Introduzione
Nell'era della transizione energetica, le costruzioni leggere svolgono un ruolo centrale nel settore automobilistico, dell'aviazione e dei trasporti. Per quanto riguarda l'elettromobilità, una riduzione di peso di 100 kg può far risparmiare fino a 0,64 KW/h per 100 km per un'autovettura [1]. Grazie alla loro elevata resistenza specifica, le leghe di alluminio sono tra i gruppi di materiali più importanti nella progettazione strutturale leggera. È possibile ottenere risparmi di peso fino al 30% sostituendo i componenti in acciaio con leghe di alluminio [2].
Le leghe AlMgSi sono materiali di alluminio con magnesio (da 0,6 a 1,2 masse-%) e silicio (da 0,4 a 1,3 masse-%) come principali elementi di lega [3]. Appartengono al gruppo delle leghe indurenti per precipitazione e possono essere ulteriormente rafforzate - ad esempio, dopo un processo di formatura - mediante uno specifico trattamento termico. Una classificazione delle condizioni di trattamento termico pertinenti è riportata nella norma DIN EN 515 [4].
Durante il trattamento termico, nel materiale si formano precipitati di magnesio silicizzato finemente dispersi. Questi distorcono il reticolo cristallino della matrice di alluminio e agiscono come un ostacolo al movimento delle dislocazioni. L'effetto di rafforzamento risultante, tuttavia, dipende fortemente dalla morfologia dei precipitati e dalla loro integrazione nella matrice di alluminio (coerenza). Nel caso delle leghe AlMgSi, si verifica il seguente ordine di precipitazione, presentato nella figura 1, con l'aumento della temperatura [5]:
I cluster fini e le zone di Guinier-Preston (zone GP1) che si formano per primi non portano a un rafforzamento significativo del materiale. Grazie alla fase β coerente a forma di ago che si sviluppa successivamente, il sistema di leghe raggiunge la massima resistenza. Successivamente, si sviluppa la fase β" semicoerente a forma di bastoncino. Questa successivamente si trasforma nella fase β di equilibrio (Mg2Si), che porta all'infragilimento della lega a causa delle sue dimensioni (100 nm e oltre) e dell'incoerenza. [5]
le zone1Guinier-Prestonsi formano in una lega metallica a causa di processi di segregazione in cui, al di sopra di specifiche temperature, gli atomi di un elemento di lega si assemblano per formare agglomerati a livello atomico fino a precipitati microscopici.
Analisi della morfologia del precipitato mediante calorimetria a scansione differenziale
La formazione e la dissoluzione delle precipitazioni costituiscono processi eso- o endotermici che portano all'assorbimento o al rilascio di calore. Con l'aiuto della calorimetria differenziale a scansione (DSC), questi calori di reazione possono essere registrati in funzione della temperatura. Durante le misurazioni DSC, un crogiolo con un campione e un crogiolo di riferimento, solitamente vuoto, sono sottoposti a un programma tempo-temperatura definito in una camera di temperatura simmetrica. Il crogiolo serve a evitare la contaminazione della cella di misura da parte del materiale da analizzare. Durante l'esperimento, sia la temperatura del campione che quella del riferimento vengono misurate per mezzo di termocoppie. Grazie alla disposizione simmetrica dei lati del campione e del riferimento e a un ponte termico definito nel mezzo, è possibile determinare il flusso di calore o l'entalpia di reazione. Pertanto, da un lato, la DSC consente di determinare le temperature necessarie per la formazione delle fasi di precipitazione; dall'altro, permette di trarre conclusioni sullo stato microstrutturale esistente in base alle entalpie di trasformazione misurate.
I materiali metallici sono solitamente caratterizzati in calorimetri a scansione differenziale ad alta temperatura (oltre i 750°C) per rilevare le loro temperature diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione. Tuttavia, a seconda del materiale o dell'effetto da analizzare, possono essere adatti anche dispositivi a bassa temperatura.
Grazie alle termocoppie - solitamente di tipo E - i dispositivi a bassa temperatura sono caratterizzati da una sensibilità al flusso di calore significativamente più elevata nel rispettivo intervallo di misurazione rispetto alle apparecchiature ad alta temperatura, ad esempio, con termocoppie di tipo S. Secondo la norma DIN EN 60584-1 [7], il tipo E presenta una tensione termica differenziale per Kelvin a 300°C circa otto volte superiore a quella di un elemento di tipo S. Ciò rende i dispositivi a bassa temperatura più sensibili al flusso di calore. Ciò rende i dispositivi a bassa temperatura particolarmente adatti ad analizzare gli effetti termici di small.
La Figura 2 mostra un diagramma di flusso termico da 30°C a 450°C di un campione di AlMgSi non completamente indurito, simile a uno stato T42 utilizzato nelle operazioni di formatura. La misurazione è stata effettuata in atmosfera di N2, con una velocità di riscaldamento di 10 K/min e utilizzando crogioli di alluminio Concavus®. Dato l'intervallo di temperatura di indagine da 30°C a 560°C e lo strato di passivazione del campione e del crogiolo, si può presumere che non avvenga alcuna reazione tra i due. Come riferimento è stato utilizzato un crogiolo vuoto select. Sulla base di una lastra semilavorata con uno spessore di 1,0 mm, i campioni sono stati preparati in dischi cilindrici mediante un processo di taglio e successiva rettifica. Sulla base delle entalpie di trasformazione previste, relativamente small di pochi J/g, è stato selectun peso iniziale relativamente large di 25 mg ± 0,5 mg. Per sicurezza statistica, tutte le misurazioni sono state effettuate tre volte.
2 Stato T4: trattato in soluzione, temprato e invecchiato naturalmente in conformità alla norma DIN EN 515 [3]
Strato di passivazione
La passivazione è la formazione di una sorta di "pellicola protettiva" sulla superficie di alcuni metalli. Contrasta la corrosione ed è alimentata dagli stessi elementi che la innescano. Lo strato di passivazione deve avere un'alta densità e una bassa porosità. Allo stesso tempo, per ottenere un'elevata compattezza, lo strato deve essere molto sottile e distribuito in modo omogeneo sulla superficie del metallo.
Il DSC a bassa temperatura NETZSCH è dotato di un sensore di misura altamente preciso (precisione entalpica < 1% per l'indio) e, a seconda del sistema di raffreddamento utilizzato, consente di effettuare misure fino a 750°C (a seconda del modello) e di raggiungere velocità di riscaldamento e raffreddamento comprese tra 200 e 500 K/min (a seconda del modulo). È inoltre dotato di una cella di misura a tenuta di gas, che consente l'accoppiamento a uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier (FT-IR) o a uno spettrometro di massa (MS), nonché l'impostazione di atmosfere definite.
Nel primo effetto EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico, da circa 150°C a 240°C, i cluster small e le zone GP presenti nella microstruttura e che fungono da nuclei si dissolvono (fig. 2). Inoltre, i precipitati di larger continuano a crescere. Al di sopra di una dimensione critica di nucleazione, si verifica una reazione esotermica da circa 240°C a 340°C; ciò è attribuibile alla formazione della fase coerente β' e semicoerente β". La differenziazione diretta dei segnali calorici non può essere effettuata sulla base della misurazione. Sia Fang et al. [8] che Gaber et al. [6] documentano una sovrapposizione dei due picchi di precipitazione dipendente dal rapporto tra Mg e Si, che impedisce anche in questo caso la separazione degli effetti calorici. Non essendo nota l'esatta composizione delle leghe qui studiate, non è possibile trarre ulteriori conclusioni. A partire da circa 410°C si forma la fase β incoerente. Subito dopo (a partire da circa 500°C), questi precipitati si dissolvono nuovamente, il che spiega l'ultimo effetto EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico.
La figura 3 mostra l'influenza di un precedente trattamento termico di mezz'ora a 180°C e 220°C rispetto allo stato iniziale. Il trattamento termico è stato realizzato nel DSC - in una sezione del programma precedente non visualizzata qui. Il diagramma mostra il successivo riscaldamento a 560°C. Il trattamento per 30 minuti a 180°C tende a ridurre il picco EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico a circa 220°C. Rispetto allo stato iniziale, l'entalpia media diminuisce da 1,98 ± 0,19 J/g a 1,77 ± 0,09 J/g (figura 4 a). Inoltre, anche l'area del picco della precipitazione esotermica delle fasi β' e β" a circa 270°C diminuisce leggermente da -5,88 ± 0,26 J/g a -5,07 ± 0,34 J/g (figura 4 b). Si può ipotizzare che entrambe le reazioni, cioè la dissoluzione del cluster subcritico e delle zone GP insieme alla formazione della fase β' o β", siano avvenute in misura minore durante il precedente trattamento termico a 180°C.
Aumentando la temperatura a 220°C con lo stesso tempo di mantenimentolarges l'effetto. Come mostrato nelle figure 4a) e 4b), sia il picco di dissoluzione endotermica che la formazione di precipitati esotermici si riducono significativamente, fino a valori di 0,84 ± 0,09 J/g e -1,26 ± 0,22 J/g, rispettivamente. In conclusione, una large percentuale di fasi β' o β" è già presente nella microstruttura. La misura in cui il potenziale di precipitazione rimanente contribuisce all'aumento della resistenza del materiale, o la misura in cui il programma di temperatura può essere ottimizzato, dovrebbe essere determinata utilizzando anche test meccanici come le prove di trazione. Un dettaglio importante è che, nel caso di entrambi i trattamenti di temperatura, l'entalpia di reazione della crescita della fase β (effetto EsotermicoUna transizione campionaria o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico a circa 410°C) e la successiva dissoluzione endotermica dei precipitati non cambiano sostanzialmente (vedi figura 3).
Sintesi
Le leghe AlMgSi sono materiali di alluminio che possono essere rafforzati dalla formazione di precipitati indotti dalla temperatura. La formazione e la dissoluzione dei precipitati di magnesio silicizzato finemente dispersi costituiscono quindi effetti eso- ed endotermici dell'ordine di una cifra J/g. I calorimetri differenziali a bassa temperatura sono solitamente impiegati per l'analisi di sostanze a bassaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, come i polimeri, e sono caratterizzati da un'elevata sensibilità al flusso di calore. Con l'aiuto del DSC a bassa temperatura, questi effetti possono essere quantificati con precisione. Sulla base di misure comparative, è possibile trarre conclusioni sulle temperature di formazione e sulla morfologia risultante. Oltre all'analisi fondamentale dei meccanismi in atto, è possibile progettare layout di trattamento termico ottimizzati dal punto di vista energetico e della resistenza, in combinazione con altri metodi di prova, come le prove di trazione monoassiale.