L’ALLUMINIO
L’alluminio e le sue leghe.
L'alluminio è un metallo che cristallizza nel sistema CFC. La cella elementare ha uno spigolo che misura
a0=4,0495 Å. L'alluminio è un metallo leggero che ha una densità di 2.698 Kg/m3. In figura 1 si riporta il
coefficiente lineare di espansione termica, mentre in figura 3 sia riporta la conducibilità termica di alluminio
a elevata purezza dell'intervallo di temperatura tra –273,15 e 900° C. Altra importante caratteristica
dell'alluminio è la sua conducibilità elettrica, i cui valori sono visibili in figura 4.
Un'altra importante caratteristica per cui l'alluminio ha notevoli applicazioni è per la sua riflettanza. In tabella
13 sono riportati alcuni valori in funzione della metodologia di applicazione di un sottile strato di alluminio su
supporto.
La temperatura di fusione dell'alluminio è 660° C ±1. L'effetto dell'innalzamento di pressione sulla
temperatura di fusione è visualizzato nella tabella 1.
I valori di viscosità dell'alluminio liquido, calcolati e osservati, sono riportati in tabella 2.
Pressione [Kilobar] Temperatura di fusione [°C]
690
5
720
10
780
20
830
30
880
40
Tabella 1: Valori della temperatura di fusione in funzione della pressione applicata al sistema.
Temperatura [°C] Viscosità osservata [poise] Viscosità calcolata [poise]
662
0.01379
0.01379
669
0.01364
0.01362
689
0.01317
0.01317
718
0.01250
0.01254
768
0.01175
0.01162
806
0.01102
0.01102
833
0.01058
0.01063
Tabella 2: Valori di viscosità osservata e calcolata alle differenti temperature del liquido.
Caratteristiche meccaniche.
Le caratteristiche meccaniche dell'alluminio ad elevata purezza non sono state analizzate a fondo e si
hanno pochi dati. Alcuni valori sono riportati in tabella 3. Si osserva come, aumentando la purezza,
diminuisca la tensione di snervamento del materiale, come anche la resistenza massima a rottura; aumenta
invece l'allungamento a rottura. Il modulo di Young E per l'alluminio al 99,996% è stato valutato essere di
63 GPa a temperatura ambiente.
Purezza
[%]
Tensione di
snervamento
0,1 %L 0 [MPa]
Tensione di
snervamento
0,2 %L 0 [MPa]
Tensione di Durezza
rottura
Brinell
[MPa]
99.99
27
58
118-129
12-16
99.8
55
65
158-163
19
99.7
68
172
99.6
73
181
19
99.5
73
181
18-25
Tabella 3: Proprietà meccaniche dell’alluminio puro a temperatura ambiente.
Allungamento
[% in 5,04 mm]
50-65
45-55
43
45
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Costituzione delle leghe.
Non si conoscono elementi che abbiano
una completa miscibilità nell'alluminio in
soluzione solida. Tra tutti gli elementi, lo
zinco ha la più grande solubilità in fase
solida nell'alluminio ad un massimo di
66,4% at.. Tre altri elementi, oltre lo
zinco, hanno una solubilità superiore al
10%: argento, magnesio e litio (in ordine
di solubilità massima decrescente).
Gallio, germanio, rame e silicio (di nuovo
in ordine decrescente) hanno solubilità
massima inferiore al 10% at. ma
superiore al 1% at.. Tutti gli altri elementi
sono meno solubili.
Con un'unica eccezione (Sn), il massimo
della solubilità in fase solida avviene alle
temperature eutettiche, peritettiche e
monotettiche.
Diminuendo
la
temperatura, il limite di solubilità
diminuisce. Questa diminuzione da
concentrazioni
elevate,
a
elevata
temperatura, a relativamente basse
concentrazioni, a bassa temperatura, è la
caratteristica fondamentale che permette
di incrementare sostanzialmente la
durezza e la resistenza delle leghe di
alluminio
con
trattamenti
di
solubilizzazione e precipitazione.
Fasi intermetalliche
In generale le fasi intermetalliche dei
sistemi comprendenti le leghe di
alluminio
possono
avere
una
composizione stechiometrica semplice; vi
sono comunque dei casi in cui le fasi intermetalliche hanno un intervallo di composizione. Un esempio
efficace si presenta nel diagramma ternario del sistema alluminio-magnesio-zinco. A temperatura
lievemente inferiore a quella di formazione del solido, la fase Mg3Zn3Al2 di questo sistema ha una
composizione molto variabile (da 16Mg-74Zn-10Al fino a 31Mg-20Zn-49Al). In qualche caso l'intervallo di
composizione della fase intermedia è al di fuori dell'esatta concentrazione stechiometrica comunemente
usata. Un esempio si ritrova nella fase è (CuAl2) ricca in alluminio, che non include esattamente la
concentrazione di questa formula.
Ci sono alcune fasi intermetalliche di altri sistemi binari che risultano in equilibrio con l'alluminio in leghe
ternarie. Esempi importanti sono Mg2Si e MgZn2. Nei sistemi quaternari, le fasi intermetalliche dei rispettivi
sistemi binari e ternari possono occasionalmente essere isomorfe (simile morfologia cristallina), formando
soluzioni solide continue. Un importante esempio si presenta nel sistema Al-Fe-Mn-Si, tra le fasi Fe3SiAl12 e
Mn3SiAl12 che hanno struttura cubica e costanti di cella rispettivamente di 12,548 e 12,652 Å.
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Principali elementi leganti
Alluminio rame
Il rame è uno dei più importanti elementi leganti
per le leghe di alluminio, a causa del suo
apprezzabile effetto rafforzante. Molte leghe
commerciali contengono rame, sia come
elemento principale che come elemento
secondario, in concentrazioni dall'1 al 10%. Il
rame impartisce un rafforzamento in seguito a
precipitazione a molte di queste leghe. Il
magnesio è usato in combinazione con il rame,
per accelerare e incrementare l'invecchiamento a
temperatura ambiente.
La temperatura eutettica nel sistema Al-Cu è
548 °C; la concentrazione eutettica è al
33,2% di rame. Le fasi solide che si
separano dal liquido in seguito alla reazione
eutettica sono la soluzione solida ricca in
alluminio che contiene il 5,65% di rame e la fase intermetallica CuAl2 che contiene il 52,5% di Cu.
La fase CuAl2 ha un intervallo di composizione compreso tra 52,5 e 53,6% di rame a temperature eutettica,
e tra 53,2 e 54,9% di rame a 400° C. Questo intervallo è leggermente al di fuori, e verso la parte ricca in
alluminio, del sistema Al-Cu, rispetto alla composizione che è del 54,1% di rame per la formula
stechiometrica. Due fasi di non equilibrio, zone GP (è") e fase è', si sviluppano dalla soluzione solida di
alluminio sovrassaturo, riscaldando a bassa temperatura, in maggior quantitativo nell'intervallo 100-300° C.
La struttura di queste fasi metastabili, non
previste dai diagrammi di stato, è determinata
dalla matrice; esse hanno struttura di tipo
tetragonale e differiscono nell'arrangiamento
atomico dalla fase di equilibrio.
Alluminio-magnesio
Le leghe binarie alluminio-magnesio sono alla
base di un’importante classe di leghe da getto
non sottoponibile a trattamento termico,
come anche di alcune altre le cui
caratteristiche possono essere cambiate con
trattamento termico. Sebbene il magnesio sia
sostanzialmente solubile in alluminio solido,
le leghe binarie non mostrano apprezzabili
caratteristiche
di
rafforzamento
per
precipitazione con concentrazioni inferiori al
7% di magnesio. Il magnesio, in ogni
caso,
garantisce
un
importante
rafforzamento
raggiungendo
elevate
caratteristiche in seguito a deformazione
plastica.
Alluminio manganese
Sono leghe contenenti oltre il 1% di
manganese
e
sono
di
notevole
importanza commerciale come leghe non
da trattamento termico. Il manganese è
inoltre utilizzato ampiamente come
legante supplementare sia in leghe da
trattamento termico che in quelle non da
trattamento termico. Nelle leghe grezze il
manganese fornisce un importante
incremento nel rafforzamento.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Alluminio silicio
Le leghe binarie hanno una notevole
importanza commerciale; il silicio aumenta
notevolmente
la
fluidità,
pertanto
incrementa la facilità di colata. Grazie a
questo e alla microstruttura prodotta, il
silicio apporta un moderato incremento di
resistenza. La temperatura eutettica
favorevole e la composizione di queste
leghe permettono di utilizzarle anche nella
saldatura e nella brasatura.
Alluminio zinco
Come elemento elegante lo zinco è
utilizzato
principalmente
insieme
al
magnesio. Il principale uso delle leghe
binarie è la protezione elettrolitica contro la
corrosione.
Alluminio rame magnesio
La combinazione di rame e magnesio in alluminio è alla base per una varietà di leghe da trattamento
termico. Questa combinazione, insieme ad altri elementi, specialmente ferro, manganese, nichel, o silicio,
conduce a una serie di leghe di grande versatilità grazie alla loro risposta ai trattamenti termici.
Oltre alle fasi binarie CuAl2 e Mg2Al3, due fasi intermetalliche appaiono in equilibrio con la soluzione solida
di alluminio in questi sistemi. Queste sono identificate come CuMgAl2, con un ristretto intervallo di
composizione (approssimativamente 45% di rame e 17% di magnesio), e CuMg4Al6, con un intervallo di
composizione più ampio che si estende dal 15% di rame, 35% di magnesio a un 34% di rame e 27% di
magnesio, ed include la composizione stechiometrica (circa 20% di rame e 30% di magnesio).
Alluminio rame silicio
Molte di leghe da getto commerciali di alluminio utilizzano rame e silicio assieme come maggiori elementi
leganti. Favorevoli intervalli di caratteristiche e proprietà meccaniche possono essere ottenute sia in leghe
da trattamento termico sia nelle altre.
Solo la fase intermetallica CuAl2 e la soluzione solida di silicio sono presenti all'equilibrio con la soluzione
solida di alluminio nel sistema ternario. La composizione eutettica ternaria contiene il 27% di rame e il
5,25% di silicio e solidifica a 524 °C. La soluzione solida di alluminio che si separa nella reazione eutettica
contiene circa il 4,9% di rame e il 1,1% di silicio. La fase CuAl2 non scioglie apprezzabile silicio e la fase di
silicio non scioglie molto alluminio o rame. In questo sistema né il rame né il silicio hanno molto effetto sulla
solubilità di altri elementi nell'alluminio.
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Alluminio magnesio silicio
Il sistema alluminio-magnesio-silicio è la base per la principale famiglia di leghe a base di alluminio da
trattamento termico utilizzate sia a tal quali sia come prodotti da getto. Queste leghe che combinano molte
caratteristiche favorevoli, includendo una moderata resistenza meccanica e una buona resistenza alla
corrosione. La lega eutettica del sistema contiene lo 8,25% di magnesio e il 4,75% di silicio che solidifica a
595 °C. La soluzione solida di alluminio che si forma a questa temperatura contiene lo 1,17% di magnesio e
in 0, 68% di silicio. La fase Mg2Si che si separa in questa reazione probabilmente contiene poco o niente
alluminio in soluzione.
Circa tutte le leghe commerciali in di questa famiglia hanno composizioni di corrispondenti alla parte ferrite
di alluminio e con concentrazioni di magnesio e silicio che sono controllate ad un rapporto corrispondente
alla sezione quasi binari.
Alluminio magnesio zinco
La combinazione di magnesio e di zinco in alluminio fornisce una classe di leghe da trattamento termico,
alcune delle quali sviluppano la più alta resistenza meccanica riscontrabile tra le leghe commerciali di
alluminio. Questo è il risultato di una combinazione di elementi che hanno un’elevata solubilità reciproca
nell'alluminio e sviluppano inusuali caratteristiche meccaniche e di rafforzamento in seguito a
precipitazione. Ulteriori elementi leganti includono, cromo, rame e manganese.
La fase MgZn2 forma un sistema quasi binario con l'alluminio, in cui la lega eutettica, che contiene circa lo
11,5% di magnesio e il 61% di zinco, solidifica a 475 °C. La soluzione solida di alluminio che si forma da
questa reazione contiene il 2,65% di magnesio e il 14,25% di zinco.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Microstruttura delle leghe di alluminio
Microscopia ottica delle leghe
Ogni elemento legante o impurezza ha un effetto sulla microstruttura. Inoltre, ogni passo del processo di
fabbricazione e ogni trattamento termico può alterare la microstruttura. Perciò, la microstruttura delle leghe
di alluminio rappresenta la somma degli effetti di composizione e dei vari trattamenti meccanici e termici
effettuati per la sua produzione.
La tecnica più ampiamente utilizzata per analizzare la microstruttura interna delle leghe di alluminio è la
microscopia ottica, perché è rapida, abbastanza semplice da usare, e richiede attrezzature non molto
costose. Essa è una delle più importanti tecniche, per evidenziare le caratteristiche microstrutturali delle
leghe.
La metallografia ottica include degli esami che vanno da pochi ingrandimenti fino ad ingrandimenti di circa
1500X. Flussi di materiale, macrostruttura e altre caratteristiche grossolane sono generalmente osservate a
ingrandimenti da 5 a 25. Le dimensioni dei grani e altre caratteristiche di dimensioni similari sono osservate
agevolmente a ingrandimenti di 100X. Le particelle, i precipitati e altre microstrutture molto piccole possono
richiedere ingrandimenti di 500 o più. Un'indagine completa include osservazioni in tutti gli intervalli di
ingrandimento, così che non si perdano informazioni sulla microstruttura.
Particolarità microstrutturali osservabili
Ognuna delle molte morfologie della microstruttura delle leghe di alluminio è importante e significativa per
determinare l'origine, la storia e le caratteristiche. Le particelle che si sviluppano durante la solidificazione
della lega sono quelle di fasi intermetalliche che generalmente si formano tra l'alluminio e le impurezze o gli
elementi leganti. Pertanto, queste particelle sono una parte integrante della lega e non devono essere
considerate inclusioni estranee. L'identificazione di alcune di queste particelle è semplice a causa della
forma, della durezza o del colore caratteristico, mentre altre possono essere evidenziate con opportuni
attacchi metallografici.
Le microstrutture dei precipitati sono molto indicative poiché esse indicano frequentemente le condizioni
metallurgiche della lega, le sue caratteristiche meccaniche, il comportamento a corrosione. I precipitati sono
piccole particelle di seconda fase che erano nella soluzione solida di alluminio a elevata temperatura e sono
precipitate dalla soluzione solida a temperatura inferiore. I precipitati si formano a bordo di grano, nelle
dislocazioni e nelle vacanze. Le loro dimensioni, forme e posizionamento dipendono dalle condizioni
termiche che hanno condotto alla loro formazione.
Le microstrutture di dispersoidi sono arrangiamenti di particelle molto piccole che precipitano dalla
soluzione solida, sia durante il raffreddamento dopo colata o durante il preriscaldamento. I principali
dispersoidi sono presenti in leghe contenenti cromo o manganese.
In più le microstrutture rivelate dall'attacco della soluzione solida danno informazioni che si riferiscono alla
composizione e alle condizioni metallurgiche della lega di alluminio. Differenze in velocità di attacco
indicano differenze localizzate nella composizione e nella struttura. La geometria dei punti di corrosione
(pits) danno un'indicazione approssimata dell'orientazione dei cristalli. La colorazione dei grani si sviluppa in
leghe contenenti rame o zinco, e danno indicazioni sia sul contenuto di soluto nella soluzione solida che
sull'orientazione relativa dei grani. I così detti "bordi bianchi di grano", sono rilevati in strutture invecchiate,
e sono regioni impoverite nel contenuto di elementi leganti a causa della precipitazione. La stratificazione e
la direzione delle microstrutture sono relazionate alla tipologia e all'ammontare del flusso di metallo durante
la deformazione plastica della fabbricazione.
Microstrutture delle leghe
Le leghe di alluminio commerciali sono suddivise in gruppi che sono funzione della composizione della
lega. Ogni tipo di lega possiede delle caratteristiche microstrutturali particolari che appartengono a quel
gruppo.
Il gruppo che comprende le leghe di alluminio senza elementi leganti (serie 1xxx) è caratterizzato da una
matrice di alluminio relativamente pura che mostra le particelle formate dai costituenti insolubili che
contengono gli elementi di impurezze, principalmente ferro e silicio. L'ammontare del costituente
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metallografico è una funzione della purezza, e la sua distribuzione è una funzione delle modalità della
fabbricazione. Particelle di costituenti contenenti ferro sono caratteristiche di tutte le leghe di alluminio.
Le leghe contenenti rame, come elemento legante principale (serie 2xxx), sono caratterizzate da fasi
contenenti rame ad esempio CuAl2 o, se la lega contiene magnesio, CuMgAl2. Queste fasi sono solubili
nella matrice durante il riscaldamento di solubilizzazione. Come risultato, l'ammontare di particelle
contenenti rame, in relazione al contenuto di rame della lega, è una misura della solubilizzazione raggiunta.
Il rame presente in soluzione solida fa cambiare le caratteristiche della matrice e conduce alla formazione di
una colorazione e a un contrasto dei grani dopo attacco. Poiché il contrasto della colorazione dei grani è
una funzione del contenuto di rame nella soluzione solida, essa può essere usata per valutare il trattamento
termico.
Le leghe contenenti manganese, come elemento legante principale (serie 3xxx), contengono particelle delle
fasi Mn3SiAl12 e MnAl6; il loro ammontare e distribuzione sono funzioni della composizione, del processo di
deformazione plastica e della storia termica. In più queste leghe contengono dei precipitati (dispersoidi)
molto fini, principalmente Mn3SiAl12.
Le leghe alluminio silicio (serie 4xxx) hanno una matrice di soluzione solida contenente del silicio e delle
particelle costituenti di colore grigio ardesia di silicio puro. Queste particelle hanno la forma allungata, di
placche o sferoidali; la loro forma, dimensione e distribuzione sono fortemente influenzate dalle condizioni
di colata e dalla storia termica.
Le leghe alluminio magnesio (serie 5xxx) generalmente mostrano una struttura di soluzione solida, a causa
dell'elevata solubilità del magnesio in alluminio. In qualche caso, particelle di Mg2Al3 sono presenti, sia
come particelle costituenti indisciolte sia come fini particelle di precipitati che si sono sviluppate in seguito a
raffreddamento lento o ad un trattamento termico a bassa temperatura. Particelle di Mg2Si sono
generalmente presenti in rapporto al contenuto di silicio, a causa della bassa solubilità della Mg2Si in
presenza di un eccesso di magnesio. In più dispersoidi e particelle contenenti cromo e manganese possono
apparire se sono presenti questi elementi.
Le leghe alluminio magnesio silicio (serie 6xxx) contengono particelle di fase a Mg2Si. Questa fase si
scioglie quasi completamente durante il trattamento termico di solubilizzazione, e un piccolo quantitativo
precipita durante l'invecchiamento artificiale. Di conseguenza l'ammontare e la distribuzione di questa fase
indicano il tipo e il grado del trattamento termico applicato la lega. Inoltre possono essere presenti delle
particelle di silicio in quelle leghe che contengono un eccesso di silicio rispetto al corretto rapporto Mg2Si.
Nelle leghe alluminio zinco magnesio e alluminio zinco magnesio rame (serie 7xxx), generalmente usate
dopo invecchiamento, la maggior parte dello zinco, magnesio e rame è solubilizzato o è precipitato in forme
estremamente fini. Come risultato, particelle di fasi contenenti questi elementi non sono, in generale,
osservabili. In alcune leghe di questa serie, fasi contenenti cromo o dispersoidi di cromo vengono rilevati. In
più particelle di Mg2Si possono essere osservate in funzione del contenuto di silicio della lega dal momento
che questa fase è insolubile in presenza di un eccesso di magnesio.
Effetto della lavorazione
Le leghe di alluminio grezzo sono dapprima colate e poi sottoposte a una serie di trattamenti meccanici e
termici. Ogni trattamento produce un evidente cambio nella struttura e la microstruttura del prodotto finito è
la somma dei cambiamenti microstrutturali che avvengono durante la lavorazione. La microstruttura di un
lingotto colato ha una disposizione di grani dendritica. Tale microstruttura dendritica consiste in alluminio
primario che è circondato da regioni finemente interconnesse di soluzione solida. I bordi delle dendriti
contengono generalmente una rete di particelle costituenti sia di fasi solide sia di fasi insolubili. La
composizione delle zone di soluzione solida, le dimensioni del nucleo e il quantitativo dei elementi
solubilizzato tra a ledere diritti in sono funzione sia della composizione sia della velocità di solidificazione.
La prima operazione fabbricazione che altera la microstruttura è il preriscaldamento, un trattamento termico
prolungando a relativamente alta temperatura. Questo trattamento omogeneizza la soluzione solida
,riducendo in modo apprezzabile o eliminando la zona centrale, e permette di incrementare il contenuto di
elementi leganti dissolvendo le particelle di costituenti solubili. Questo conduce a una matrice che ha
caratteristiche di attacco più uniformi e ad una riduzione dei costituenti tra le dentriti. Se la temperatura di
preriscaldo si trova oltre la temperatura eutettica la microstruttura mostra di solito delle zone (rosette) di
eutettico risolidificato. Dal momento che la velocità di raffreddamento dopo un preriscaldamento
“commerciale” è relativamente lenta, si sviluppa una marcata precipitazione di elementi solubili sia a bordo
di grano sia nella matrice.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
La deformazione plastica durante una lavorazione a caldo distorce e frammenta i grani, frammentando e
distribuendo le particelle di fase secondaria. Se non avviene una ricristallizzazione, il prodotto formato a
caldo manifesta una struttura frammentata, essendo il grado di frammentazione e la direzionalità della
struttura, una misura sia del tipo sia del grado di deformazione. Se invece si manifesta una
ricristallizzazione, il risultato si manifesta come una microstruttura di grani ricristallizzati che possono o non
possono mostrare una direzione preferenziale. Anche la distribuzione delle particelle di seconda fase, a
seconda si manifesti dispersa o allineata, riflette il tipo, il grado e la direzione di lavorazione.
Effetto dei trattamenti termici
I trattamenti termici esercitano un notevole effetto sulla microstruttura delle leghe di alluminio. Una ricottura
intermedia, usata per distendere il metallo per ulteriori lavorazioni, può causare la ricristallizzazione dei
grani che si sono frammentati e lo sviluppo di precipitati indesiderati, sia durante il mantenimento in
temperatura o durante il raffreddamento che segue la ricottura. Una ricottura completa, effettuata per
ottenere la massima duttilità, provoca la ricristallizzazione dei grani frammentati e può causare la crescita
dei grani. In certe leghe, la ricristallizzazione conduce a una struttura equiassica e omogenea mentre in altri
viene mantenuta una direzione preferenziale della microstruttura dei grani, riflettendo il tipo di lavorazione.
Una ricottura completa conduce a un’estesa precipitazione e ad un’agglomerazione degli elementi solubili
che formano relativamente grosse particelle. Nel caso di elementi solubili alla temperatura di ricottura, la
precipitazione si sviluppa frequentemente durante il raffreddamento.
Le operazioni di solubilizzazione riducono notevolmente, e alcune volte eliminano completamente, le
particelle di elementi solubili. Queste operazioni incrementano il contenuto di soluto della matrice e pertanto
alterano le caratteristiche morfologiche dopo attacco. Il trattamento di solubilizzazione porta alla formazione
ed alla crescita di grani ricristallizzati se viene applicato a una lega rinvenuta e lavorata a freddo. Se il
trattamento termico viene effettuato a temperature troppo basse o per tempi troppo brevi, la microstruttura
contiene un quantitativo di particelle di fase solubile enormemente grande; nel caso di leghe contenenti
rame, la soluzione solida di alluminio mostra un basso contrasto tra i grani durante l'attacco. Un
riscaldamento di leghe preventivamente trattate a alte temperature può provocare una precipitazione
indesiderata a bordi di grano e originare delle zone che, in certe leghe, manifestano un comportamento
negativo nei confronti della corrosione.
Se viene effettuata una tempra, che causa un rapido raffreddamento, dopo la solubilizzazione, non si
osservano cambi microstrutturali. Se invece la velocità di raffreddamento, per motivi accidentali o
intenzionali, non è rapida, appare una precipitazione di particelle a bordo grano. Se il raffreddamento è
molto lento, le particelle appaiono anche nella matrice.
Dopo il trattamento di invecchiamento artificiale si sviluppa generalmente una fine precipitazione a bordo di
grano e dei grani frammentati, e su piani preferenziali all'interno della matrice. Se si è manifestata una
precipitazione durante la tempra in alcune zone del bordo grano, dopo invecchiamento artificiale questa
zona frequentemente appare libera da precipitati.
La combinazione di deformazione plastica a freddo ed invecchiamento, dopo la solubilizzazione, causa una
notevole variazione nella microstruttura. Se la deformazione plastica precede invecchiamento, i precipitati
si sviluppano più rapidamente, la precipitazione è più estesa e le particelle di precipitato sono più fini e più
numerose. La deformazione plastica che segue l'invecchiamento non causa cambiamenti nella
microstruttura dei precipitati, ma introduce delle deformazioni strutturali, degli slittamenti e la
frammentazione tipica della deformazione plastica a freddo.
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Microstrutture caratteristiche dei prodotti
Oltre alle caratteristiche microstrutturali delle varie leghe e ai trattamenti termici, molti dei prodotti di leghe
di alluminio hanno delle loro caratteristiche microstrutturali distintive. Queste strutture riflettono il processo
di fabbricazione usato, e in particolare il tipo e il grado di lavorazione.
I lingotti hanno delle caratteristiche microstrutturali descritte precedentemente; in più, si osservano delle
configurazioni microstrutturali che riflettono la velocità di raffreddamento e la direzione del flusso del calore.
I lingotti possono avere un sottile strato superficiale di materiale contenente un particolare elevato
ammontare dei costituenti, come risultato di liquazione di materiale ricco di soluto durante il primo stadio di
solidificazione.
Le piastre, i fogli e i rotoli esibiscono delle strutture ricristallizzate o non ricristallizzate, che dipendono dalla
composizione, il tipo, l'ammontare, la temperatura di lavoro, e qualunque trattamento termico applicato.
Grani o gruppi di grani frammentati sono generalmente allungati nella direzione del lavoro, e appiattiti nella
dimensione dello spessore. Le particelle tendono a disporsi in piani paralleli alla superficie del prodotto. Il
grado di allineamento e la dispersione delle particelle è una funzione del grado di lavorazione e pertanto
della relazione tra spessore del prodotto e le dimensioni iniziali del lingotto.
Il processo di forgiatura permette di ottenere una grande varietà di microstrutture a causa delle molte forme
e dimensioni coinvolte. I forgiati possono essere ricristallizzati o non ricristallizzati, in funzione della lega,
dell'ammontare della deformazione, e del rinvenimento. Pezzi forgiati di grande dimensione, hanno
generalmente microstruttura frammentata, essendo il grado di frammentazione e le dimensioni dei
frammenti una funzione del quantitativo di flusso di metallo coinvolto. Il forgiato può anche mostrare flussi
di materiali che si intersecano e che riflettono le deformazioni che i componenti hanno subito per
raggiungere la forma finale. In pezzi forgiati grandi, o in limitate regioni che hanno subito una piccola
deformazione, la microstruttura presenta alcune caratteristiche strutturali del lingotto, delle aree con la
morfologia presente a cuore, o delle zone di crescita preferenziale dei cristalli. La forgiatura evidenzia,
infatti, una microstruttura che è funzione del grado di deformazione delle differenti sezioni del componente.
Nelle zone piane con piccola sezione, il forgiato manifesta delle strutture compresse ed allungate che
riflettono il flusso di materiale in quella zona.
I prodotti estrusi mostrano in generale un’elevata direzionalità della microstruttura a causa della elevata
direzionalità del flusso di materiale. Nelle condizioni di un prodotto solo estruso, il grado di ricristallizzazione
varia enormemente da una lega ad un'altra. Il grado di deformazione e frammentazione dei cristalli varia
anche in uno stesso prodotto, risultando più elevata alla superficie che al centro del componente, e nella
parte posteriore rispetto a quella anteriore. Un'estrusione che porta a una forte deformazione permette di
ottenere frequentemente dei grani molto grandi ricristallizzati sulla superficie, le dimensioni dei quali si
incrementa andando verso la parte finale del prodotto estruso. Questo strato diventa più spesso se il
prodotto è sottoposto a trattamento termico, poiché l'estensione dell'area ricristallizzata è correlata alla
quantità di tensioni residue. Le strutture estruse hanno una microstruttura che riflette il flusso del materiale
con caratteristici andamenti in funzione della forma dell'estrusore. Le particelle presenti nei prodotti estrusi
sono molto allungate e disposte in linee parallele alla direzione dell'estrusione.
Sbarre, aste, fili e stampi rullati hanno una di direzionalità e un allineamento della struttura e dei costituendi
che è simile a quella dei prodotti estrusi, ma le microstrutture sono, in generale, più uniformi da un estremo
all'altro ed alla superficie al centro, senza presentare una zona superficiale ricristallizzata.
I prodotti rivestiti hanno una struttura composita formata da due o più strati legati meccanicamente. Gli
strati sono di differenti leghe possono essere distinti con appropriate tecniche di attacco metallografico; ogni
strato manifesta la struttura caratteristica della specifica lega e del trattamento termico. Quando venga
applicato un trattamento termico per i prodotti rivestiti, si manifesta generalmente una diffusione di elementi
solubili da uno strato all'altro. La diffusione avviene più rapidamente lungo i bordi grano che attraverso i
grani, generando una tipica struttura a pettine. Appropriate sezioni di attacco possono essere utilizzate per
seguire la diffusione, dal momento che questo processo conduce a dei gradienti di composizione che
mostrano progressivamente dei cambi nelle caratteristiche di attacco.
Altre strutture
Alcune imperfezioni microstrutturali si possono occasionalmente trovare nei prodotti di leghe di alluminio.
La porosità è un'imperfezione che si forma nei lingotti come vuoti ai bordi grano, causata sia dalla
formazione di bolle di idrogeno sia dal ritiro durante la solidificazione. Se i pori non vengono chiusi durante
Dispense sulle Leghe di Alluminio
la lavorazione, essi rimangono nel prodotto finale in una varietà di forme. Per esempio, nei prodotti forgiati
essi appaiono come discontinuità piatte e ellissoidali; nei fogli e delle piastre come linee di discontinuità in
piani paralleli alla superficie; negli estrusi come strisce di minuscoli vuoti allineati alla direzione di
estrusione. I vuoti che risultano dalla porosità, sono principalmente localizzati al centro del prodotto.
Se i prodotti in lega di alluminio vengono riscaldati a temperature troppo elevate, si manifesta una fusione
parziale, e si sviluppano due strutture caratteristiche. Nel caso in cui la temperatura sia solo lievemente
superiore alla temperatura eutettica, le regioni di composizione eutettica subiscono la fusione e dopo
solidificazione queste zone risultano sotto forma di rosette che manifestano una fine microstruttura eutettica
caratteristica. Se vengono raggiunte temperature più elevate, sia ha una fusione della soluzione solida.
Dopo solidificazione, queste zone sono evidenziate come regioni che hanno una microstruttura eutettica.
Esse sono sempre localizzate a bordo grano e principalmente alla giunzione dei grani, dove hanno una
forma triangolare. Se il riscaldamento è avvenuto temperature ancora più elevate, le zone eutettiche
diventano preponderanti e si estendono oltre il bordo grano, fino ha generare una matrice continua che
coinvolge gruppi di grani.
Un'altra microstruttura caratteristica evidenzia un trattamento termico di una lega di alluminio in atmosfera
del forno non idonea. La microstruttura si manifesta come vuoti localizzati a bordo grano ed è causata dalla
formazione di idrogeno all'interno della lega. Questa condizione e impropriamente chiamata ossidazione ad
alta temperatura, ed abbreviata HTO. Se la formazione di vuoti è modesta, appaiono solo alcuni vuoti
isolati; quando diventa più importante, si formano numerosi vuoti; in alcuni casi, i grani sono
completamente distanziati, con formazione di fessure. Al contrario della porosità ordinaria, i vuoti che
risultano da questo fenomeno, sono preferenzialmente localizzati in prossimità della superficie. Inoltre, essi
si trovano quasi esclusivamente in zone ricristallizzati o in giunzioni tra zone ricristallizzate e zone non
ricristallizzate.
In alcune occasioni del materiale estraneo può essere presente nelle leghe di alluminio e apparire come
inclusioni. L'osservazione metallografica del campione lucidato permette di definire quando l'inclusione è
metallica o non metallica; alcuni materiali possono esser riconosciuti dal loro comportamento chimico. In
generale, comunque, le inclusioni non posso essere identificate con certezza utilizzando il microscopio
ottico; vengono perciò utilizzate altre tecniche come diffrazione ai raggi x, diffrazione elettronica o
microanalisi.
Nel caso delle leghe di alluminio bisogna fare delle precisazioni sull'importanza dei costituenti metallografici
delle leghe medesime. Le particelle di seconda o terza fase non devono essere considerate come inclusioni
indesiderate, ma molte di queste rappresentano ingredienti essenziali alla lega, senza le quali le proprietà e
caratteristiche desiderabili non possono essere ottenute. Inoltre, le particelle di seconda fase sono
completamente circondate dalla matrice metallica, e i bordi tra seconda fase e matrice non rappresenta una
linea di fragilità, come nel caso di inclusioni estraee.
Per quel che si riferisce alla forma e dimensioni delle particelle di seconda fase si può dire che queste grandezze
variano notevolmente in un ampio intervallo, in funzione delle condizioni di colata e fabbricazione, oltre ai trattamenti
termici effettuati.
Microscopia ottica di leghe da getto
Molte leghe di alluminio da getto commerciali hanno microstrutture ipoeutettiche nelle quali le dendriti di
soluzione solida di alluminio primario costituisce la matrice. Eutettici binari, ternari e più complessi
occupano gli interstizi interdentritici che completano la microstruttura. Questi eutettici sono sempre di tipo
"divorziato" in leghe commerciali, che comprendono una miscela di aree di soluzione solida e particelle di
elementi leganti o fasi intermedie, piuttosto che una classica struttura perlitica di altre leghe maggiormente
legate. La porzione di soluzione solida dell'eutettico si situa nell’adiacente soluzione solida dendritica
primaria senza un bordo marcato. Alcune leghe commerciali, del tipo alluminio-silicio, sono ipereutettiche,
con silicio piuttosto che alluminio come primaria fase di solidificazione.
Leghe da getto contenenti un notevole quantitativo di soluzione solida come fase metallica, vengono
utilizzate in applicazioni dove è chiesta buona duttilità. Queste sono leghe alluminio-magnesio e alluminiozinco-magnesio. Esse consistono essenzialmente in una soluzione solida di alluminio a forma di dendriti e
un piccolo quantitativo di eutettico interdendritico.
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Senza un elevato quantitativo di componente eutettica che favorisce il riempimento tra le dendriti durante la
solidificazione, in tali leghe si manifestano dei ritiri e delle cricche a caldo se non si mantiene una velocità di
raffreddamento lenta durante la solidificazione.
La microstruttura delle leghe di alluminio da getto è direttamente influenzata dalla velocità di solidificazione:
maggiore è la velocità, più fine è la struttura.
I pezzi prodotti con colata sotto pressione portano a microstrutture più fini della colata in conchiglia che ha
microstrutture più fini della colata in sabbia. Incrementando la velocità di raffreddamento, la dimensione
dell'alluminio primario, le braccia delle dendriti formate da soluzione solida diventano più piccole, la
dimensione delle particelle secondarie diventati piccola, e generalmente le dimensioni dei grani della
primaria fase di alluminio risulta più fine. Tuttavia la dimensione dei grani non sembra un criterio corretto
per valutare la velocità di raffreddamento, giacché le dimensioni dei grani sono anche influenzate da
elementi leganti quale titanio e boro. La dimensione delle celle dendritiche è invece utilizzata correttamente
per valutare la velocità di raffreddamento. Maggiori caratteristiche meccaniche, in leghe da getto, sono
ottenibili solo in componenti solidificati velocemente e con dimensioni dei grani piccole.
Leghe da getto
La lega 195 (Al-4.5Cu) è una semplice lega ipoeutettica. Il rame è presente come composto intermetallico
CuAl2, che forma un eutettico con la soluzione solida di alluminio. La porzione di eutettico è presente come
composto interdentritici con i vertici che sono situati lungo le dendriti e i bordi grano. Le dendriti di alluminio
manifestano un cambio di morfologia a cuore, con un gradiente di elementi leganti che derivano da una
diffusione non completa derivante da solidificazione in condizioni di non-equilibrio- Il ferro ed il silicio,
presenti come impurezze in quasi tutte le leghe di alluminio, formano un costituente complesso del tipo α FeSi.
La lega 356 (Al-7Si-0,3Mg) è una delle leghe da getto di alluminio più ampiamente usate. Il silicio si
presenta come particelle elementari presenti nell’eutettico interdendritico, che costituisce circa il 55% della
microstruttura. Grazie al grosso volume di eutettico l’utilizzo di questa lega come lega da detto è eccellente.
Il magnesio si combina con il silicio per formare Mg2Si, che agisce da indurente. Il ferro, presente come
impurezza, si combina per formare delle placche di β -FeSi.
La lega A612 è rappresentativa di leghe con soluzione solida che induriscono e si rafforzano durante il
raffreddamento del getto senza richiedere un trattamento termico di solubilizzazione. Tale caratteristica
deriva dalla presenza di MgZn2, un costituente indurente che si trova in soluzione solida alla temperatura di
solidificazione ma precipita sotto forma di particelle estremamente minute in modo omogeneo raffreddando
a temperatura ambiente. Il ferro si combina per formare delle sottili particelle di α -FeSi.
Effetto dei trattamenti termici
I trattamenti termici che conducono a precipitazione possono essere effettuati su molte leghe di alluminio da
getto nelle condizioni di appena gettate. In queste condizioni, alcuni elementi leganti presenti nella
soluzione solida, sono disponibili per una precipitazione successiva; tale precipitazione è funzione della
composizione chimica, della velocità di solidificazione, e della velocità di raffreddamento dopo
solidificazione. Un riscaldamento a bassa temperatura (120÷ 175°C) provoca generalmente la formazione di
precipitati estremamente piccoli che incrementano la resistenza a rottura, la resistenza a snervamento e
della durezza, sebbene generalmente riducano la duttilità. Se si riscalda a una temperatura superiore
(200÷ 260°C), gli elementi in soluzione solida precipitando più velocemente, e i precipitati sono visibili con
microscopio al bordo di grano e allo spigolo delle soluzioni solide dendritiche. Tali trattamenti vengono
generalmente utilizzati per stabilizzare i getti che debbano operare ad elevata temperatura di esercizio. Se
viene utilizzata un trattamento di precipitazione alta temperatura (325÷ 400°C), virtualmente tutti gli elementi
in soluzione solida precipitano ed otteniamo una ricottura, con una riduzione del rafforzamento e un
incremento di duttilità. Strutture di Widmanstätten ben sviluppate sono tipiche di strutture ricotte.
I trattamenti di solubilizzazione vengono generalmente effettuati il più vicino possibile alla temperatura del
solidus (425÷ 540°C), dove la solubilità degli elementi leganti è massima. Utilizzando tempi e temperature
adeguate, i costituenti solubili diventano sferoidali e si possono sciogliere completamente. I costituenti
insolubili diventano anche meno spigolosi poiché gli angoli, ad elevata energia, si dissolvono. La
solubilizzazione riduce la microstruttura tipica a cuore delle strutture da getto (grossi cristalli e struttura
dendritica) ed i gradienti di composizione vengono ridotti grazie alla diffusione. La solubilizzazione
incrementa sia la resistenza sia la duttilità, dissolvendo i composti intermetallici fragili e rendendo la
microstruttura più omogenea. Le leghe da getto, generalmente, non ricristallizzano col trattamento di
solubilizzazione.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
La combinazione dei trattamenti di solubilizzazione e di precipitazione sono ampiamente utilizzati per
ottenere le caratteristiche resistenziali ottimali. La struttura omogenea ottenuta con la sola solubilizzazione
permette una risposta pronta al trattamento di precipitazione; questo garantisce una precipitazione più
uniforme rispetto al trattamento di sola precipitazione.
Discontinuità microstrutturali
Il termine "vuoti " viene utilizzato per indicare un certo numero di discontinuità di varia origine nei getti.
Porosità di gas, porosità da ritiro, fori da gas intrappolato e cricche sono le principali tipologie di vuoti nei
getti di alluminio. I fori di gas intrappolato possono essere riconosciuti grazie a una distribuzione equiassica,
dimensioni grossolane, distribuzione irregolare. Le cricche sono caratterizzate da una forma allungata,
sottile e raggiata.
I getti di alluminio contengono quasi sempre delle porosità causate dai gas. Quando presenti in quantità
elevata i pori, causati dai gas, possono apparire come vuoti sferici. Generalmente assumono invece una
forma che dipende dagli spazzi interdentritici, poiché i vuoti si formano dopo che la solidificazione della lega
è iniziata. Pertanto, la porosità data da gas è difficilmente differenziabile dalla forma, giacché la porosità da
ritiro è sempre interdendritica e simile alla porosità da gas. La migliore caratteristica distintiva è la
distribuzione dei vuoti, perché la porosità da gas è uniformemente distribuita mentre la porosità da ritiro è
concentrata in regioni non adeguatamente alimentate durante la solidificazione.
Pellicole o pellicine di ossido di alluminio si formano velocemente sulla superficie dell'alluminio fuso e se
non vengono rimosse, scremandole, possono essere intrappolate nel getto. Queste pellicole di scarto
appaiono nella sezione trasversale come sottili linee (circa 2 µm) che si avvolgono, frequentemente
associate con porosità da gas. Le pellicole, che costituiscono delle discontinuità indesiderabili, possono agire
come innesco di frattura, diminuendo la resistenza statica e dinamica del getto, in particolare se si trovano
vicino alla superficie. Mentre molti films di ossido hanno una struttura amorfa, che si può trasformare in
inclusioni cristalline di allumina alfa in seguito ad una prolungata esposizione a elevata temperatura come
nei getti. Al microscopio, l'allumina alfa appare come inclusione nera, tipo scoria,che si trova in rilievo sulla
sezione pulita. Se le leghe da trattamento termico sono surriscaldate durante la solubilizzazione, si
manifesta la fusione delle zone eutettiche. La microstruttura risultante è la stessa delle leghe da
deformazione plastica.
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Classificazione delle Leghe di Alluminio
Wrought aluminum alloys
Series
Alloy family
1XXX
2XXX
3XXX
4XXX
5XXX
6XXX
7XXX
8XXX
Pure Al
Al-Cu
Al-Mn
Al-Si
Al-Mg
Al-Mg-Si
Al-Zn
Other (ex. Al-Li)
Cast aluminum alloys
Series
Alloy family
1XX.0
2XX.0
3XX.0
4XX 0
5XX 0
6XX.0
7XX.0
8XX.0
9XX.0
Al
Al-Cu
Al-Si (Mg or Cu)
Al-Si
Al-Mg
*
Al-Zn
Al-Sn
*
* Attualmente non utilizzata
Aluminium casting alloys different technologies
Die castings
colata in pressofusione
Permanent mold
colata in conchiglia
Sand casting
colata in forme di sabbia
Particolari:
Plaster molds
Investment molds
Composite material molds
Squeeze casting
colata sotto pressione con materiale semi-solido
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Work Hardening
TEMPER
DESCRIPTION
F
O
H1
H2
H3
H112
H321
H323, H343
Come prodotto.
Ricotto, ricristallizzato
Incrudito (H12, H14, H16, H18)
Incrudito e parzialmente ricotto(H22, H24, H26, H28)
Incrudito e stabilizzato(H32, H34, H36, H38)
Incrudito durante la fabbricazione.
Incrudito durante la fabbricazione.
Incrudito durante la fabbricazione.
Dislocation loops and helices associated with manganese containing dispersoid particles in 2024-T4 alloy
(40,000X).
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La metallurgia dei trattamenti termici
Anche se con la dicitura trattamenti termici si includono tutte quelle operazioni che si riferiscono a
riscaldamento e raffreddamento di un componente, in questo paragrafo ci si riferirà principalmente ai
trattamenti termici sui prodotti finali comprendendo ricottura, solubilizzazione, tempra, invecchiamento
senza dimenticare la distensione. Le informazioni che saranno date valgono sia per leghe da deformazione
plastica, leghe da trattamento termico e leghe da getto. Ovviamente ciascuna di queste tipologie ha varato
delle problematiche, ai fini del trattamento termico, gli elementi indifferenti.
I principali obiettivi di differenti tipi di trattamento termico sono descritti sommariamente nello schema
riportato di seguito:
distendere la lega per incrementare la lavorabilità e la formabilità.
incrementare la resistenza e ottenere particolari proprietà meccaniche che sono associate con lo
trattamento termico specifico finale.
stabilizzare le proprietà meccaniche o fisiche o la resistenza alla corrosione, oltre ad evitare i
cambiamenti che potrebbero comunque manifestarsi con tempo a temperatura ambiente o ad
elevata temperatura.
assicurare una stabilità dimensionale durante l'utilizzo, in particolare per componenti che operano a elevata
temperatura e che richiedono stretti controlli dimensionali.
eliminare le tensioni residue indotte da deformazioni differenziali o raffreddamenti non uniformi in
seguito a operazioni di getto, tempra, saldatura o ad operazioni di formatura.
Alcuni trattamenti vengono effettuati per diminuire il rafforzamento in seguito a deformazione plastica o le
tensioni residue, mentre altri trattamenti vengono effettuati per alterare la distribuzione e la morfologia degli
elementi leganti solubili. L'alluminio e le sue leghe non danno origine a trasformazioni che conducono a
differenti forme allotropiche o a trasformazioni senza diffusione, come quella martensitica per gli acciai. In
ogni caso, attraverso il controllo della solubilizzazione e successiva precipitazione degli elementi leganti
solubili, la resistenza alla deformazione (tensione di snervamento) in alcune leghe da trattamento termico
può essere incrementata con fattori compresi tra 5 e 6.
La variazione di solubilità degli elementi leganti con la temperatura è il principale fattore che può essere
utilizzato nei trattamenti termici, per influenzare la distribuzione degli elementi leganti medesimi. Anche se i
diagrammi di stato non mostrano le strutture che si formano a relativamente bassa temperatura e che sono
responsabili degli effetti di rafforzamento, essi indicano la direzione in cui la reazione in fase solida
potrebbe procedere per una data composizione, temperatura e struttura iniziale. Vi è tuttavia un altro fattore
fondamentale che influenza la cinetica delle reazioni allo stato solido di un dato soluto; la sua mobilità o
velocità di diffusione nella soluzione solida di alluminio. Sebbene le considerazioni con i diagrammi di stato
possono indicare che un certo elemento dovrebbe dissolversi o precipitare a una determinata temperatura,
la reazione può essere eliminata completamente se la mobilità degli atomi soluti è bassa a quella
temperatura. Velocità di reazioni specifiche sono inoltre influenzate da altri fattori come la concentrazione di
soluto, il cambio di energia e la velocità di nucleazione.
Le relazioni temperatura-solubilità in fase solida e temperatura-velocità di diffusione variano ampiamente per
le differenti specie di soluto e l'effetto del mantenimento ad una specifica temperatura può essere differente
per i differenti soluti. Molte leghe di alluminio contengono uno o più elementi che hanno caratteristiche di
solubilità e di diffusione che permettono una precipitazione solo a relativamente alta temperatura,
accompagnati da altri elementi che sono caratterizzati da una tendenza alla precipitazione a bassa
temperatura. Il primo gruppo comprende rame, magnesio, silicio o zinco e la combinazione di questi
elementi. In alcune leghe, alcune operazioni di riscaldamento effettuate nei processi possono causare la
precipitazione di elementi come il cromo e manganese mentre, allo stesso tempo, rame, magnesio, silicio e
zinco passano in soluzione solida. Come indicato dai diagrammi di stato ternari o quaternari, in molti casi
avvengono delle interazioni complesse, con precipitazione di fasi intermetalliche contenenti due o più soluti
oltre all'alluminio. Di conseguenza, ogni lega commerciale ha delle caratteristiche uniche che necessitano di
attenti controlli delle operazioni di trattamento termico che vengono effettuate sui lingotti, sui prodotti
intermedi e durante la fabbricazione; inoltre, opportune combinazioni di tempo e temperatura vengono
richiesti per le operazioni di trattamento termico finale per raggiungere particolari caratteristiche e proprietà.
Sistema di designazione dei trattamenti termici
Il sistema più utilizzato per la designazione dei trattamenti termici delle leghe di alluminio è quello introdotto
dall' "Aluminum Association" che consiste nell'utilizzare delle lettere. Delle suddivisioni dei trattamenti
Dispense sulle Leghe di Alluminio
termici principali, quando richiesti, sono indicati da una o più segni che seguono le lettere. Queste
suddivisioni designano specifiche sequenze di trattamento e indicano le caratteristiche del prodotto finale.
Ulteriori segni possono essere aggiunti quando una variazione nelle operazioni base porta a differenti
caratteristiche.
Le suddivisioni per la serie T di trattamenti, utilizzano dei numeri compresi tra 1 e 10 per distinguere le
principali variazioni nella sequenza delle operazioni. Ulteriori segni vengono assegnati a prodotti che
vengono distesi, a prodotti che subiscono una deformazione plastica a freddo dopo tempra o tra tempra e
invecchiamento artificiale, a trattamenti effettuati con procedure speciali per controllare le caratteristiche
quali resistenza alla corrosione o stabilità dimensionale.
Il sistema principale di designazione dei trattamenti termici effettuati sulle leghe di alluminio è riportato nella
tabella I sottostante.
Designazione
F
O
W
T
Caratteristiche
Come fabbricato. Si applica ai prodotti grezzi che acquisiscono alcune
caratteristiche da operazioni di formatura, in cui non viene esercitato un
controllo specifico circa l’ammontare del rafforzamento per deformazione
plastica o sul trattamento termico. Per i prodotti grezzi in queste condizioni
non vi sono limiti circa le caratteristiche meccaniche. Si applica anche ai
getti tal quali se la lega viene prodotta in condizioni di trattamento termico.
Ricotto (solo prodotti grezzi, non da getto). Viene applicato per
distendere completamente i prodotti e migliorarne la lavorabilità e per
annullare qualunque trattamento meccanico o termico precedente.
Solubilizzazione. Una condizione instabile applicabile solo alle leghe che
invecchiano a temperatura ambiente dopo solubilizzazione. Questa
designazione è valida solo quando venga indicato il periodo di
invecchiamento naturale; per esempio: W (0,5h)
Trattamento termico per produrre condizioni stabili oltre a F e O. Si
applica sia ai prodotti grezzi sia a quelli da getto, che vengono sottoposti a
trattamento termico, con o senza una deformazione plastica a freddo, per
ottenere condizioni stabili.
Annealing - Ricottura
This treatment may be required before forming or cold working heat treatable alloys, when they are strain
hardened by previous forming or are in the heat treated tempers.
The maximum temperature and cooling rate employed must be carefully controlled to avoid precipitation
hardening either during or subsequent to annealing.
The type of annealing treatment required is dependent upon the previous thermal and mechanical history,
and the microstructure resulting from these prior operations.
In annealing thin-gage clad products, the heating time at the maximum temperature must be limited, to
avoid excessive diffusion from core to cladding.
Annealing treatments are applied to casting only when the most exacting requirements for dimensional
stability must be met or when some unusual forming operations is specified. The treatment employed in
such case is designed T2.
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17
Alclad 2024-T3 showing commercial purity aluminum cladding on strong alloy core (100X).
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Heat Treatments Connected with Plastic Deformation
Annealing after cold working.
The distorted, dislocated structure resulting from cold working of aluminum is less stable than the strainfree, annealed state, to which it tends to revert.
Commercial aluminum alloys undergo this structural changes only with annealing at elevated temperature.
Accompanying the structural reversion are changes in the various properties affected by cold working.
These changes occur in three main steps:
•
recovery
•
recrystallization
•
grain growth
Transmission electron micrographs of Al-5 Mg alloy sheet cold rolled 75% and annealed for various time at
345 °C. (a) As-rolled; (b) 1 min at 345 °C; (c) 5 min; (d) 1 hr (21,000X).
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Micrographs showing the progress of recrystallization in 5083-H18 sheet annealed at 290 °C. (a) As-rolled;
(b) 10 min at 290 °C; (c) 30 min; (d) 1 hr; (e) 4 hr; (f) 8 hr. Electropolished (100X).
Dispense sulle Leghe di Alluminio
The effects on the tensile properties of 1100 alloy are shown in the following figures.
Isothermal annealing curves for 1100-H18 sheet.
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Strain-hardened aluminum-magnesium alloy have a special commercial problem because
they tend to age soften at room temperature. Age softening increases with increasing
magnesium content and cold work. The following figures show this effect for an Al-6 Mg
alloy.
Age softening of a strain-hardened Al-6 Mg sheet.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
In particolare la designazione (T) può ancora essere suddivisa come evidenziato nella tabella sottostante.
Designazione
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
Caratteristiche
Invecchiato naturalmente in una condizione sostanzialmente stabile. Si applica
a quei prodotti in cui è avvenuta una parziale solubilizzazione di elementi leganti ad
elevata temperatura, seguita da un rapido raffreddamento dovuto al processo di
fabbricazione.
Ricottura (solo prodotti da getto). Indica una condizione ottenuta per mezzo di un
trattamento di ricottura utilizzata per incrementare la duttilità e la stabilità
dimensionale del getto.
Solubilizzazione, deformazione plastica a freddo e invecchiamento naturale a
condizioni sostanzialmente stabili. Si applica a quel prodotti che siano stati formati
a freddo per incrementare la resistenza o in cui la deformazione plastica è associata
a specifiche applicazioni. Differenti entità di deformazione plastica sono
contrassegnate con un secondo simbolo.
Solubilizzazione e invecchiamento naturale a condizioni sostanzialmente
stabili. Si applica a quelle prodotti che non sono stati deformati a freddo dopo
solubilizzazione, o in cui l'effetto della deformazione plastica non è associata a
specifiche applicazioni.
Invecchiamento artificiale. Si applica a quei prodotti che sono invecchiati
artificialmente dopo processi che avvengono a elevate temperature, come getti o
estrusione, per incrementare la resistenza meccanica e la stabilità dimensionale.
Solubilizzato e invecchiato artificialmente. Si applica ai prodotti che non siano
stati deformati a freddo di un possa solubilizzazione, o in cui la deformazione plastica
è associata a specifiche applicazioni.
Solubilizzato e sovrainvecchiato. Si applica ai prodotti che sono stati solubilizzati e
invecchiati artificialmente oltre le condizioni di massimo rafforzamento, per ottenere
specifiche caratteristiche controllate, come stabilità dimensionale, tensioni residue
basse, o per incrementare la resistenza alla corrosione.
Solubilizzazione, deformazione plastica a freddo e invecchiamento artificiale a
condizioni sostanzialmente stabili. Si applica a quel prodotti che siano stati formati
a freddo per incrementare la resistenza o in cui la deformazione plastica è associata
a specifiche applicazioni. Differenti entità di deformazione plastica sono
contrassegnate con un secondo simbolo.
Solubilizzato, invecchiato artificialmente e deformato plasticamente. Si applica
ai prodotti che sono deformati a freddo come operazione finale, per incrementare la
resistenza.
Invecchiato artificialmente e deformato a freddo. Si applica ai prodotti che sono
invecchiati artificialmente dopo processi effettuati ad elevata temperatura, come getti
ode estrusione, e deformati a freddo per incrementare la resistenza.
Per i trattamenti che vanno dal T3 al T10 potrebbe essere necessario effettuare un periodo di
invecchiamento naturale per ottenere le caratteristiche desiderate.
Tali designazioni possono comprendere ulteriori numeri per leghe da trattamento termico in cui si debba
avere una diminuzione delle tensioni associate al trattamento termico. Per esempio:
Tx51a – Diminuzione dello stato tensionale effettuando uno stiramento. Tale stiramento, effettuato
dopo il trattamento di solubilizzazione e tempra, deve risultare dello 0,5-3% per le piastre e dell’1-3% per le
forme cilindriche e le altre forme. Tale designazione si applica direttamente a piastre rullate o tondini o
sbarre finite a freddo. Tale stiramento non incrementa il rafforzamento dei prodotti.
Tx52a – Diminuzione dello stato tensionale effettuando una compressione. Tale compressione,
effettuata dopo il trattamento di solubilizzazione, deve produrre una deformazione permanente del 2,5%.
Tx53a – Diminuzione dello stato tensionale effettuando un trattamento termico.
a
La lettera x rappresenta i numeri 3, 4, 6 o 8 quando applicabile.
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23
Al-Cu phase diagram
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Principi generali di rafforzamento per precipitazione
Le leghe da trattamento termico contengono dei quantitativi di elementi leganti solubili che eccedono i limiti
di solubilità della soluzione solida a temperatura ambiente e a temperature moderatamente più alte. La
quantità presente può essere inferiore o superiore a quello di massima solubilità alla temperatura eutettica.
La figura 1 mostra una porzione del diagramma di stato alluminio-rame e illustra queste due condizioni con
le principali relazioni tra solubilizzazione e precipitazione che vengono coinvolte. Due leghe che contengano
il 4,5 e il 6,3% di rame sono rappresentate come linee tratteggiate (a) e (b). Le relazioni di solubilità e il
comportamento a riscaldamento di queste composizioni approssimano quello delle leghe commerciali 2025
e 2219, e i principi possono essere applicati a tutte le altre leghe da trattamento termico.
Holding the 4.5 % Cu at solution temperature until equilibrium is attained causes the copper to go
completely into solid solution.
Reducing temperature, a driving force induce the supersaturated solid solution to originate some precipitate
from the excess of solute.
Driving force increases increasing supersaturation and decreasing temperature.
The rate of precipitate particles depends on the atom mobility, which is reduced as temperature decrease.
The solid solution formed at elevated temperature may be retained in a supersaturated state by cooling with
sufficient rapidity to avoid precipitation in the intermediate temperature range. Precipitation can occur
successively and can be controlled more precisely.
If precipitation phenomena is spontaneous at room temperature we call "natural aging". Precipitation can be
accelerated in these alloys by heating above room temperature; this operation is referred to as "artificial
aging" or "precipitation heat treating".
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Solution Heat Treating
The purpose of the solution heat treatment
is to obtain in solid solution the maximum
practical concentration of the hardening
solute such as copper, magnesium
together with silicon or zinc.
The diagrams below show that the
solubility of these elements increases
markedly with temperature. Furthermore,
the rate of solutions increases with
temperature,
because
of
increased
diffusion rate.
Solubility of some alloying elements in
aluminum.
Effect of solution heat-treating
temperature on the tensile properties
of 2014-T4 and 2014-T6 sheet.
It is very important good control and uniformity of temperature within the furnace.
Rate of heating to solution heat-treating may affect the grain size.
Air is the usual heating medium.
The time required at the solution heat-treating temperature depends upon type of product, alloy, casting or
fabricating procedures used and section thickness.
Times at temperature range generally from 8 to 12 hours.
In case of clad products it must be shorter: 10 to 30 minutes.
HAZARDS
Germinative grain growth in reheated components
Decreasing of resistance to corrosion if reheating temperature or time of treatment are not higher than the
first.
High temperature oxidation: formation of small rounded voids or crevice within the metal and by surface
blisters.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Precipitation In Specific Alloy Systems
Aluminum-Copper
SS → GP [1] → GP [2] → θ ’ → θ
Aluminum-Copper-Magnesium
SS → GP → S’ (Al2CuMg) → θ (Al2CuMg)
Aluminum-Magnesium-Silicon
SS → GP → β ’ (Mg2Si) → β (Mg2Si)
Aluminum-Zinc-Magnesium
SS → GP Zones [spherical] → M’ → M
T’ → T
Correlation of structures and hardness of Al-4 Cu alloy aged at two temperatures.
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Precipitazione
Il grado di sovrassaturazione e la velocità di diffusione variano in modo opposto con la temperatura.
Rappresentazione schematica dell’effetto della temperatura sulle grandezze che influenzano la velocità di
precipitazione.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Tempra
Il fine del trattamento termico effettuato dopo il processo di solubilizzazione è quello di preservare il più
possibile intatta la soluzione solida formatasi durante il trattamento di solubilizzazione; si effettua un rapido
raffreddamento (tempra) fino a bassa temperatura, generalmente temperatura ambiente.
E’ infatti importante non solo mantenere l’eccesso di soluto nella soluzione solida, ma mantenere anche
l’elevato numero di vacanze reticolari formatesi nella solubilizzazione per favorire la diffusione a bassa
temperatura e permettere la formazione dei precipitati metastabili rafforzanti.
In generale, come sarà chiarito meglio successivamente, i più elevati rafforzamenti sono associati alle
velocità di raffreddamento più elevate.
Effect of time and temperature in interrupted quenching experiments on tensile and yield strength of alloy
7075, expressed as percentages of strengths obtained by quenching without interruption.
Alloy Characteristics
Tensile strengths of six alloys as a function of average cooling rate during quenching.
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Invecchiamento
Caratteristiche di invecchiamento artificiale di due leghe di alluminio sotto forma di piastre.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Natural aging curves for binary Al-Cu alloys quenched in water at 100 °C.
Precipitation hardening curves for binary alloys quenched in water at 100 °C ad aged at 150 °C.
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Influenza delle dimensioni dei componenti
Average tensile properties of 7075-T651 plate as a function of thickness.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Leghe da getto
Dentriti e segregazioni.
Schematic representation of the origin of
cored dendritic structure and
interdendritic second-phase particles in
solid solution alloy.
Scanning electron micrograph of the center of an as-cast low-carbon steel ingot showing dendrite spikes
(primary arms) and second arms. (Unetched 10X).
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The result of this solidification sequence is a cored dendritic structure with solute content increasing
progressively from center to edge, and an interdendritic distribution of second phase particles or eutectic.
2024 as-cast ingot containing grains with constituent
particles along cored dendritic boundaries (100X).
3003 as-cast ingot structure containing principally
MnAl6 and Mn3SiAl12 constituents in a cored
dendritic structure (250X).
Distribution of copper in dendrite cell of chill
cast Al-4 Cu alloy in the as-cast condition.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Trattamenti termici dei lingotti
Ingot Preheating Treatments
Principal objective
Microstructure is quite heterogeneous
In particular
dendritic segregation or microsegregation
Improved workability
The choice of operating condition (time and temperature) depend on the solification rate other than the
alluminum alloy considered.
In fact increasing solidification rate, decreases chemical homogeneity in dendrite arm, but dendrite cell size
result smaller; therefore diffusion distance result reduced.
Alloy 2011 ingot as-cast. Structure: network of
CuAl2 (mottled) at boundaries od alluminum
grains, needles and other large particles of
Cu2FeAl7 and dark globules of lead and bismuth.
Keller’s reagent. 500X.
Same as over, but homogenized at 525 °C for 2
h. Note than the CuAl2 has coagulated into a
clear constituent and has partly dissolved .Fine
precipitate of CuAl2 within the aluminium grains.
Keller’s reagent. 500X.
Same, except the ingot was homogenized at 525
°C for 12 h. The CuAl2 at the grain boundaries
has almost completely dissolved, and there is
much fine precipitate of CuAl2 within the
aluminium grains. Keller’s reagent. 500X.
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Velocità di raffreddamento dopo colata.
Microstrutture risultanti per differenti velocità di solidificazione, ottenute da differenti processi di colata per
una lega Al-5%Si. Le dimensioni delle dendriti e delle altre particelle diminuiscono incrementando la velocità
di raffreddamento, passando da getti in sabbia a getti in stampi di acciaio a pressocolata. Attacco, 0.5% HF
(500X).
In case of cast alloy is necessary maximum toughness. We can use cooling rate quite fast to obtain many
small rounded particles of intermetallic phases.
To improve workability, cooling rate very slowly, to re-precipitate and coalesce the solute in an interdendritic
distribution of fairly large particles.
In some case, due to peritectic transformation and to relatively slow diffusion of some element, segregation
result just the reverse of that previously described. In these cases, ingot preheating treatments are designed
to produced precipitation of particles with dimensions of 100-1000 Å (dispersoids).
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Microstrutture delle leghe di Al
Una lega Al-Si conterrà quindi sempre quantità più o meno elevate di Si eutettico aciculare. La presenza di
questa fase può penalizzare le caratteristiche meccaniche in quanto questa forma può, sotto determinate
condizioni di stress, agire da concentratore di sforzo. Per minimizzare questo effetto la lega viene
modificata con aggiunte di minime quantità di Na il quale ha la proprietà di rendere globuliformi queste isole
di Si eutettico.
Le leghe a base Alluminio contengono ovviamente anche altri elementi oltre il Silicio (es. Cu, Fe, Mn, Ni).
Tali elementi possono modificare anche profondamente la struttura del materiale e quindi le sue
caratteristiche meccaniche ed il suo impiego. Per esempio il costituente β − (Al-Fe-Si) infragilisce il materiale
in quanto la sua morfologia è lamellare. Per ovviare a questo inconveniente vengono aggiunte modeste
quantità di manganese che rendono questa fase β di per sé meno dura e disposta in modo meno pericoloso
(forma di tipo “scheletrico”). La nuova fase è nota come α -(Al-Fe-Si-Mn).
Micrografie che illustrano differenti gradi di modifi-cazioni dell’eutettico da non modificato (A) a ben
modificato (F). Leghe Al-Si allo stato di getto prima di qualunque trattamento di solubilizzazione.
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Leghe Al-Si
NiAl3
Si eutettico (non
modificato)
i primario
In accordo con il diagramma di stato, la struttura è costituita da Si primario poligonale e Si eutettico
aciculare (in questo caso non modificato). La presenza in lega di Nichel provoca la formazione di
NiAl3 .
Si eutettico
modificato
F
ase β (Al-Fe-Si)
Microstruttura di lega eutettica modificata.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
Esempi - Lega ipo-eutettica non modificata.
L’immagine è stata processata in modo da fornire al primo impatto visivo la situazione strutturale della lega.
L’immagine è stata ottenuta al SEM miscelando il segnale di backscattering con quello degli elettroni
secondari. Il primo dei due segnali è proporzionale al numero atomico (la fase α appare infatti più chiara) e
da solo non riuscirebbe a discriminare tra Al e Si (D Z=1). Il secondo segnale - di natura esclusivamente
morfologica - esalta invece la presenza del Silicio.
Azzurro:
Matrice Al
Arancio: Si eutettico
non modificato
Bianco: α (AlFe-Si-Mn)
L’immagine, processata con falsi colori, costituisce una mappa di concentrazione chimica.
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Tabelle
Tabelle contenenti le composizioni chimiche, le caratteristiche meccaniche e la resistenza alla corrosione,
lavorabilità e saldabilità per le leghe di alluminio.
Dispense sulle Leghe di Alluminio
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Dispense sulle Leghe di Alluminio
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Dispense sulle Leghe di Alluminio
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Dispense sulle Leghe di Alluminio
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Dispense sulle Leghe di Alluminio
Applicazioni
MATERIAL
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ALUMINUM 2219 T851
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Dispense sulle Leghe di Alluminio
Sommario
L’ALLUMINIO .......................................................................................................................................................1
L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE. ...............................................................................................................2
Caratteristiche meccaniche.............................................................................................................................2
Costituzione delle leghe. .................................................................................................................................3
Fasi intermetalliche .....................................................................................................................................3
Principali elementi leganti...........................................................................................................................4
Microstruttura delle leghe di alluminio............................................................................................................7
Microscopia ottica delle leghe ....................................................................................................................7
Effetto della lavorazione .............................................................................................................................8
Effetto dei trattamenti termici .....................................................................................................................9
Microstrutture caratteristiche dei prodotti ................................................................................................10
Altre strutture..............................................................................................................................................10
Microscopia ottica di leghe da getto.............................................................................................................11
Classificazione delle Leghe di Alluminio ......................................................................................................14
Wrought aluminum alloys .........................................................................................................................14
Cast aluminum alloys ................................................................................................................................14
Work Hardening .............................................................................................................................................15
La metallurgia dei trattamenti termici ...........................................................................................................16
Sistema di designazione dei trattamenti termici .....................................................................................16
Annealing - Ricottura.................................................................................................................................17
Heat Treatments Connected with Plastic Deformation...........................................................................19
Al-Cu phase diagram.....................................................................................................................................24
Principi generali di rafforzamento per precipitazione ..................................................................................25
Solution Heat Treating...............................................................................................................................26
Precipitazione.............................................................................................................................................28
Tempra .......................................................................................................................................................29
Alloy Characteristics..................................................................................................................................29
Invecchiamento..........................................................................................................................................30
Leghe da getto ...............................................................................................................................................33
Dentriti e segregazioni...............................................................................................................................33
Trattamenti termici dei lingotti ..................................................................................................................35
Microstrutture delle leghe di Al .................................................................................................................37
Tabelle ............................................................................................................................................................40
Applicazioni ....................................................................................................................................................51
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