Trattamenti termici per leghe di alluminio

La designazione delle leghe di alluminio è completata da un’ulteriore sigla che identifica eventuali trattamenti a cui è stata sottoposta; in Tabella 6 sono riportate le sigle integrative.

37 Designazione Principali elementi in lega

F Grezzo di fabbricazione O Ricottura completa

H

H1 Incrudimento

H2 Incrudimento e ricottura parziale H3 Incrudimento e stabilizzazione

H4 Incrudimento e verniciatura (ricottura parziale)

T

T1 Tempra in aria e invecchiamento naturale

T2 Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento naturale T3 Tempra, incrudimento e invecchiamento naturale T4 Tempra e invecchiamento naturale

T5 Tempra in aria e invecchiamento artificiale T6 Tempra e invecchiamento artificiale T7 Tempra e stabilizzazione

T8 Tempra, incrudimento e invecchiamento artificiale T9 Tempra, invecchiamento artificiale e incrudimento T10 Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento artificiale

Tabella 2.3 Designazione ASTM dei trattamenti per le leghe di alluminio. [47]

L’alluminio puro, come precedentemente accennato, non garantisce buone prestazioni meccaniche, per cui viene impiegato in forma di lega per garantire un primo rafforzamento meccanico grazie alla creazione di una soluzione solida. Il rafforzamento da soluzione solida, tuttavia, non è l’unico metodo di rafforzamento a cui possono essere sottoposte queste leghe.

Le leghe da deformazione plastica, in particolar modo le classi non trattabili termicamente, possono essere rafforzate unicamente tramite incrudimento: vengono quindi deformate plasticamente a freddo, aumentando la densità di dislocazioni all’interno del materiale e aumentandone la resistenza meccanica.

Simultaneamente all’aumento dello sforzo di snervamento e della durezza della lega si assiste, tuttavia, ad una diminuzione della duttilità e della tenacità del materiale. Le leghe incrudite sono, quindi, sottoposte a ricottura per ottenere un compromesso tra resistenza meccanica e duttilità: il trattamento, come illustrato in Figura 2.1, consiste in un riscaldamento ad una temperatura al di sotto di quella di fusione, alla quale il materiale viene mantenuto per un certo tempo, e un successivo raffreddamento lento in forno o in aria. Il riscaldamento consente l’addolcimento del materiale, con riduzione della densità di dislocazioni, il rilassamento delle tensioni accumulate e l’accrescimento del grano. L’entità del recupero della duttilità e la perdita di resistenza dipendono dalla temperatura del trattamento e dal tempo di mantenimento.

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Figura 2.1 Trattamento di ricottura.

Un secondo metodo di rafforzamento, a cui sono sottoponibili le leghe trattabili termicamente (sia da fonderia che da deformazione plastica), è l’indurimento per precipitazione; è un trattamento riservato unicamente alle leghe con Cu, Zn, Mg, Si, Li come principali elementi alliganti in quanto saranno gli atomi coinvolti nella formazione dei precipitati.

La presenza di precipitati all’interno del materiale permette la generazione di Frank Read e un rafforzamento del materiale tramite meccanismo di Orowan. Una dislocazione, durante il suo moto di slittamento lungo un piano di scorrimento, può incontrare due precipitati e, se sufficientemente resistenti, interrompere il suo moto: la linea di dislocazione viene quindi bloccata in corrispondenza dei precipitati, delimitandone un segmento chiuso. Se lo sforzo di taglio agente sul piano di scorrimento è sufficientemente elevato, la linea di dislocazione può andare incontro a flessione (com’è possibile osservare in Figura 2.2) e a chiudersi su sé stessa; quando i due rami della linea di dislocazione raggiungono una distanza sufficientemente piccola, coalescono dando origine ad una dislocazione ad anello e ripristinando la linea di dislocazione iniziale. Il rafforzamento viene quindi garantito dal maggior sforzo di taglio necessario per flettere la dislocazione, dal fenomeno di incrudimento che si genera e dalla distorsione locale del reticolo (e corrispondente campo di tensioni) che genera il precipitato.

Figura 2.2 Sorgente di Frank Read: (a) i precipitati bloccano la dislocazione, (b) la dislocazione si flette e (c) tende a richiudersi, (d) formazione di una linea di dislocazione ad anello e ripristino della dislocazione iniziale. [49]

Le leghe rafforzabili per precipitazione vengono quindi sottoposte ad un ciclo termico raffigurato in Figura 2.3 e costituito da tre fasi:

1) Solubilizzazione: il materiale viene riscaldato ad una certa temperatura, al di sotto della temperatura di fusione, e mantenuto per un certo tempo in modo da portare in soluzione gli elementi in lega nella matrice di alluminio e generare una soluzione omogenea;

2) Tempra in acqua: il materiale viene raffreddato rapidamente in modo da generare una soluzione sovrasatura; in questo modo gli elementi in lega non possono dar origine ai composti e ai costituenti previsti dai diagrammi di stato (in condizioni di equilibrio) e rimangono in soluzione;

3) Invecchiamento: può essere naturale, se eseguito a temperatura ambiente, o artificiale, se effettuato ad una certa temperatura (inferiore a quella di solubilizzazione). Durante

Temperatura

Tempo T_m

39 l’invecchiamento la temperatura è tale da promuovere la diffusione del soluto e permettere la formazione di composti intermetallici dispersi omogeneamente e finemente nella matrice.

Figura 2.3 Rafforzamento per precipitazione: solubilizzazione, tempra e invecchiamento.

L’invecchiamento prevede una fase di riscaldamento, mantenimento e raffreddamento (generalmente in aria calma). La temperatura e il tempo di mantenimento sono due parametri inversamente proporzionali: basse temperature consentono maggior controllo sulle dimensioni dei precipitati ma richiedono tempi lunghi, al contrario temperature più alte consentono di abbreviare il trattamento ma con un minor controllo.

La soluzione sovrasatura ottenuta dalla tempra è instabile da un punto di vista energetico per cui tenderà ad una configurazione di equilibrio tramite la diffusione degli atomi in lega. Si possono riconoscere tre fasi:

1) Dispersione atomica o sottoinvecchiamento: per tempi brevi la diffusione è sufficiente a formare addensamenti di atomi segregati, zone ricche di soluto in una matrice di atomi di alluminio con struttura coerente; questi segregati prendono il nome di zone di Guinier – Preston (o zone GP) e rappresentano la fase embrionale dei precipitati. In questa fase le loro dimensioni portano ad un lieve aumento della resistenza e della durezza, che aumenterà all’aumentare delle dimensioni delle zone GP;

2) Dispersione critica o ottimale: con l’avanzare del tempo di invecchiamento e della diffusione le zone GP evolvono sino a diventare precipitati semicoerenti; si ottengono precipitati finemente dispersi nella matrice di alluminio, con una struttura CFC (coerente con quella della matrice) e stechiometria pari a quella delle fasi di equilibrio; la formazione di queste fasi di equilibrio equivale a massimizzare il contributo alle proprietà meccaniche e segna la fine del trattamento;

3) Coalescenza o sovrainvecchiamento: se l’invecchiamento dovesse proseguire i precipitati evolverebbero verso una struttura incoerente ed un ingrandimento delle dimensioni, portando ad una diminuzione delle proprietà meccaniche.