiungere la massima resistenza. Questa osservazione è confermata dai dati della Tabella 4.1, che rivelano che i campioni invecchiati a 100°C presentano il miglior equilibrio tra tempo di trattamento e miglioramento della resistenza.

Un altro aspetto interessante riguarda l’evoluzione della microstruttura dei laminati AA1050/AA6061 durante il trattamento termico. Le immagini SEM (microscopie elettroniche a scansione) mostrano una buona adesione tra i strati di AA1050 e AA6061, senza fenomeni di delaminazione, anche dopo l’esecuzione dei cicli di ARB (Accumulative Roll Bonding). La riduzione dello spessore degli strati di AA1050 è più pronunciata rispetto a quello di AA6061, a causa delle diverse risposte di deformazione dei due materiali. Durante i cicli iniziali di ARB, entrambi gli strati si deformano in modo omogeneo, mantenendo la piattezza dell’interfaccia. Tuttavia, ai cicli successivi, si osserva il fenomeno del necking nel strato di AA6061, dove le deformazioni plastica iniziano a prevalere.

Il trattamento di criorullatura applicato al campione C2 ha permesso di migliorare significativamente la continuità dell'interfaccia tra i due materiali. La criorullatura ritarda l’instabilità plastica e migliora la deformazione uniforme tra i due strati, come mostrato dalle immagini SEM e TEM (microscopie elettroniche a trasmissione). Questo processo aiuta a mantenere la morfologia allungata dei grani, in particolare nel strato di AA1050, contrastando il fenomeno della ricristallizzazione dinamica che si osserva nei campioni con trattamenti ARB a temperature più alte.

L'evoluzione della microstruttura e la distribuzione delle dimensioni dei grani nei laminati sono altrettanto rilevanti per comprendere le modifiche nelle proprietà meccaniche. Le immagini TEM confermano che la criorullatura impedisce la ricristallizzazione dinamica, mantenendo la morfologia allungata dei grani nel campione C2, mentre nei campioni trattati con ARB, come il campione A5, si osserva una ricristallizzazione significativa che porta alla formazione di grani equiaxiali.

Un’altra analisi interessante è quella delle densità di dislocazione nei vari campioni. Le analisi XRD (diffrazione a raggi X) hanno mostrato che la densità di dislocazione aumenta con l'aumento dei cicli di ARB, con il campione C2 che presenta la densità di dislocazione più alta. Questo fenomeno ha un impatto diretto sulle proprietà meccaniche, poiché una maggiore densità di dislocazione offre più siti di nucleazione per la formazione di precipitati rinforzanti durante l'invecchiamento, accelerando il processo di invecchiamento e migliorando la resistenza.

Infine, l’analisi dei campioni dopo il trattamento di invecchiamento a 100°C mostra che i precipitati si formano non solo durante il recupero, ma anche in modo concomitante con l'annichilazione delle dislocazioni, influenzando la densità dei difetti nella microstruttura. L'alto numero di dislocazioni nel campione criorullato fornisce numerosi siti di nucleazione per i precipitati, favorendo la crescita dei precipitati attraverso il canale di diffusione rapida degli atomi di soluto creato dalle dislocazioni. Questo è uno dei motivi per cui i campioni C2 raggiungono il picco di invecchiamento con una resistenza maggiore e un tempo di invecchiamento più breve.

Per i lettori, è importante sottolineare che l’interazione tra la deformazione plastica, la formazione di dislocazioni e il processo di invecchiamento sono cruciali per il miglioramento delle proprietà meccaniche dei laminati. Inoltre, il trattamento di criorullatura, pur rallentando la ricristallizzazione dinamica, stimola la formazione di precipitati rinforzanti, con un effetto positivo sulle proprietà di resistenza a lungo termine. Le tecniche avanzate di microstrutturazione, come SEM e TEM, sono essenziali per comprendere a fondo questi processi e per ottimizzare i trattamenti di invecchiamento termico per ottenere laminati con prestazioni meccaniche superiori.

Quali sono i meccanismi di miglioramento della resistenza al distacco negli strati Al/Ti/Al tramite cryorolling?

Il processo di rolling degli strati Al/Ti/Al comporta una deformazione plastica severa nelle superfici dei materiali a causa delle differenti capacità di deformazione degli strati di Ti e Al, nonché delle differenze di attrito tra le superfici di contatto. Inizialmente, le fessure si formano sulla superficie dello strato di Ti, che presenta una bassa capacità di deformazione. Queste fessure vengono quindi riempite dal materiale di Al sotto l'azione della forza di rolling, generando una sorta di bloccaggio meccanico. In questa fase iniziale, il tipo di giunzione tra i materiali è principalmente meccanico, basato sul fenomeno del bloccaggio. Con la riduzione della temperatura di rolling, la capacità di deformazione dello strato di Ti diminuisce, e ciò porta ad un aumento del numero di fessure e alla loro espansione, come mostrato nelle immagini 4.29a, c, e, g. Con l’aumento della quantità di Al che penetra nelle fessure, queste si allargano, migliorando la resistenza al distacco grazie all'aumento dell'area di contatto tra i due metalli.

Inoltre, il cryorolling, ossia il rolling a basse temperature, induce un affinamento dei grani, un fenomeno che rafforza ulteriormente il materiale. Il miglioramento della resistenza al distacco dipende dalla resistenza del materiale di Al, quando la forza di legame supera la resistenza a trazione dello strato di Al. In altre parole, una maggiore resistenza a trazione dello strato di Al aumenta la capacità di supportare il carico trasversale all'interfaccia, migliorando la resistenza al distacco attraverso l'aumento della forza di bloccaggio meccanico.

Oltre al bloccaggio meccanico, la formazione dell'interfaccia Ti/Al durante il processo di rolling favorisce un sistema di diffusione solida tra Ti e Al. Sotto l'azione di differenti concentrazioni atomiche, gli atomi attivi di Ti (o Al) diffondono nell'altro materiale, creando una zona di diffusione intermetallica. Questa riorganizzazione atomica nella zona di interfaccia porta ad un rafforzamento della soluzione e alla transizione verso un legame metallurgico. L'aumento della larghezza della zona di diffusione intermetallica, che dipende dal tasso di diffusione atomica durante il rolling, porta ad un rafforzamento del legame tra i due strati. È importante notare che la diffusione atomica è influenzata dalla temperatura: a temperature più elevate, gli atomi possiedono maggiore energia e vibrano con maggiore frequenza, aumentando così la probabilità di superare le barriere energetiche, il che accelera il tasso di diffusione. Tuttavia, temperature troppo elevate potrebbero portare alla formazione di vuoti di Kirkendall all'interfaccia Ti/Al, fenomeno che potrebbe compromettere la qualità del legame metallurgico e, quindi, la resistenza al distacco.

Il legame tra i materiali è determinato da due fattori principali: il bloccaggio meccanico e il legame metallurgico. Questi contribuiscono in modo diverso alla resistenza del legame, come espresso nell'equazione (4.5). Il contributo del bloccaggio meccanico dipende dall'area combinata di contatto, mentre la resistenza del legame metallurgico è legata alla larghezza della zona di diffusione interfaciale. Dai risultati ottenuti nelle figure 4.26, 4.27 e 4.30, si evince che il bloccaggio meccanico ha un ruolo cruciale nell'incremento della resistenza del legame, con il cryorolling che ottiene i risultati migliori in termini di resistenza.

Nel contesto della prova di trazione sugli strati Al/Ti/Al, le curve di trazione mostrano un comportamento a tre fasi. Inizialmente, Ti e Al subiscono una deformazione elastico-plastica, con il massimo dello stress. In questa fase, l'interfaccia tra Ti e Al funge da vincolo, trasferendo lo stress dallo strato di Ti allo strato di Al. Questo trasferimento di deformazione migliora la capacità di supporto dello strato di Ti. Successivamente, quando lo stress locale supera la resistenza del legame, si generano microfessure all'interfaccia, che, con il proseguire della deformazione, si propagano lungo l'interfaccia stessa, provocando il distacco. L’effetto vincolante dell'interfaccia sparisce quando si verifica il distacco, portando alla rottura del laminato. La terza fase è caratterizzata dalla frattura dei singoli strati di Ti e Al. La presenza di grani grossolani inibisce la propagazione delle fessure, motivo per cui la rottura dei laminati soggetti a rolling a caldo appare più evidente rispetto a quelli sottoposti a cryorolling.

La caratteristica del grano riveste un ruolo fondamentale nella proprietà meccanica dei laminati. Il cryorolling impedisce il recupero dinamico, potenziando l'accumulo di dislocazioni e il raffinamento dei grani, migliorando così la resistenza e la duttilità degli strati di Al e Ti. Per esempio, la resistenza a trazione e l'allungamento dell'alluminio puro commerciale migliorano dopo il cryorolling. I grani di titanio puro commerciale trattati a cryorolling a −196°C raggiungono una dimensione di 80 nm, con una durezza migliorata. In effetti, il cryorolling risulta più efficace del rolling a caldo nel produrre grani più fini, con il vantaggio di una maggiore durezza e forza, come evidenziato nella figura 4.33, dove si osserva una maggiore microdurezza dei laminati di Ti e Al trattati con cryorolling.

In sintesi, il cryorolling contribuisce significativamente a migliorare la forza e la duttilità dei laminati Al/Ti/Al, influenzando sia la microstruttura dei materiali che le caratteristiche meccaniche del legame interfaciale. Questo processo, seppur complesso, offre un notevole vantaggio rispetto ad altre tecniche di rolling, migliorando non solo la resistenza, ma anche la durata e l'affidabilità dei laminati.

Come gli Altri Rinforzi e Proprietà dei Compositi Metallici a Matrice di Alluminio (MMCs) Influiscono sulle Loro Prestazioni Meccaniche

La struttura del materiale composito a matrice metallica (MMC) gioca un ruolo fondamentale nelle sue proprietà meccaniche. Uno degli aspetti determinanti di queste proprietà è la dimensione dei grani, che per gli MMCs è generalmente più piccola rispetto ad altri materiali come l'AA5083. La riduzione della dimensione dei grani contribuisce a migliorare significativamente la resistenza del materiale. Questo miglioramento può essere espresso attraverso il coefficiente di Hall-Petch, che indica la relazione tra la resistenza al flusso (YS) e la dimensione del grano del materiale.

La dimensione più fine dei grani negli MMCs è dovuta all'aggiunta di particelle rinforzanti come gli HEAps (High Entropy Alloy particles). Questi rinforzi, come gli Al0.5CrCoFeNi, presentano una buona bagnabilità con la matrice AA5083 durante il processo di fusione, che facilita la nucleazione dei cristalli e accelera il tasso di crescita dei nuclei. Questo processo promuove la nucleazione eterogenea, un meccanismo che agisce direttamente sulla rifinitura dei grani, migliorando ulteriormente la resistenza e la durezza del materiale.

La dimensione media dei grani della matrice AA5083 è di circa 76 μm, ma l'aggiunta di 1% e 3% in peso di HEAps riduce questa dimensione rispettivamente del 9,2% e del 56,6%. L'introduzione di queste particelle rinforzanti comporta quindi un miglioramento evidente della resistenza meccanica degli MMCs.

Oltre alla rifinitura dei grani, un altro meccanismo di rinforzo fondamentale negli MMCs è il rafforzamento da dislocazioni necessarie geometriche (GND). Questo rafforzamento si verifica quando esistono differenze nei coefficienti di espansione termica tra la matrice e le particelle HEAps. Durante la fusione, questo mismatch termico provoca uno stress termico che induce la matrice a deformarsi, creando dislocazioni geometriche necessarie per adattarsi a questa differenza. Le dislocazioni generate durante il processo di deformazione ostacolano il movimento delle dislocazioni stesse, migliorando così la resistenza meccanica del materiale.

Oltre a ciò, il mismatch nel modulo elastico tra la matrice e le particelle rinforzanti contribuisce ulteriormente alla formazione di dislocazioni necessarie geometriche. Queste dislocazioni impediscono il movimento delle dislocazioni attraverso il materiale, conferendo una maggiore resistenza agli MMCs. La presenza di particelle HEAps all'interno del materiale, che agiscono come ostacoli alla mobilità delle dislocazioni, favorisce la creazione di un "loop" di dislocazioni, contribuendo alla resistenza complessiva del materiale.

Un altro meccanismo di rinforzo importante è il trasferimento del carico. Durante il processo di deformazione, le particelle rinforzanti diventano i principali portatori di carico, trasferendo la sollecitazione dalla matrice alle particelle. Gli HEAps, essendo più forti e rigidi della matrice AA5083, sopportano la maggior parte dello stress applicato, aumentando ulteriormente la resistenza globale degli MMCs.

Il carico applicato ai MMCs durante la deformazione è maggiore rispetto a quello necessario per deformare l'AA5083, poiché si verifica una maggiore concentrazione di dislocazioni attorno alle particelle rinforzanti. Quando il diametro delle particelle rinforzanti supera i 10 μm, il rafforzamento per trasferimento del carico diventa particolarmente rilevante. La resistenza allo scorrimento delle particelle rinforzanti e la loro interazione con le dislocazioni favoriscono la generazione di dislocazioni nel materiale, aumentando la resistenza complessiva.

L'effetto del rafforzamento da trasferimento del carico dipende anche dalla frazione volumetrica delle particelle rinforzanti e dalla resistenza al flusso della matrice. Maggiore è la frazione volumetrica delle particelle, maggiore sarà il contributo delle particelle rinforzanti alla resistenza finale degli MMCs.

Il comportamento meccanico degli MMCs dipende anche dalle condizioni termiche a cui sono sottoposti durante il trattamento termico e la deformazione plastica. Durante il processo di rolling, l'introduzione di particelle rinforzanti impedisce la nucleazione e la crescita dei grani ricristallizzati, aumentando così la temperatura di ricristallizzazione. Questo comporta una riduzione del grado di ricristallizzazione degli MMCs rispetto all'AA5083, anche a temperature e tempi simili.

Infine, la tecnologia di "cryorolling", che implica la deformazione a temperature criogeniche, ha mostrato effetti significativi sulla resistenza al trazione (UTS) degli MMCs. Rispetto ai campioni trattati a temperatura ambiente, i campioni sottoposti a cryorolling mostrano un UTS significativamente maggiore, con una differenza di oltre 40 MPa. La maggiore densità di dislocazioni generata a temperature criogeniche contribuisce al miglioramento della resistenza del materiale.

L'effetto del rafforzamento da dislocazioni necessarie geometriche (GND) è particolarmente evidente a basse temperature, dove una maggiore generazione di dislocazioni si traduce in una resistenza migliorata. Tuttavia, quando la deformazione supera un certo limite, la resistenza raggiunge un punto di saturazione, con l'accumulo di dislocazioni e la dimensione dei grani che raggiungono un valore limite. In questi casi, il rafforzamento da trasferimento del carico potrebbe essere sostituito da un effetto di "pinning" delle particelle fini, che impedisce ulteriori deformazioni.

È importante notare che, sebbene gli MMCs abbiano dimostrato un significativo miglioramento delle prestazioni meccaniche grazie all'aggiunta di particelle rinforzanti, il loro comportamento durante la deformazione e il trattamento termico è complesso e dipende da molteplici fattori, come la temperatura, la frazione volumetrica delle particelle e la dimensione dei grani. L'interazione tra queste variabili deve essere attentamente considerata per ottimizzare le prestazioni degli MMCs in applicazioni industriali.

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