“Allenare” le leghe di alluminio ad alta resistenza per resistere allo snervamento

Grazie a un pretrattamento meccanico, possiamo insegnare alle leghe di alluminio a evitare le cricche e ad autoripararsi.

Le leghe di alluminio (Al) sono leggere, non magnetiche e autopassivanti. Le leghe di Al indurite per precipitazione possono essere rese relativamente resistenti, unendo peso ridotto e robustezza. È di grande importanza per i mezzi di trasporto, soggetti a forze variabili e con sollecitazioni di natura ciclica. Si stima che l’80% dei cedimenti siano dovuti allo snervamento. La sollecitazione ciclica che una lega può sostenere per un periodo prolungato (~10^7 cicli) senza cedimenti è nota come resistenza allo snervamento, ed è sempre inferiore alla sollecitazione di trazione massima. La resistenza allo snervamento (una proprietà dinamica) e il carico di rottura (una proprietà statica) sono correlate nel caso degli acciai: la prima è circa la metà della seconda. Sfortunatamente, dal punto di vista dello snervamento, le leghe di Al ad alta resistenza lasciano molto a desiderare. La Figura 1 mostra la correlazione tra lo snervamento e la resistenza alla trazione per tre delle più comuni leghe di Al indurite per precipitazione: AA2024 (Al-Cu-Mg), AA6061 (Al-Mg-Si), e AA7050 (Al-Zn-Mg-(Cu)). La resistenza allo snervamento delle leghe di Al è ~1/3 del loro carico di rottura. Nonostante gli sforzi degli scienziati dei materiali per modificarne la microstruttura, il corrispondente miglioramento della resistenza allo snervamento è molto inferiore al valore relativo ad un acciaio.

Cronaca di un cedimento

Il cedimento per fatica avviene per gradi. Inizialmente, il carico ciclico genera microplasticità e accumulo di danni irreversibili sotto forma di deformazioni localizzate (di solito associate a difetti nel materiale). Questa microdeformazione plastica fa insorgere una cricca, che cresce fino alla frattura finale. Tutte le fasi sono importanti, ma la loro influenza sulla vita del componente dipende dal tipo di carico esterno. Nello snervamento ad alto numero di cicli (high cycle fatigue, HCF), dove la sollecitazione ciclica è significativamente inferiore al carico di snervamento monotono, l’imputato principale è la deformazione plastica localizzata. In molte (ma non tutte) le applicazioni automotive, i cicli di sollecitazione alternata rientrano nel regime HCF, che è quindi quella più studiata. Un’importante eccezione è rappresentata dal settore aeronautico, caratterizzato da un minor numero di sollecitazioni di intensità maggiore. Qui la risposta allo snervamento a basso numero di cicli (Low-Cycle Fatigue, LCF) è di particolare interesse.

Risposta ad alto numero di cicli di snervamento delle leghe di alluminio indurite per precipitazione

Le leghe di alluminio indurite per precipitazione ottengono la loro alta resistenza da una distribuzione fine di particelle su scala nanometrica che si formano tramite un processo di nucleazione e crescita durante la lavorazione a temperature elevate. Il Prof. Christopher Hutchinson e il suo team del Dipartimento di Ingegneria e Scienza dei Materiali della Monash University di Clayton (Australia) hanno studiato il processo di precipitazione ed individuato i trattamenti che generano gli stati di resistenza più elevati. Nel loro lavoro hanno usato le leghe a commercio AA2024, AA6061 e AA7050. Questi materiali sono stati elaborati e preparati sia nello stato di iperinvecchiamento (Peak Aged, PA) che in uno stato sotto-invecchiato (Under Aged, UA). I precipitati nello stato UA sono più piccoli, e la frazione di volume ridotta, rispetto allo stato PA. I tempi di trattamento termico UA sono scelti per dare un incremento di indurimento circa la metà dell’incremento di indurimento totale osservato durante il trattamento PA.

Le microstrutture dei precipitati degli stati UA e PA delle tre leghe sono mostrate nelle Figure 2 e 3. Il carico di snervamento (σy), il carico di rottura (Ultimate Tensile Strength, UTS) e l’allungamento uniforme (εu) sono riassunti nella tabella 2. Il carico di snervamento e la resistenza a trazione dello stato UA sono inferiori allo stato PA per ogni lega.

La vita HCF (High Cycle Fatigue) di queste leghe è mostrata in Figura 4a-c. La resistenza alla fatica misurata sperimentalmente dei campioni di PA è stata aggiunta alla Figura 1. L’osservazione chiave nella Figura 4a-c è che lo stato UA più debole ha prestazioni HCF costantemente migliori a tutti i livelli di sollecitazione studiati rispetto allo stato PA più forte. Queste osservazioni sono l’opposto dell’opinione comune basata sulla correlazione tra la resistenza allo snervamento e la resistenza alla trazione degli acciai (Figura 5).

Localizzazione della plasticità nelle zone prive di precipitato

Una caratteristica chiave delle leghe di Al rinforzate con precipitati è la presenza di zone libere da precipitati (ZLP) adiacenti ai bordi dei grani (Grain Boundaries, GB). Le ZLP per le leghe esaminate in questo studio sono mostrate nelle immagini al microscopio elettronico in Figura 4d-f. Durante il carico a fatica, la plasticità si localizza in queste ZLP morbide. Le cricche iniziano quasi sempre sulla superficie del materiale e l’evoluzione di una superficie inizialmente liscia durante il carico ciclico fornisce una firma della localizzazione della plasticità. La Figura 6a,c,e mostra immagini di profilometria ottica delle superfici esterne dei materiali PA AA2024, AA6061 e AA7050 dopo ~10^5 cicli di carico. La localizzazione della plasticità nelle ZLP è chiaramente visibile dalla generazione di estrusioni e intrusioni di materiale adiacente ai confini dei grani con altezze di 100-150 nm. Al contrario gli stati UA (Figura 6b,d,f) mostrano molta meno localizzazione della plasticità. La maggiore omogeneità nella plasticità dei campioni UA ritarda l’inizio di una cricca e porta alla maggiore durata a fatica, anche se con una minore resistenza allo snervamento e alla trazione rispetto allo stato PA (Tabella 1).

Precipitazione dinamica nelle ZLP

Come hanno scoperto i ricercatori australiani, la precipitazione dinamica può essere indotta in leghe di Al a temperatura ambiente quando sono soggette a plasticità ciclica. In altre parole, il movimento alternato delle dislocazioni porta alla generazione di lacune (a causa del trascinamento delle dislocazioni) che possono mediare la diffusione e la precipitazione, anche a temperatura ambiente. Questo porta ad un effetto di rafforzamento pronunciato. Durante i cicli iniziali di fatica, la microplasticità è localizzata nelle ZLP morbide, ma il movimento delle dislocazioni genera dei vuoti che rafforzano le ZLP e danno una maggiore omogeneità di plasticità (Figura 6b,d,f). La precipitazione dinamica nelle ZLP può essere vista nelle immagini per ogni lega allo stato UA dopo il ciclo in Figura 7. La plasticità è anche localizzata nelle ZLP dei campioni di PA durante il ciclaggio (Figura 6a,c,e) ma poiché sono sia impoverite di lacune che di soluto, la generazione di lacune dovuta al movimento delle dislocazioni non ha soluto disponibile per facilitare la precipitazione dinamica e quindi non sono rinforzate.

Allenamento per un migliore comportamento alla fatica ad alto numero di cicli

Le ZLP nei materiali UA possono rafforzarsi dinamicamente a causa della precipitazione dinamica nei primi cicli di fatica, e questo aumenta la resistenza alla localizzazione plastica e all’inizio delle cricche da fatica. Con questa informazione, il Prof. Hutchinson e il suo team hanno identificato un approccio alternativo. Invece di usare un materiale PA tradizionale, possiamo invece iniziare con un materiale UA e progettare uno schema di allenamento ciclico specifico per riparare le ZLP mediante precipitazione dinamica.Tenendo presente che la formazione di nuove particelle porta al rafforzamento, hanno definito un programma di allenamento ciclico come mezzo per riparare le ZLP prima che il materiale sia sottoposto al suo normale HCF. Un esempio è mostrato in Figura 8a.

Il programma di allenamento viene applicato ad una sollecitazione più elevata rispetto al test HCF convenzionale. Questo allenamento è tipicamente di diverse centinaia di cicli. La precipitazione dinamica all’interno delle ZLP di ciascuna delle leghe UA dopo il processo di formazione (Fig. 8b), è stata esaminata al microscopio elettronico ed è mostrata in Figura 8c-e. Dopo l’allenamento sono state misurate le prestazioni HCF di questi materiali. Questi dati sono mostrati in Figura 4a-c. La vita a fatica della lega AA2024 dopo l’allenamento è migliorata di un ordine di grandezza rispetto allo stato PA tradizionale caricato a 200 MPa. Il miglioramento della durata è un fattore di 25x per l’AA7050 allenato rispetto allo stato PA caricato ciclicamente a livelli di stress simili. La resistenza alla fatica dei materiali allenati è stata aggiunta alla Figura 1 e ora si avvicina a ~1/2 della resistenza alla trazione. La prestazione di fatica è migliorata per i materiali più forti (7xxx), mentre il miglioramento è minore per le leghe più deboli (6xxx).

Nell’approccio del team australiano viene usata l’energia meccanica impartita nei materiali durante i primi cicli di fatica per rafforzare i punti deboli della microstruttura (le ZLP) attraverso i primi cicli di suddivisione della deformazione per guidare la precipitazione dinamica. Questo ritarda fortemente la localizzazione della plasticità e l’inizio delle cricche da fatica e porta ad un aumento della vita alla fatica e della resistenza allo snervamento. Si può immaginare come questo programma di allenamento potrebbe essere incorporato nei collaudi delle strutture che utilizzano questi materiali. Le dimensioni delle ZLP nelle leghe dipendono anche dalla lavorazione e sono molto più ampie in caso di raffreddamento lento. Più ampia è la ZLP, maggiore è il beneficio atteso da una procedura di allenamento. Questa procedura va progettata e applicata con attenzione per guidare la precipitazione dinamica nella ZLP, rafforzando questi punti deboli, ma senza portare a una deformazione localizzata eccessiva nella Zona Libera da Precipitati.

Il metodo delineato dal Prof. Hutchinson rappresenta un cambiamento concettuale nella progettazione microstrutturale. Invece di progettare una microstruttura forte e sperare che rimanga stabile il più a lungo possibile durante il carico di fatica, riconosciamo che la microstruttura sarà cambiata dal carico dinamico. Progettiamo una microstruttura di partenza (che può avere una resistenza statica inferiore) che cambierà in modo tale da migliorare significativamente le sue prestazioni a fatica. A questo proposito, la struttura viene allenata e il programma di allenamento viene usato per guarire le ZLP che altrimenti rappresenterebbero i punti deboli. L’approccio è generale e potrebbe essere applicato ad altre leghe indurite per precipitazione contenenti ZLP per le quali la prestazione a fatica è una considerazione importante.

di Marco Basso

Fonte: https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7

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