Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

I metalli vengono raramente utilizzati nella loro forma grezza e fusa. Per renderli abbastanza resistenti per aeroplani, automobili o edifici, gli ingegneri devono modificarne la struttura interna. Immaginate un blocco di metallo come una collezione di minuscoli cristalli, o grani, compattati tra loro. In un pezzo di alluminio morbido e non trattato, questi grani sono relativamente grandi e poco organizzati. Per rendere il metallo più duro e resistente, gli scienziati utilizzano una tecnica chiamata deformazione plastica severa. Questo processo consiste nel forzare il metallo attraverso uno spazio confinato senza cambiarne la forma complessiva, essenzialmente schiacciando i grani interni finché non vengono ridotti in pezzi molto più piccoli. Più piccoli sono i grani, più forte diventa il metallo, perché i confini tra di essi agiscono come barriere che impediscono al materiale di piegarsi o rompersi facilmente. Questo processo è fondamentale per le industrie che necessitano di materiali leggeri in grado di resistere a stress immensi.

In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di confrontare due metodi specifici di questo processo di schiacciamento per vedere quale funzionasse meglio per sottili strisce di alluminio. I due metodi sono noti come pressatura a canale uguale e pressatura multi-angolare a canale uguale. Entrambi prevedono l'immissione di una striscia di metallo attraverso una matrice, o stampo, che presenta canali intersecanti. La differenza risiede nel design: un metodo utilizza un singolo punto di intersezione, mentre l'altro ne utilizza due. Il team voleva sapere quale design avrebbe creato la struttura dei grani più fine e uniforme e avrebbe dato origine al materiale più resistente. Hanno scelto una comune lega di alluminio puramente commerciale, spesso utilizzata nell'isolamento e nella produzione generale, e hanno sottoposto questo materiale a tali processi fino a tre volte per vedere come il metallo cambiasse a ogni passaggio.

I ricercatori hanno iniziato con strisce di alluminio che erano state ammorbidite riscaldandole in un forno, un passaggio che aveva reso i grani interni grandi e uniformi. Successivamente, hanno fatto passare queste strisce attraverso le due diverse presse a temperatura ambiente. La prima pressa, quella a canale singolo, ha costretto il metallo attraverso una curva netta. La seconda pressa, quella multi-canale, ha guidato il metallo attraverso due curve successive. Dopo ogni passaggio, il team ha esaminato il metallo sotto potenti microscopi e ha testato quanta forza potesse sopportare prima di rompersi. Hanno anche misurato la resistenza del metallo ai graffi, una proprietà nota come durezza, e hanno osservato la superficie del metallo dopo la rottura per vedere come fosse avvenuto il cedimento.

I risultati hanno mostrato che entrambi i metodi hanno avuto successo nel scomporre i grandi grani in altri molto più piccoli, ma lo hanno fatto in modi diversi e con livelli di successo differenti. La pressa a canale singolo si è rivelata lo strumento più aggressivo. Dopo tre passaggi, ha ridotto la dimensione dei grani da un intervallo di fino otto micrometri a un intervallo di soli 2,4 micrometri. Questo processo ha creato un mix di grani molto fini e alcuni grani ultra-fini, quasi su scala nanometrica. Il metallo è diventato significativamente più forte e duro. La sua capacità di resistere alle forze di trazione, nota come resistenza alla trazione, è aumentata di quasi il 94%, e la sua resistenza alla deformazione permanente, o resistenza allo snervamento, è cresciuta di circa il 21%. Il metallo è anche diventato più duro al tatto, con un aumento della durezza superiore al 63% nella direzione della pressatura.

Anche la pressa multi-canale ha migliorato il metallo, ma i cambiamenti sono stati meno drammatici. Sebbene abbia raffinato i grani, la dimensione finale è rimasta maggiore, stabilizzandosi su un intervallo di fino 5,5 micrometri dopo tre passaggi. Il metallo è diventato più forte, con un aumento della resistenza alla trazione di circa il 129% e un aumento della resistenza allo snervamento di circa il 31%, ma l'effetto di indurimento non è stato intenso come quello del metodo a canale singolo. La durezza del metallo è aumentata di circa il 54% nella direzione della pressa, un risultato sostanziale ma comunque inferiore al risultato del canale singolo. I ricercatori hanno osservato che il processo multi-canale ha talvolta portato a una struttura leggermente più grossolana in certe aree, probabilmente perché il metallo ha subito un diverso schema di stress durante il movimento attraverso i due canali.

Quando il team ha esaminato come il metallo si rompeva, ha trovato prove chiare di questi cambiamenti interni. L'alluminio originale, morbido, si rompeva con buche grandi e profonde sulla superficie, un segno che si era teso e deformato facilmente prima di spezzarsi. Man mano che il metallo veniva lavorato, queste buche diventavano più piccole e superficiali. Questo spostamento indicava che il metallo era diventato più forte ma meno flessibile. Il metallo lavorato con il canale singolo ha mostrato la riduzione più significativa della dimensione delle buche, confermando che la sua struttura interna era stata alterata più drasticamente. Il team ha notato che, sebbene il metallo fosse diventato molto più forte, aveva anche perso parte della sua capacità di allungarsi, un compromesso comune in questo tipo di rinforzo.

Lo studio ha concluso che, sebbene entrambe le tecniche siano efficaci per raffinare la struttura delle strisce di alluminio, il metodo a canale singolo è superiore per ottenere la massima durezza e resistenza in questo specifico materiale. La pressa a canale singolo ha creato una struttura dei grani più uniforme e fine, portando a un effetto di rinforzo più pronunciato. La pressa multi-canale, pur essendo ancora vantaggiosa, ha prodotto un risultato leggermente più grossolano. Queste scoperte forniscono una guida chiara ai produttori: se l'obiettivo è rendere le sottili strisce di alluminio il più forti e dure possibile, il percorso di pressatura a canale singolo è la scelta più efficiente. La ricerca evidenzia come la specifica geometria di uno strumento possa determinare la qualità finale di un materiale, offrendo un modo preciso per personalizzare i metalli per applicazioni industriali esigenti.