Il cryorolling, un processo che avviene a temperature criogeniche, si è rivelato un trattamento efficace per migliorare le proprietà meccaniche dei compositi AA1050/HEAp. Come mostrato nelle immagini della figura 5.6, le proprietà meccaniche complessive dei materiali trattati con cryorolling sono superiori rispetto a quelle dei materiali trattati con RTR (rolling a temperatura ambiente). In particolare, nel caso dell'AA1050-3% HEAp MMC, la resistenza alla trazione ultima e l'allungamento dopo cryorolling erano di 195 MPa e 15,2% rispettivamente, mentre per i materiali sottoposti a cold rolling, questi valori erano di 169 MPa e 11,4%. La resistenza alla trazione dei compositi cryorollati era quindi del 15,4% superiore rispetto a quella dei campioni RTR, mentre l’allungamento era superiore del 33,3%.

Il comportamento meccanico migliora ulteriormente con l'aumento della percentuale di HEAp, un fenomeno che diventa evidente quando la frazione in peso di HEAp raggiunge il 3%. Con una concentrazione del 6% di HEAp, i materiali trattati con rolling convenzionale mostrano generalmente proprietà meccaniche inferiori rispetto ai compositi cryorollati con 3% HEAp. L’allungamento, un parametro critico nella valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali, si è dimostrato significativamente migliore nei compositi cryorollati, come evidenziato dalle morfologie di frattura della figura 5.7.

Osservando le fratture di trazione dei compositi cold rolled e cryorolled, si nota una differenza marcata nella morfologia delle fratture stesse. I compositi cryorollati mostrano una maggiore quantità di dimples, il che suggerisce una maggiore duttilità, mentre i compositi cold rolled presentano più fratture a rottura quasi-cleavaggio, indicando una minore capacità di deformarsi plasticamente. Inoltre, nei compositi sottoposti a cold rolling, è stato osservato che le particelle di HEAp si staccano durante la frattura, mentre questo fenomeno non si verifica nei compositi cryorollati. Questo suggerisce che il legame tra la matrice in lega di alluminio e le particelle di HEAp nei compositi cryorollati sia più forte, impedendo la separazione delle particelle dalla matrice durante il carico di trazione.

Il miglioramento delle proprietà meccaniche dei compositi cryorollati è attribuibile a una serie di fattori microstrutturali. Durante il cryorolling, la temperatura estremamente bassa (77 K) provoca una contrazione volumetrica significativa, con un impatto differenziato sulla matrice di alluminio e sulle particelle di HEAp. Poiché il coefficiente di espansione termica della matrice di alluminio è maggiore rispetto a quello di HEAp, la contrazione volumetrica induce un legame più forte tra i due materiali, riducendo la probabilità che le particelle di HEAp si stacchino durante il trattamento. Questo effetto di contrazione volumetrica non è presente nel trattamento a temperatura ambiente (RTR), il che spiega la minore coesione nei campioni cold rolled.

Oltre a ciò, il cryorolling favorisce la formazione di dislocazioni e strutture subcristalline, aumentando la densità di dislocazioni e la formazione di celle di dislocazioni, che migliorano ulteriormente le proprietà meccaniche dei compositi. A basse temperature, l’energia atomica è ridotta, il che inibisce fortemente il recupero dinamico e porta alla formazione di una microstruttura più densa di dislocazioni, che contribuisce al rafforzamento del materiale. La formazione di queste strutture è particolarmente evidente nei compositi cryorollati, come mostrato nelle immagini TEM, dove si osservano celle di dislocazioni ad alta densità che migliorano la resistenza meccanica.

Anche la dimensione dei grani gioca un ruolo fondamentale nel determinare le proprietà meccaniche del materiale. Come illustrato nella figura 5.9, i compositi AA1050/HEAp ottenuti tramite cryorolling hanno una dimensione di grano significativamente più piccola rispetto ai campioni sottoposti a cold rolling. A una deformazione del 50%, la dimensione media dei grani nei campioni cryorollati era di 340 nm, contro i 592 nm dei campioni cold rolled, con una riduzione del 42,6%. Questa riduzione della dimensione dei grani porta a un miglioramento della resistenza, come descritto dalla formula di Hall-Petch.

I compositi cryorollati, quindi, mostrano una combinazione di maggiore resistenza alla trazione, miglior allungamento e una microstruttura più fine e coesa, che li rende superiori rispetto ai materiali trattati a temperatura ambiente. L’effetto complessivo del cryorolling sui compositi AA1050/HEAp, quindi, va ben oltre il semplice rafforzamento del materiale: la creazione di legami più forti tra la matrice e le particelle, la riduzione dei difetti e la formazione di strutture subcristalline contribuiscono a una notevole miglioria delle performance meccaniche.

Qual è l'influenza del rivestimento SUS304 sul rinforzo della forza di adesione nelle lamine Cu/Al?

Le lamine Cu/Al/Cu con uno strato intermedio sottile di SUS304 di 30 μm sono state realizzate mediante un processo di legatura a caldo. Per questa ricerca sono stati utilizzati fogli di rame T2 e alluminio AA1060 come materiali di partenza. I fogli di rame e alluminio sono stati sottoposti a ricottura a 873 K e 673 K per 2 ore, rispettivamente, al fine di ottenere una struttura a grani grossi e omogenea. Successivamente, sono stati tagliati in pezzi di 100 × 50 × 1 mm. Prima del processo di legatura a caldo, i fogli di rame e alluminio sono stati spazzolati per rimuovere lo strato di ossido superficiale e le contaminazioni. Successivamente, i fogli di rame, alluminio e SUS304 sono stati impilati insieme e fissati tramite rivetti in alluminio. Le lamine impilate sono state preriscaldate a 723 K per 1 minuto e quindi sottoposte a laminazione a una velocità di 1 m/min.

Il processo di laminazione a caldo rappresenta una tecnica efficace ed efficiente per la produzione continua di lamine di grandi dimensioni, evitando inoltre la necessità di processi di saldatura aggiuntivi. In questo studio, è stato introdotto uno strato intermedio di SUS304 nelle lamine Cu/Al/Cu tramite il processo di laminazione a caldo. La forza di adesione al distacco, la morfologia della superficie di distacco, la diffusione degli elementi e la microstruttura sono state esaminate, e il meccanismo di miglioramento della forza di adesione interfaciale delle lamine Cu/Al è stato analizzato combinando la regolazione dei composti intermetallici (IMCs), il giogo meccanico e la deformazione per taglio.

La forza di distacco delle lamine Cu/Al/Cu con o senza strato intermedio di SUS304 è stata misurata sotto diverse riduzioni di laminazione. Si è osservato che la forza di distacco aumentava con l'aumento della riduzione di laminazione. Quando la riduzione di laminazione era relativamente bassa, pari al 50%, sia le lamine con SUS304 (W-50%) che quelle senza SUS304 (WO-50%) mostravano una forza di distacco quasi pari a zero, indicando che i metalli dissimili non erano ben legati. Con una riduzione di laminazione del 70%, le curve di forza di distacco delle lamine con e senza strato intermedio di SUS304 cominciavano a divergere notevolmente. Per le lamine con SUS304 (W-70%), la forza di distacco raggiungeva un picco di circa 15,5 N/mm, che era cinque volte superiore a quella delle lamine senza SUS304 (WO-70%).

Con una riduzione di laminazione del 80%, la forza di distacco delle lamine senza SUS304 (WO-80%) raggiungeva i 8,3 N/mm, mentre quella delle lamine con SUS304 (W-80%) saliva a 17,8 N/mm. La forza di adesione più elevata nelle lamine con SUS304 è attribuita all'introduzione di un'interfaccia che aumenta la coesione tra i metalli dissimili e alla deformazione per taglio che aiuta a migliorare la compatibilità tra le diverse proprietà meccaniche del rame e dell'alluminio.

Le immagini della microstruttura delle lamine Cu/Al/Cu, sia con che senza strato intermedio di SUS304, hanno rivelato differenze significative. Nelle lamine senza SUS304, la superficie di distacco mostrava una interfaccia dritta e continua senza crepe né vuoti, anche con l'aumento della riduzione di laminazione. Invece, nelle lamine con strato intermedio di SUS304, il foglio di SUS304 si rompeva in piccoli frammenti, che si distribuivano in modo discreto lungo l'interfaccia Cu/Al. Questa frattura dei frammenti di SUS304 è dovuta alla limitata deformabilità del materiale durante il processo di laminazione, ma i frammenti sono riusciti comunque a migliorare l'adesione tra i metalli dissimili.

La variazione dello spessore dell'interlayer SUS304 in funzione della riduzione di laminazione ha mostrato che, inizialmente, lo spessore dell'interlayer diminuiva solo leggermente, senza influenzare in modo significativo la forza di adesione. Tuttavia, quando la riduzione di laminazione raggiungeva il 70% e l'80%, lo spessore dell'interlayer diminuiva drasticamente, portando a un aumento notevole della forza di adesione delle lamine. Il comportamento di deformazione per taglio, che include un'inclinazione variabile degli angoli di taglio vicino ai lati del rame (φ1) e dell'alluminio (φ2), mostrava che l'aumento della riduzione di laminazione contribuiva ad una deformazione più uniforme, favorendo una migliore adesione tra i materiali.

Le superfici di distacco osservate dopo vari gradi di riduzione di laminazione hanno rivelato che i frammenti di SUS304 tendono a spezzarsi perpendicolarmente alla direzione di laminazione, con un incremento del numero di frammenti e della loro lunghezza con l'aumentare della riduzione di laminazione. Questo fenomeno contribuisce alla localizzazione della deformazione e alla concentrazione di sforzi, che, a sua volta, rafforza ulteriormente il legame tra il rame e l'alluminio.

Il legame tra la curva di forza di distacco e la morfologia della superficie di distacco ha mostrato che i picchi di forza corrispondevano a zone dove i frammenti di SUS304 si trovavano più vicini al bordo dell'interfaccia, mentre le valli di forza corrispondevano a zone di contatto diretto tra rame e alluminio. Questo comportamento è indicativo della distribuzione e della frammentazione dei frammenti di SUS304 nelle lamine, che contribuisce alla resistenza complessiva alla separazione delle lamine stesse.

Le applicazioni future dei compositi metallici ad alte prestazioni: sfide e prospettive

I compositi metallici ad alte prestazioni, realizzati grazie a tecniche avanzate di lavorazione, stanno emergendo come una delle soluzioni più promettenti per soddisfare le crescenti esigenze di vari settori industriali. In un contesto di rapidi sviluppi tecnologici, la domanda di materiali che combinano alte prestazioni, leggerezza, resistenza e durata è in costante aumento, soprattutto nei settori aerospaziale, della difesa, delle infrastrutture energetiche e dei veicoli ad alte prestazioni. Le sfide legate alla costruzione di attrezzature di alta gamma, come quelle nel campo della difesa, dell’esplorazione spaziale, della ricerca sottomarina e dei veicoli a propulsione alternativa, richiedono materiali sempre più specializzati e innovativi, capaci di rispondere a requisiti sempre più severi.

In particolare, l'introduzione di compositi metallici che combinano metalli ad alta resistenza con altre particelle o fasi di materiali avanzati rappresenta una via fondamentale per la produzione di componenti che devono resistere a condizioni estreme di temperatura, pressione e sollecitazioni meccaniche. La loro capacità di resistere a sollecitazioni continue senza compromettere la leggerezza e la durabilità è alla base del loro crescente utilizzo.

Nel settore aerospaziale e aeronautico, l'adozione di materiali compositi è stata una delle innovazioni più significative degli ultimi decenni. La transizione dai materiali metallici tradizionali a quelli compositi ha permesso un significativo alleggerimento delle strutture, riducendo fino al 40% il peso dei velivoli, con una conseguente diminuzione dei costi strutturali tra il 15% e il 30%. Questo ha avuto un impatto notevole sull’efficienza e sulla capacità di carico dei velivoli militari e commerciali, oltre ad aumentare la loro durata operativa. La continua evoluzione di aerei da combattimento, come quelli di quinta generazione, ha portato all’introduzione di materiali compositi metallici leggeri e resistenti per applicazioni come i rivestimenti protettivi dei satelliti e i componenti strutturali dei velivoli militari, come le code e i serbatoi di stoccaggio delle navette spaziali. In futuro, le leghe di Ti/Al potrebbero sostituire le leghe tradizionali di alluminio e titanio in alcune di queste applicazioni critiche, in quanto offrono proprietà migliori in termini di resistenza alle alte temperature e resistenza al ghiaccio.

Allo stesso modo, nel settore della difesa, i compositi metallici svolgono un ruolo cruciale nella protezione balistica. La capacità di questi materiali di resistere agli impatti e alle forze di alta velocità li rende ideali per applicazioni in armature, veicoli blindati e altre strutture protettive, dove l’equilibrio tra resistenza e peso è fondamentale. I progressi tecnologici che permettono di ottenere materiali con resistenza al danno, resistenza alla fatica e durabilità superiore sono essenziali per migliorare le prestazioni dei veicoli militari e delle attrezzature da combattimento.

Nel settore delle energie rinnovabili e dello stoccaggio dell’energia, i compositi metallici si stanno rivelando fondamentali per l'ottimizzazione di attrezzature come i contenitori per il trasporto di prodotti chimici e i dispositivi di accumulo. L’elevata resistenza alla corrosione e la capacità di mantenere alte prestazioni anche in ambienti difficili, come quelli subacquei, sono alcune delle caratteristiche che rendono questi materiali ideali per l'industria energetica. Le soluzioni composite stanno anche guadagnando terreno nella costruzione di infrastrutture per l’energia, in particolare nelle applicazioni offshore, dove è necessario un materiale che combini resistenza alle condizioni ambientali avverse e durata nel tempo.

Un’altra area di grande interesse riguarda la produzione di treni ad alta velocità. I compositi metallici sono fondamentali per la costruzione di strutture leggere ma resistenti, capaci di supportare le elevate sollecitazioni meccaniche a cui sono sottoposti i treni durante il movimento. La loro capacità di ridurre il peso senza compromettere la robustezza è cruciale per il miglioramento delle performance energetiche dei veicoli e per la sicurezza dei passeggeri.

In generale, la capacità di questi nuovi materiali di combinare caratteristiche di alta resistenza, leggerezza, durata, resistenza agli urti e costo relativamente contenuto li rende ideali per un’ampia gamma di applicazioni industriali. Tuttavia, la loro adozione su larga scala richiede non solo il miglioramento dei processi di fabbricazione, ma anche una comprensione approfondita dei meccanismi di interazione tra i diversi componenti del materiale. È fondamentale che la progettazione di tali materiali tenga conto delle variabili fisiche, chimiche e meccaniche coinvolte, al fine di ottimizzare le performance per specifiche applicazioni. Con il continuo perfezionamento delle tecnologie di lavorazione, come la laminazione asimmetrica e il trattamento criogenico, i compositi metallici ad alte prestazioni sono destinati a rivoluzionare ulteriormente molteplici settori industriali.

Come la deformazione per taglio migliora la forza di legame nei laminati Cu/Al/Cu con interstrato SUS304

Nel contesto della progettazione di laminati a più strati come i Cu/Al/Cu con interstrato SUS304, un aspetto fondamentale è la comprensione dei meccanismi di deformazione e di come questi influenzano la resistenza al legame tra i metalli dissimili. In particolare, la deformazione per taglio, che si verifica tra i diversi strati del laminato, gioca un ruolo cruciale nel determinare la qualità e la resistenza finale del materiale composito.

In campioni con una concentrazione dell'80% di W, è stato osservato che la zona di deformazione per taglio tra l'interstrato SUS304 e i metalli matrice (Cu e Al) presentava grani relativamente grossi e un basso livello di deformazione. Questi grani grossi non solo indicano la deformazione per taglio tra i vari strati del laminato, ma suggeriscono anche una capacità residua di indurimento da deformazione, che potrebbe migliorare la deformabilità dei laminati Cu/Al/Cu. La presenza di bande di taglio distribuite lungo i bordi dei frammenti di SUS304 ha contribuito al cambiamento del comportamento di deformazione da uniforme a localizzato, con conseguente affinamento dei grani, il che è benefico per la forza di legame.

Le bande di taglio generano una modifica significativa nella direzione del flusso metallico, specialmente nelle zone di interfaccia Cu/SUS304 e Al/SUS304. Queste deformazioni per taglio non solo favoriscono la formazione di strati di indurimento da deformazione, ma giocano anche un ruolo importante nella chiusura dei vuoti e nell’aumento dell'energia di legame tra gli atomi dissimili dei metalli. In effetti, l'energia di legame all'interfaccia aumenta con l'intensificarsi della deformazione per taglio, come descritto dall’equazione (2.23), che mostra come l'energia potenziale all'interfaccia cresca con l’aumento della deformazione. La resistenza totale al legame dei laminati Cu/Al/Cu con interstrato SUS304 può essere descritta attraverso una serie di parametri che tengono conto sia della deformazione per taglio che della diffusione atomica tra i metalli, come indicato nell'equazione (2.24).

Questa analisi microstrutturale suggerisce che la deformazione per taglio non solo contribuisce a migliorare la resistenza meccanica dei laminati, ma ha anche un impatto significativo sul miglioramento della resistenza al peeling e sulla capacità di legame tra i metalli a livello atomico. La presenza dell’interstrato SUS304 influisce direttamente sulla riduzione della formazione di composti intermetallici (IMCs) nelle interfacce tra Cu e Al, impedendo così la propagazione dei difetti che potrebbero compromettere la resistenza complessiva del laminato.

Inoltre, è stato osservato che l'area di legame nei campioni con interstrato SUS304 è significativamente maggiore rispetto ai campioni senza interstrato, suggerendo che la presenza di SUS304 e la deformazione per taglio giocano un ruolo cruciale nell’aumentare la forza di legame. La riduzione dell’area di legame con l’aumento della riduzione di laminazione (70%) è dovuta all’allargamento dello spazio tra i frammenti di SUS304, il che porta ad un maggiore effetto di sgancio meccanico. Tuttavia, la formazione di uno strato di indurimento da deformazione rimane sostanzialmente invariata anche se l’interstrato è di spessore limitato.

Un altro fattore importante riguarda l’effetto dell’annealing (ricottura) sui laminati Cu/Al/Cu con interstrato SUS304. La temperatura di ricottura ha un impatto significativo sia sulle proprietà meccaniche che sulla microstruttura degli interfacce. In particolare, l’analisi delle curve di trazione ha mostrato una diminuzione della resistenza a trazione e un aumento della deformazione al momento della rottura all’aumentare della temperatura di ricottura. A temperature di ricottura più alte, come 400°C, la resistenza al peeling diminuisce drasticamente, suggerendo che l’alta temperatura può danneggiare la coesione del legame tra gli strati del laminato. Tuttavia, le interfacce tra Cu e Al non mostrano la formazione di IMCs fino a temperature elevate (300°C e 400°C), indicando che l'interstrato SUS304 impedisce la formazione di questi composti intermetallici, che potrebbero altrimenti compromettere la qualità del legame tra i metalli.

In sintesi, la combinazione di deformazione per taglio e la gestione dell'annealing sono determinanti nel migliorare la forza di legame nei laminati Cu/Al/Cu con interstrato SUS304. Il controllo dei parametri di laminazione, della temperatura di ricottura e della composizione dell'interstrato gioca un ruolo chiave nel garantire che questi laminati possiedano le proprietà meccaniche desiderate, in particolare per applicazioni in cui è richiesta una resistenza meccanica elevata e una buona durabilità a lungo termine.

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