Progetto di fine corsoProgetto di fine corso

CARATTERISTICHE CARATTERISTICHE DELL’ALLUMINIO A DELL’ALLUMINIO A GRANO ULTRAFINEGRANO ULTRAFINE

Insegnamento di MATERIALI,

prof.ssa E. Gariboldi

CARATTERISTICHE DEI METALLI CARATTERISTICHE DEI METALLI A GRANO ULTRAFINEA GRANO ULTRAFINE

DIMENSIONE DEL GRANO INFERIORE A 1DIMENSIONE DEL GRANO INFERIORE A 1µmµm

OTTIME CARATTERISTICHE MECCANICHEOTTIME CARATTERISTICHE MECCANICHE

AFFINAMENTO DEL GRANO TRAMITE AFFINAMENTO DEL GRANO TRAMITE DEFORMAZIONE PLASTICA SPINTA (SPD)DEFORMAZIONE PLASTICA SPINTA (SPD)

Equal-channel angular pressingEqual-channel angular pressing

Pressatura del Pressatura del provino entro due provino entro due canali angolati di canali angolati di diametro calibrato: diametro calibrato: si generano intensi si generano intensi sforzi di taglio sforzi di taglio ττ, , senza altre senza altre componenticomponenti

Deformazione impressa Deformazione impressa εεÈ funzione degli È funzione degli angoli caratteristici angoli caratteristici e del numero di e del numero di passaggi attraverso passaggi attraverso lo stampo lo stampo

22

cos22

cot23

ecN

N

Condotta dell’ ECAP: Condotta dell’ ECAP: RoutesRoutes

A seconda del percorso seguito durante la lavorazione cambiano le caratteristiche finali

Condotta dell’ ECAP: Condotta dell’ ECAP: parametri di parametri di processoprocesso

angoli caratteristici: determinano la angoli caratteristici: determinano la deformazione totale impressa per ogni deformazione totale impressa per ogni passaggio;passaggio;

Velocità di deformazione: Velocità di deformazione: determina il riscaldamento del pezzodetermina il riscaldamento del pezzoa bassa velocità si ottiene una struttura più a bassa velocità si ottiene una struttura più equilibrata;equilibrata;

Temperatura: diminuisce il carico da applicare Temperatura: diminuisce il carico da applicare ma gioca a sfavore della creazione di sottograni;ma gioca a sfavore della creazione di sottograni;

Meccanismo di affinamento del Meccanismo di affinamento del granograno

La deformazione plastica provoca il La deformazione plastica provoca il moto delle dislocazioni;moto delle dislocazioni;

Le dislocazioni si dispongono in modo Le dislocazioni si dispongono in modo da inclinare tra loro piani cristallini da inclinare tra loro piani cristallini adiacenti;adiacenti;

Evoluzione della microstrutturaEvoluzione della microstruttura

la struttura microscopica che si ottiene la struttura microscopica che si ottiene dipende:dipende:Dalla deformazione totale imposta;Dalla deformazione totale imposta;Dalla Dalla routeroute seguita per processare il provino seguita per processare il provino

Con tecniche di microscopia elettronica si Con tecniche di microscopia elettronica si misurano:misurano:Dimensioni dei sottograniDimensioni dei sottograniAngolazione tra i piani cristallini di due Angolazione tra i piani cristallini di due sottograni adiacentisottograni adiacenti

Evoluzione della microstrutturaEvoluzione della microstruttura

L’obiettivo è ottenere sottograni L’obiettivo è ottenere sottograni molto piccoli (<1molto piccoli (<1µm) e µm) e fortementefortemente inclinati fra loroinclinati fra loro

L’inclinazione si misura con il L’inclinazione si misura con il parametro Lparametro LAAA

NLA

15

Soglia inferiore: 1.5°Soglia inferiore: 1.5°

Prove sperimentaliProve sperimentali

Materiale : Al 1050Materiale : Al 1050

Dimensioni iniziali del grano 50 Dimensioni iniziali del grano 50 µmµm

Trattamento ECAP Trattamento ECAP ΦΦ=90°, =90°, ΨΨ=0°=0°temperatura ambientetemperatura ambiente

Route Route BcBc

Studio della struttura tramite EBSPStudio della struttura tramite EBSP

Evoluzione della microstrutturaEvoluzione della microstruttura

1 passaggio: forte 1 passaggio: forte anisotropia, anisotropia, bassa densità di bassa densità di HAGBHAGB

2 passaggi: minore 2 passaggi: minore anisotropia, anisotropia, densità di HAGB di densità di HAGB di poco più elevatapoco più elevata

Evoluzione della microstrutturaEvoluzione della microstruttura

4 passaggio: grani 4 passaggio: grani equiassici ma equiassici ma rimane una forte rimane una forte eterogeneitàeterogeneità

10 passaggi: alta 10 passaggi: alta densità di HAGB, densità di HAGB, eterogeneità eterogeneità residuaresidua

Evoluzione della microstrutturaEvoluzione della microstruttura

Andamento del parametro LAndamento del parametro LAA Andamento della densità della Andamento della densità della strutturastruttura

Effetto della presenza di precipitatiEffetto della presenza di precipitati

Prove sperimentali con lega Al 8079 Prove sperimentali con lega Al 8079 (1.3% Fe, 0.09 Si)(1.3% Fe, 0.09 Si)

Stato iniziale: ricottoStato iniziale: ricottoPresenza di precipitati AlPresenza di precipitati Al1313FeFe44

Trattamento ECAE a T ambiente, Trattamento ECAE a T ambiente, ΦΦ=120°=120°

Confronto con lega Al-MgConfronto con lega Al-Mg

Risultati sperimentali: durezzaRisultati sperimentali: durezza

La durezza della lega Al-Fe aumenta più La durezza della lega Al-Fe aumenta più velocemente e raggiunge un valore stabile dopo velocemente e raggiunge un valore stabile dopo pochi passaggi;pochi passaggi;

La lega Al-Mg non ha un simile andamento La lega Al-Mg non ha un simile andamento asintoticoasintotico

Risultati sperimentali: Risultati sperimentali: microstrutturamicrostruttura

4 passaggi: la lega 4 passaggi: la lega Al-Fe mostra già Al-Fe mostra già una buona densità una buona densità di HAGB, di HAGB, totalmente assenti totalmente assenti nella lega Al-Mgnella lega Al-Mg10 passaggi: le 10 passaggi: le strutture delle due strutture delle due leghe si leghe si equivalgono, sono equivalgono, sono molto diminuiti i molto diminuiti i LAGBLAGB

Effetto dei precipitati: conclusioniEffetto dei precipitati: conclusioni

La presenza di precipitati migliora La presenza di precipitati migliora l’efficacia del trattamento;l’efficacia del trattamento;

Non si raggiungono caratteristiche Non si raggiungono caratteristiche superiori dopo un alto numero di superiori dopo un alto numero di passaggipassaggi

La lega Al-Fe raggiunge buone La lega Al-Fe raggiunge buone caratteristiche microstrutturali già caratteristiche microstrutturali già dopo pochi passaggi.dopo pochi passaggi.

Lega Al-3MgLega Al-3Mg

Ottenimento della legaOttenimento della legaLega Al-3Mg ottenuta per fusioneLega Al-3Mg ottenuta per fusione

2 tipi di strutture ottenute con procedure 2 tipi di strutture ottenute con procedure differentidifferenti

Omogeneizzata a 500°C e raffreddata in aria: Omogeneizzata a 500°C e raffreddata in aria: Al-Al-3Mg soluzionato3Mg soluzionato

Raffreddata in forno con mantenimenti tra 300 e Raffreddata in forno con mantenimenti tra 300 e 150 °C: 150 °C: Al-3Mg precipitatoAl-3Mg precipitato

Prova di compressioneProva di compressione

Curve di compressione della lega Al-3MgCurve di compressione della lega Al-3Mg

2 materiali differenti: 2 materiali differenti: 1.Deformato attraverso procedura ECAP

2.Ricotto dopo procedura ECAP

Risultati sperimentaliRisultati sperimentali

Materiale appena deformato ha grani allungati Materiale appena deformato ha grani allungati inferiori al micron con un elevato valore di inferiori al micron con un elevato valore di snervamentosnervamento

Con ricottura a 150°C si ha un dimezzamento della Con ricottura a 150°C si ha un dimezzamento della lunghezza dei granilunghezza dei grani

Con ricottura ad elevate temperature (250°C) Con ricottura ad elevate temperature (250°C) ingrossamento del grano e forte diminuzione del ingrossamento del grano e forte diminuzione del carico di snervamento, elevati periodi a 250°C carico di snervamento, elevati periodi a 250°C portano il materiale alla ricristallizzazioneportano il materiale alla ricristallizzazione

Durezza e snervamento in funzione della temperatura di ricottura e del tempo con il quale la lega viene trattata

La ricottura porta ad una perdita di dislocazioni con conseguente perdita di resistenza

All’aumentare della temperatura aumenta l’incrudimento per la diminuzione di dislocazioni libere di muoversi

Fenomeno del dynamic strain aging in funzione della temperatura di ricottura

ConclusioniConclusioni

   Nessuna differenza meccanica tra Al-3Mg

soluzionato e quello precipitato La lega deformata con ECAP ha valori di

snervamento molto più elevati (392 Mpa) rispetto ad una normalmente ricotta (80 Mpa)

Ricottura dopo ECAP provoca un abbassamento dei valori meccanici della lega

Con ECAP i soluti e i precipitati di Mg bloccano un notevole numero di dislocazioni libere

Ad elevate temperature gran parte delle dislocazioni vengono rimosse e si provoca una parziale ricristallizzazione dell’alluminio che annulla gli effetti del trattamento ECAP.

Lega Al-5FeLega Al-5Fe

Procedura sperimentaleProcedura sperimentale

Ecap tramite Route BEcap tramite Route Bcc

applicazione di una applicazione di una contropressione nel ramo contropressione nel ramo secondariosecondario

temperatura ambientetemperatura ambiente

=90° =90° =0°=0°

Velocità di passaggio Velocità di passaggio nello stampo 2 mm/snello stampo 2 mm/s

Caratteristiche della Caratteristiche della microstrutturamicrostruttura

Frammentazione Frammentazione dell’Aldell’Al1313FeFe44 primario primario

Particelle più piccole Particelle più piccole uniformiuniformi

Matrice metallica Matrice metallica duttile e fase duttile e fase intermetallica intermetallica distribuitadistribuita

Grandezza media del granoGrandezza media del grano

Caratteristiche meccanicheCaratteristiche meccanichemicrodurezzamicrodurezza

Incremento della Incremento della durezza fino al passo durezza fino al passo 22

Successiva stabilitàSuccessiva stabilità

Diminuzione della Diminuzione della durezza all’aumentare durezza all’aumentare della contropressione della contropressione (aumento duttilità)(aumento duttilità)

Caratteristiche meccanicheCaratteristiche meccanicheproprietà tensiliproprietà tensili

Aumento della resistenza del 200%Aumento della resistenza del 200%

Aumento della duttilità del 100%Aumento della duttilità del 100%

Leggera anisotropiaLeggera anisotropia

Grafici della prova di trazioneGrafici della prova di trazione

Stabilità termica ed effetto Stabilità termica ed effetto dell’invecchiamentodell’invecchiamento

Stabilità termica fino a Stabilità termica fino a 250°C250°C

Massima durezza per Massima durezza per un invecchiamento a un invecchiamento a 175°C175°C

Tempo minimo di Tempo minimo di invecchiamento invecchiamento un’ora un’ora

ConclusioniConclusioniLa lega non può subire ECAP senza contropressione La lega non può subire ECAP senza contropressione di almeno 275 Mpa.di almeno 275 Mpa.La struttura subisce una raffinazione, che porta la La struttura subisce una raffinazione, che porta la grandezza media del grano della matrice base a 325 grandezza media del grano della matrice base a 325 nm e quella delle particelle di seconda fase a meno nm e quella delle particelle di seconda fase a meno di 10 μm.di 10 μm.Si ha una soluzione solida supersatura nella matrice Si ha una soluzione solida supersatura nella matrice d’alluminio con fino allo 0.6% di ferro, che permette d’alluminio con fino allo 0.6% di ferro, che permette l’invecchiamento.l’invecchiamento.Si ottiene un incremento di tutte le caratteristiche Si ottiene un incremento di tutte le caratteristiche tensili.tensili.La lega è termicamente stabile fino a 250 °C.La lega è termicamente stabile fino a 250 °C.

Lega Al 2024Lega Al 2024

Procedura sperimentaleProcedura sperimentale

Materiale : Al 2024Materiale : Al 2024

Solubilizzazione della lega a 773 K per Solubilizzazione della lega a 773 K per 12 h12 h

Raffreddamento rapido in acquaRaffreddamento rapido in acqua

Trattamento ECAP Trattamento ECAP ΦΦ=90°, =90°, ΨΨ=30°=30°temperatura 433 K, temperatura 433 K, Route Route BcBc

Invecchiamento a 373 e 448 KInvecchiamento a 373 e 448 K

Valutazione delle caratteristiche Valutazione delle caratteristiche meccanichemeccaniche

Risultati sperimentali: durezzaRisultati sperimentali: durezza

Processando la lega tramite ECAP si raggiungono valori di Processando la lega tramite ECAP si raggiungono valori di durezza che sono circa il 70% in più rispetto al materiale non durezza che sono circa il 70% in più rispetto al materiale non pressatopressato

A seconda della temperatura di invecchiamento si notano A seconda della temperatura di invecchiamento si notano comportamenti diversicomportamenti diversi

L’elevata densità di dislocazioni presente nel materiale gioca L’elevata densità di dislocazioni presente nel materiale gioca un ruolo fondamentaleun ruolo fondamentale

Risultati sperimentali:Risultati sperimentali:prova di trazioneprova di trazione

In tabella sono In tabella sono riassunti i risultati riassunti i risultati ottenuti per tutte ottenuti per tutte le leghe oggetto di le leghe oggetto di questo studio.questo studio.

E’ da notare il E’ da notare il notevole notevole incremento del incremento del carico di carico di snervamento e di snervamento e di rottura della lega rottura della lega processata tramite processata tramite ECAPECAP

ConclusioniConclusioni

Eseguendo la seguente serie di passaggi:Eseguendo la seguente serie di passaggi:

solubilizzazione della lega a 773 K per 12 hsolubilizzazione della lega a 773 K per 12 hraffreddamento rapido in acquaraffreddamento rapido in acquapressatura tramite ECAP a 433 Kpressatura tramite ECAP a 433 Kinvecchiamento artificiale a 373 Kinvecchiamento artificiale a 373 K

il carico di snervamento e di rottura raggiungono valori pari a 630 e 710 il carico di snervamento e di rottura raggiungono valori pari a 630 e 710 Mpa.Mpa.

Ciò è dovuto sostanzialmente all’alta densità di dislocazioni accumulata nelCiò è dovuto sostanzialmente all’alta densità di dislocazioni accumulata nelmateriale solubilizzato e alla presenza di precipitati finemente dispersi nellamateriale solubilizzato e alla presenza di precipitati finemente dispersi nellalega invecchiata.lega invecchiata.In aggiunta all’aumento delle caratteristiche meccaniche di questi campioni In aggiunta all’aumento delle caratteristiche meccaniche di questi campioni si è riusciti anche a mantenere un moderato livello di duttilità. si è riusciti anche a mantenere un moderato livello di duttilità.   

In conclusioneIn conclusione

Il trattamento ECAP è efficace per Il trattamento ECAP è efficace per aumentare la resistenza delle più comuni aumentare la resistenza delle più comuni leghe di alluminioleghe di alluminio

Nonostante un aumento di resistenza, Nonostante un aumento di resistenza, resta alta la duttilità del materialeresta alta la duttilità del materiale

L’Ecap è il trattamento che mostra più L’Ecap è il trattamento che mostra più prospettive di utilizzo industrialeprospettive di utilizzo industriale