Insegnamento di
MATERIALI,
prof.ssa E. Gariboldi
Progetto di fine corso
CARATTERISTICHE
DELL’ALLUMINIO A GRANO
ULTRAFINE
CARATTERISTICHE DEI METALLI
A GRANO ULTRAFINE
DIMENSIONE DEL GRANO INFERIORE A 1µm
OTTIME CARATTERISTICHE MECCANICHE
AFFINAMENTO DEL GRANO TRAMITE
DEFORMAZIONE PLASTICA SPINTA (SPD)
Equal-channel angular pressing
Pressatura del provino entro
due canali angolati di
diametro calibrato: si
generano intensi sforzi di
taglio τ, senza altre
componenti
Deformazione impressa ε
È funzione degli angoli
caratteristici e del numero di
passaggi attraverso lo
stampo
N 
N 
 
   
 2 cot      cos ec   
3
2 2
 2 2 
Condotta dell’ ECAP: Routes
A seconda del percorso seguito
durante la lavorazione cambiano
le caratteristiche finali
Condotta dell’ ECAP: parametri di
processo
angoli caratteristici: determinano la
deformazione totale impressa per ogni
passaggio;
Velocità di deformazione:
determina il riscaldamento del pezzo
a bassa velocità si ottiene una struttura più
equilibrata;
Temperatura: diminuisce il carico da applicare
ma gioca a sfavore della creazione di sottograni;
Meccanismo di affinamento del
grano
La deformazione plastica provoca il moto delle
dislocazioni;
Le dislocazioni si dispongono in modo da inclinare tra
loro piani cristallini adiacenti;
Evoluzione della microstruttura
la struttura microscopica che si ottiene dipende:
Dalla deformazione totale imposta;
Dalla route seguita per processare il provino
Con tecniche di microscopia elettronica si misurano:
Dimensioni dei sottograni
Angolazione tra i piani cristallini di due sottograni
adiacenti
Evoluzione della microstruttura
L’obiettivo è ottenere sottograni molto piccoli (<1µm) e
fortemente inclinati fra loro
L’inclinazione si misura con il parametro LA
N 15  
LA 
A
Soglia inferiore: 1.5°
Prove sperimentali
Materiale : Al 1050
Dimensioni iniziali del grano 50 µm
Trattamento ECAP Φ=90°, Ψ=0°
temperatura ambiente
Route Bc
Studio della struttura tramite EBSP
Evoluzione della microstruttura
1 passaggio: forte
anisotropia, bassa
densità di HAGB
2 passaggi: minore
anisotropia, densità di
HAGB di poco più
elevata
Evoluzione della microstruttura
4 passaggio: grani
10 passaggi: alta
equiassici ma rimane
densità di HAGB,
una forte
eterogeneità residua
eterogeneità
Evoluzione della microstruttura
Andamento del parametro LA
Andamento della densità della
struttura
Effetto della presenza di precipitati
Prove sperimentali con lega Al 8079
(1.3% Fe, 0.09 Si)
Stato iniziale: ricotto
Presenza di precipitati Al13Fe4
Trattamento ECAE a T ambiente, Φ=120°
Confronto con lega Al-Mg
Risultati sperimentali: durezza
La durezza della lega Al-Fe aumenta più velocemente e raggiunge un valore
stabile dopo pochi passaggi;
La lega Al-Mg non ha un simile andamento asintotico
Risultati sperimentali:
microstruttura
4 passaggi: la lega Al-Fe
mostra già una buona
densità di HAGB, totalmente
assenti nella lega Al-Mg
10 passaggi: le strutture
delle due leghe si
equivalgono, sono molto
diminuiti i LAGB
Effetto dei precipitati: conclusioni
La presenza di precipitati migliora l’efficacia del
trattamento;
Non si raggiungono caratteristiche superiori dopo
un alto numero di passaggi
La lega Al-Fe raggiunge buone caratteristiche
microstrutturali già dopo pochi passaggi.
Lega Al-3Mg
Ottenimento della lega
Lega Al-3Mg ottenuta per fusione
2 tipi di strutture ottenute con procedure differenti
Omogeneizzata a 500°C e raffreddata in aria: Al-3Mg
soluzionato
Raffreddata in forno con mantenimenti tra 300 e 150 °C: Al-3Mg
precipitato
Prova di compressione
Curve di compressione della lega Al-3Mg
2 materiali differenti: 1. Deformato attraverso procedura ECAP
2. Ricotto dopo procedura ECAP
Risultati sperimentali
Materiale appena deformato ha grani allungati inferiori al micron con un
elevato valore di snervamento
Con ricottura a 150°C si ha un dimezzamento della lunghezza dei grani
Con ricottura ad elevate temperature (250°C) ingrossamento del grano e forte
diminuzione del carico di snervamento, elevati periodi a 250°C portano 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
Conclusioni
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-5Fe
Procedura sperimentale
Ecap tramite Route Bc
applicazione di una
contropressione nel ramo
secondario
temperatura ambiente
=90° =0°
Velocità di passaggio
nello stampo 2 mm/s
Caratteristiche della
microstruttura
Frammentazione
dell’Al13Fe4 primario
Particelle più piccole
uniformi
Matrice metallica
duttile e fase
intermetallica
distribuita
Grandezza media del grano
Caratteristiche meccaniche
microdurezza
Incremento della
durezza fino al passo
2
Successiva stabilità
Diminuzione della
durezza all’aumentare
della contropressione
(aumento duttilità)
Caratteristiche meccaniche
proprietà tensili
Aumento della resistenza del 200%
Aumento della duttilità del 100%
Leggera anisotropia
Grafici della prova di trazione
Stabilità termica ed effetto
dell’invecchiamento
Stabilità termica fino a
250°C
Massima durezza per
un invecchiamento a
175°C
Tempo minimo di
invecchiamento
un’ora
Conclusioni
La lega non può subire ECAP senza
contropressione di almeno 275 Mpa.
La struttura subisce una raffinazione, che porta
la grandezza media del grano della matrice base
a 325 nm e quella delle particelle di seconda
fase a meno di 10 μm.
Si ha una soluzione solida supersatura nella
matrice d’alluminio con fino allo 0.6% di ferro,
che permette l’invecchiamento.
Si ottiene un incremento di tutte le caratteristiche
tensili.
La lega è termicamente stabile fino a 250 °C.
Lega Al 2024
Procedura sperimentale
Materiale : Al 2024
Solubilizzazione della lega a 773 K per 12 h
Raffreddamento rapido in acqua
Trattamento ECAP Φ=90°, Ψ=30°
temperatura 433 K, Route Bc
Invecchiamento a 373 e 448 K
Valutazione delle caratteristiche meccaniche
Risultati sperimentali: durezza
Processando la lega tramite ECAP si raggiungono valori di durezza che sono circa il 70%
in più rispetto al materiale non pressato
A seconda della temperatura di invecchiamento si notano comportamenti diversi
L’elevata densità di dislocazioni presente nel materiale gioca un ruolo fondamentale
Risultati sperimentali:
prova di trazione
In tabella sono riassunti i
risultati ottenuti per tutte le
leghe oggetto di questo
studio.
E’ da notare il notevole
incremento del carico di
snervamento e di rottura
della lega processata tramite
ECAP
Conclusioni
Eseguendo la seguente serie di passaggi:
solubilizzazione della lega a 773 K per 12 h
raffreddamento rapido in acqua
pressatura tramite ECAP a 433 K
invecchiamento artificiale a 373 K
il carico di snervamento e di rottura raggiungono valori pari a 630 e 710 Mpa.
Ciò è dovuto sostanzialmente all’alta densità di dislocazioni accumulata nel
materiale solubilizzato e alla presenza di precipitati finemente dispersi nella
lega invecchiata.
In aggiunta all’aumento delle caratteristiche meccaniche di questi campioni
si è riusciti anche a mantenere un moderato livello di duttilità.
In conclusione
Il trattamento ECAP è efficace per
aumentare la resistenza delle più comuni
leghe di alluminio
Nonostante un aumento di resistenza,
resta alta la duttilità del materiale
L’Ecap è il trattamento che mostra più
prospettive di utilizzo industriale