Ricostruzione sperimentale della curva di invecchiamento della lega di Alluminio 7020

FacoltĂ di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

Ricostruzione sperimentale della curva di invecchiamento della lega di Alluminio 7020 Corso di metallurgia dei metalli non ferrosi

Docente: Prof. Diego Colombo

Studenti: Mattia Caracristi Stefano Mezzavilla Federico Selber Stefano Zanol

1. OBBIETTIVO L’esperienza di laboratorio ha come scopo quello di ricavare sperimentalmente la curva di invecchiamento della lega di alluminio 7020 alla temperatura di 165°C misurando la durezza Vickers su campioni trattati per un periodo di 14 giorni.

2. CENNI TEORICI L’ergal Appartiene alla classe delle leghe per lavorazioni plastiche, gruppo 7000 (leghe Al-Zn-Mg), dette ergal: sono le leghe molto utilizzate in campo aerospaziale, nelle applicazioni strutturali di forza e sono in grado di raggiungere le migliori caratteristiche meccaniche tra tutte le leghe di alluminio.

Sono leghe di alluminio che si contraddistinguono per un'ottima resistenza meccanica ma maggiore suscettibilità agli agenti corrosivi, a causa della presenza dello zinco. Questa debolezza può essere corretta tramite l'aggiunta di piccole dosi di argento o zirconio.

Un particolare tipo di ergal, detto "titanal", caratterizzato dalla presenza di titanio, zirconio e cromo (in percentuali dell'ordine dello 0,1%) raggiunge resistenza allo snervamento di circa 1200 MPa (per contro, il titanio puro raggiunge appena i 500 MPa). L'ergal è disponibile in una gamma completa di viteria e il suo utilizzo è ampliamente diffuso nel settore aeronautico, nel settore motociclistico agonistico o amatoriale; oppure è utilizzato per pezzi di artiglieria che montano spolette contenenti materiale biologico.

Serie 7000 Il principale elemento è lo zinco, l’elemento che ha la solubilità più elevata nell’alluminio, e con esso forma un eutettico ad una concentrazione del 95% in peso di Zn alla temperatura di 382 °C: così, per quasi tutte le composizioni, si ha solidificazione di una soluzione solida primaria; al calare della temperatura il suo campo di stabilità crolla e si ha precipitazione di zinco. Generalmente le leghe binari Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg. Si tratta di leghe da trattamento termico; queste leghe sviluppano le caratteristiche meccaniche più elevate tra le leghe d’alluminio; lo zinco aumenta la resistenza e la durezza, oltre a favorire l’autotemprabilità della lega. Le leghe Al-Zn-Mg, trattate termicamente, hanno la più elevata resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio.

Le leghe con le caratteristiche meccaniche più elevate possono presentare sensibilità a tensocorrosione; per questo motivo sono stati sviluppati trattamenti "stabilizzanti" specifici.

Presentano buona lavorabilità alle macchine utensili e, nella maggior parte dei casi, scarsa saldabilità per fusione. Vengono utilizzate per strutture aeronautiche e di mezzi di trasporto, ed in generale per parti molto sollecitate.

Lega 7020 Ora che abbiamo illustrato le caratteristiche salienti delle leghe della serie 7000 possiamo andare a guardare più nello specifico e confrontare la nostra lega con quelle maggiormente utilizzate. In tabella 1 si raffrontano le caratteristiche composizionali di alcune leghe della serie 7000.

Lega

Al

Zn

Mg

Mn

7005 91.0÷94.7

4.0÷5.0

1.0÷1.8

7020 91.2÷94.7

4.0÷5.0

1.0÷1.4

7050 87.3÷90.3

5.7÷6.7

1.9÷2.6

< 0.10

7075 87.1÷91.4

5.1÷6.1

2.1÷2.9

7175 88.0÷91.4

5.1÷6.1

2.1÷2.9

Cr

Ti

Other Other (each) (total)

Fe

Si

Cu

Zr

0.20÷0.70 0.06÷0.20 0.01÷0.06

< 0.40

< 0.35

< 0.10

0.08÷0.20

< 0.05

< 0.15

0.05÷0.50 0.10÷0.35

-

< 0.40

< 0.35

< 0.20

0.08÷0.20

< 0.05

< 0.15

< 0.04

< 0.06

< 0.15

< 0.12

2.0÷2.6

-

< 0.05

< 0.15

< 0.34

0.18÷0.28

< 0.20

< 0.50

< 0.40

1.2÷2.0

-

< 0.05

< 0.15

< 0.10

0.18÷0.28

< 0.10

< 0.20

< 0.15

1.2÷2.0

-

< 0.05

< 0.15

Tab. 1 – Composizione chimica di alcune fra le principali leghe della serie 7000 Possiamo notare come queste leghe abbiano un quantitativo di elementi in lega abbastanza simile: solo in seguito le caratteristiche meccaniche verranno sviluppate grazie a processi termici che faranno risaltare le piccole differenze composizionali. Come si nota dalla tabella la nostra lega è molto simile alla 7005: si potrà quindi fare un raffronto sperimentale anche su tale lega per quanto riguarda la comparazione fra i risultati sperimentali e quelli presenti in letteratura.

Indurimento per precipitazione Tramite questo procedimento, chiamato anche PH (Precipitation hardening), si aumenta la durezza della lega attraverso la formazione di precipitati, ovvero particelle di una fase diversa da quella della matrice, immerse in essa stessa. In letteratura si utilizza anche il termine "indurimento per invecchiamento", poiché le proprietà meccaniche della lega trattata aumentano con il tempo.

L'invecchiamento può essere ottenuto anche artificialmente, mantenendo la lega a temperature più alte di quella ambiente (tipicamente dell'ordine dei 100÷200 °C le leghe di alluminio), e così accelerando il processo di formazione dei precipitati.

Questo procedimento prevede due diversi stadi:

trattamento termico di soluzione (tempra di solubilizzazione): si procede col riscaldare la lega in maniera tale da far sì che tutti gli elementi si trovino in una soluzione monofasica con gli elementi di lega presenti oltre il limite di solubilità nella lega. Successivamente si stabilizza questa situazione (essa, essendo una soluzione sovrassatura, è instabile per cui gli elementi di lega tenderebbero a precipitare come composti di altra fase nella matrice) attraverso una tempra (raffreddamento veloce).

trattamento termico di precipitazione: si riscalda la lega sovrassatura ad una temperatura tale che gli elementi presenti oltre il limite di solubilitĂ tendono a precipitare come particelle finemente disperse nella matrice. Questo procedimento porta ad un aumento di durezza in funzione del tempo, fino ad un massimo, e successivamente ad una decrescita della durezza. Questo processo, anche noto con il termine invecchiamento si divide in tre zone: o

sottoinvecchiamento: se il materiale non ha ancora raggiunto il massimo della durezza raggiungibile;

o

invecchiamento di punta: se il materiale viene invecchiato sino a raggiungere la durezza massima;

o

sovrainvecchiamento: se il materiale ha superato il massimo della durezza raggiungibile.

Fig. 1 â&#x20AC;&#x201C; Invecchiamento di una lega di alluminio Due differenti trattamenti termici possono causare l'indurimento per precipitazione, l'indurimento per precipitazione attraverso tempra, che comporta la formazione di una soluzione solida monofase, e l'indurimento per precipitazione a caldo, che comporta l'aggiunta di elementi di lega che precipitano in soluzione solida. In questo articolo sarĂ discusso quest'ultimo trattamento termico.

L'indurimento per precipitazione, anche detto invecchiamento o indurimento per dispersione, consiste in un insieme di trattamenti termici atti al miglioramento delle caratteristiche meccaniche di materiali metallici, specialmente leghe non ferrose, comprese molte leghe di alluminio, magnesio e titanio. Esso consiste nel portare la lega metallica a temperature alle quali cambiano le solubilitĂ dei vari elementi di lega, in maniera da produrre del precipitato fine degli elementi stessi, che, ostacolando il movimento delle dislocazioni, o deformando il reticolo cristallino, migliora le proprietĂ meccaniche di durezza e resistenza statica della lega trattata.

A causa del tempo che ci vuole, ad alta temperatura, affinché gli elementi di lega, precipitando, formino un fine particolato all'interno della matrice metallica, questo trattamento viene anche indicato col termine di invecchiamento.

Cinetica e termodinamica Questa tecnica sfrutta il fenomeno della supersaturazione, e richiede un attento bilancio delle forze responsabili della precipitazione e dell'energia di attivazione termica, affinché si verifichino i processi voluti, evitando quelli indesiderati.

La nucleazione avviene a temperature relativamente elevate (spesso appena sotto il limite di solubilità), cosicché la barriera cinetica dell'energia di superficie può essere più facilmente superata, ed si può ottenere il massimo numero di particelle precipitate. Si accrescono dunque queste particelle a temperature più basse nel processo chiamato invecchiamento. Questo processo è condotto sotto condizioni di bassa solubilità, in maniera tale che la termodinamica permetta la formazione di un volume totale maggiore di formazioni precipitate.

La dipendenza esponenziale della diffusione in funzione della temperatura rende il processo di rafforzamento tramite precipitati, come tutti i trattamenti termici, un processo piuttosto delicato.

Una diffusione troppo scarsa (sotto-invecchiamento) renderà le particelle troppo piccole per poter ostacolare con efficacia il movimento delle dislocazioni; d'altra parte un sovra-invecchiamento comporterà particelle in scarsa quantità e troppo distanti tra loro per interagire con la maggior parte delle dislocazioni.

L'indurimento per precipitazione è possibile se il confine di solubilità solida si sviluppa fortemente verso il centro del diagramma di fase. Sebbene sia desiderabile un gran volume di precipitato, abbastanza poco elemento di lega dovrebbe essere aggiunto in maniera tale da lasciare la lega facilmente solubile ad una certa temperatura di bonifica.

Gli elementi usati per il meccanismo della precipitazione, in leghe di alluminio o titanio tipiche, costituiscono circa il 10% della loro composizione. Mentre leghe di tipo binario, con un solo elemento aggiunto, sono più facilmente trattabili dal punto di vista teorico, anche come esercizio accademico, le leghe commerciali utilizzano perlopiù tre elementi per l'indurimento per precipitazione., in leghe come la Al-Mg-Cu, o la Ti-Al-Va. Possono essere naturalmente aggiunti un gran numero di microalliganti (elementi presenti nella lega in bassissime percentuali) per avere affinamento della grana cristallina, o per aumentare la resistenza a corrosione.

Molte leghe di questo tipo necessitano di temperature di stoccaggio particolari, se si vuole un invecchiamento una volta messe in opera. Ad esempio in una struttura aeronautica, può accadere che si tenga in ghiaccio secco la lega di alluminio da rivettare, ed una volta rivettata l'invecchiamento che avviene a temperatura ambiente serra la struttura insieme. Può anche accadere che effetti di sovrainvecchiamento indesiderati richiedano ulteriori e costosi trattamenti termici in parti della struttura già montata.

3. PROVE DI MICRODUREZZA Microdurometri La durezza di un oggetto o di un materiale è la resistenza che esso mostra ad una deformazione superficiale permanente. I test di durezza sono la metodologia utilizzata per misurare e valutare la resistenza del materiale alla deformazione quando è soggetto ad una forza esterna o ad un carico.

Mentre esistono numerosi approcci per valutare la durezza (test di graffiatura, rimbalzi, e di abrasione, per citarne solo alcuni) i microdurometri sono sviluppati per eseguire facilmente una serie di test statici di penetrazione. Progettati per un uso semplice ed efficace, questi strumenti offrono accessori opzionali che possono permettere di eseguire una vasta gamma di test personalizzati e di soddisfare particolari esigenze.

Il termine “microdurezza” è riferito alle dimensioni dell’impronta risultante. Il termine durezza di “micropenetrazione” è forse una descrizione migliore. A parte questo, molte forme di test utilizzano carichi di 2 kg o meno.

Microdurezza Vickers Il metodo Vickers fu introdotto in Inghilterra nel 1925. La prova consiste nel far penetrare, nel pezzo di cui si vuol saggiare la durezza, un punzone di diamante con forma di piramide retta a base quadrata con angolo al vertice di 136° e ad al ta finitura superficiale. La profondità di indentazione è circa 1/7 della lunghezza della diagonale. La geometria del penetratore Vickers è la stessa che viene usata nei test convenzionali “macro” Vickers. In figura 2 è mostrato lo schema:

Fig. 2 – Valutazione delle impronte di microdurezza Operazione principale è misurare la diagonale dell’impronta lasciata sulla superficie del pezzo dopo aver tolto il carico applicato che in genere varia tra 100÷500 g.

Questa prova, essendo il penetratore di diamante, è particolarmente indicata per materiali duri ed inoltre, come è stato confermato sperimentalmente su materiali di tutte le durezze, i risultati che si ottengono sono indipendenti dal carico applicato. Solo se si opera con carichi inferiori ai 100g questo non è rispettato; a causa del recupero elastico della deformazione data dall’impronta,

infatti, si osservano incrementi nei valori di microdurezza rispetto a quelli che ci si attenderebbero.

La macchina studiata per realizzare queste prove permette un’esecuzione rapida e precisa delle misure. Il carico è da fissare in relazione alla durezza del pezzo (inizialmente si deve fare un test per cercare quello che dia un’impronta ben visibile) e può raggiungere al massimo i 980 N. La sua applicazione è fatta automaticamente; anche il tempo di applicazione del carico, che può variare entro intervalli molto ampi, è regolato automaticamente permettendo di avere condizioni rigorosamente costanti durante tutte le prove. Su un materiale omogeneo si ha una misura corretta quando l'impronta è significativamente più ampia dei grani cristallini.

Fig. 3 – Impronta al microdurometro L’impronta che si ottiene sul pezzo è sempre di piccole dimensioni e la sua misura viene fatta attraverso un microscopio che si sovrappone automaticamente (vedi Fig.3). Bisogna regolare correttamente l’intensità luminosa e lavorare ad ingrandimenti adeguati alle dimensioni dell’indentazione. Con l’approssimazione di 1/1000 di mm viene misurata la diagonale (d) dell’impronta mediante un sistema micrometrico con un traguardo fisso ed uno mobile nel campo oculare. Si risale così immediatamente alla durezza (in HV), tramite la formula:

 136  2 ⋅ F ⋅ 0,102 ⋅ sen  F F  2  HV = = = 0,189 ⋅ 2 2 S d d dove il fattore di conversione 0,102 serve per riportarsi all’unità di misura kg/mm² originariamente adottata. Infatti il numero di durezza Vickers non è altro che il rapporto del carico applicato all’indentatore (F) rispetto all’area della superficie dell’impronta (S).

Fra gli altri vantaggi di questo metodo vi sono la possibilità di misurare le durezze di pezzi finiti, date le ridotte misure dell’impronta e quella di effettuare misure anche sui metalli più duri; si possono inoltre testare pezzi di piccolo spessore, o in generale di piccole dimensioni, riducendo il carico anche fino a 10 N. Data l’applicazione automatica del carico e la dimensione quadrata dell’impronta, il metodo Vickers ha il vantaggio di una notevole precisione nelle misure. Una delle applicazioni tipiche della prova di microdurezza Vickers è il controllo dei trattamenti superficiali.

Eseguendo una sezione metallografica di un componente trattato alla superficie è possibile verificare la conformità dei risultati alle aspettative. In particolare, applicazioni comuni si hanno nel caso della tempra superficiale, della cementazione e nitrurazione, ecc..

4. PROCEDURA SPERIMENTALE Materiale impiegato Sega circolare Forno elettrico ventilato Cella frigorifera Resina epossidica bifasica Inglobatrice Lappatrice Plastilina Pressatore manuale Microdurometro

Preparazione campioni Oggetto di questa sperimentazione sono dei campioni della lega di alluminio 7020, ricavati da una geometria tubolare dalla quale, a seguito di lavorazioni meccanica di taglio e piegatura, abbiamo ricavato 12 campioni uguali delle dimensioni necessario ad ottenere l’inglobamento dei campioni.

I campioni sono stati poi inseriti in un forno elettrico ventilato a temperatura di 90 °C per 16 ore p er effettuare il primo stadio del trattamento e in seguito a 165 °C per tempi variabili (da 15 minuti a 1 4 giorni) per effettuare il secondo stadio dell’invecchiamento. I provini che terminavano il trattamento venivano conservati in una cella frigorifera per bloccare un eventuale invecchiamento naturale.

Per eseguire le prove di microdurezza, terminato il trattamento termico, i campioni sono stati inglobati con resina epossidica bifasica a caldo e successivamente lappati con carta abrasiva (a granulometria crescente: 300, 800, 1200) in modo da ottenere un superficie liscia.

Dopodichè i provini sono stati adagiati su un supporto con una base di plastilina e pressati manualmente in modo che la superficie fosse perfettamente parallela al piano di lavoro, per non commettere errori di parallasse nel valutare le impronte.

Trattamenti termici I parametri del trattamento termici di invecchiamento da eseguire, quali tempi e temperature sono indicate dalla Norma UNI 7791, che riportiamo di seguito:

"Tempra all’ aria ventilata da 450÷480 °C dopo riscaldamento per 0,5÷3 h a regime, con velocità di raffreddamento non minore di 1°C/s nell’ intervallo 200÷400 °C; attesa di 2÷5 d a temperatura ambiente. Invecchiamento artificiale isotermico con un primo stadio a 90÷100 °C per 6-12 h e un secondo stadio a 145÷155 °C per 8÷15 h."

I trattamenti da noi adottati hanno lo scopo di evidenziare l’influenza di differenti tempi di solubilizzazione e di differenti tempi del trattamento di primo invecchiamento sulla microstruttura e sulla durezza del campione, tenendo costanti temperatura e tempo per il trattamento di secondo invecchiamento.

Solubilizzazione Il primo trattamento termico è stato effettuato mantenendo i campioni ad una temperatura di 470°C per un tempo complessivo di 6h per far si che il materiale si omogeneo in tutta la sua sezione.

L’operazione successiva è il raffreddamento dalla temperatura di solubilizzazione alla temperatura ambiente; infatti se fatto troppo lentamente, come enunciato precedentemente nella parte teorica, non permette di ottenere una soluzione sovrassatura, che è la condizione indispensabile per avere precipitazione durante la fase di invecchiamento, ma causerebbe uno smiscelamento indesiderato dell’elemento in lega. Nel nostro caso il raffreddamento è stato fatto in acqua e quindi con velocità superiore a quella minima consigliata dalla normativa posta in 1°C/s tra i 200 e i 400°C.

Invecchiamenti primario Finito il trattamento di solubilizzazione i campioni sono stati inseriti nel forno elettrico e mantenuti alla temperatura di 90°C per 12h. Lo scopo dell’inv ecchiamento primario ha lo scopo di dare il via alla precipitazione. Terminato il periodo di trattamento i campioni sono stato messi nel congelatore a bassa temperatura, in modo da bloccare l’accrescimento dei precipitati.

Invecchiamento secondario Il secondo stadio prevede che i campioni siano inseriti nel forno elettrico ad una temperatura di 165°C ed estratti singolarmente come descritto in t abella:

PROVINO A1 A2 A3 A4 A5 A6

TEMPO 15 min 30 min 1h 2h 4h 8h

PROVINO A7 A8 A9 A10 A11 A12

Tab. 2 – Tempi di invecchiamento dei campioni

TEMPO 16 h 1 gg 2 gg 4 gg 8 gg 14 gg

5. DATI E RISULTATI OTTENUTI Dati prove di microdurezza Dopo aver inglobato, lappato e posizionato correttamente i provini in maniera perfettamente orizzontale è possibile eseguire le prove di microdurezza, dove viene misurata la diagonale dell’impronta. Dal valore di d mediante tabelle si risale immediatamente alla durezza che è calcolabile con la formula vista precedentemente.

HV = 0,189 ⋅

F d2

Abbiamo effettuato le prove cercando sempre di raddoppiare il tempo della prova successiva per avere dei valori ben dispersi su scala logaritmica. Di seguito sono riportati i dati ricavati dalle analisi dei provini trattati.

PROVINO A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12

µm 24,0 21,0 22,0 18,0 18,0 18,0 20,0 21,0 22,0 23,5 22,0 23,0

µm 23,0 23,5 21,0 22,0 18,0 19,0 20,0 20,0 22,0 22,5 23,0 24,0

d µm 24,0 23,5 23,0 20,0 18,0 19,5 19,0 21,0 21,0 24,0 22,0 22,0

µm 23,0 22,0 21,0 20,0 18,0 18,5 19,0 20,0 23,0 23,0 24,0 24,0

µm 23,0 22,5 22,0 20,0 19,0 20,0 21,0 20,0 22,0 23,5 23,0 23,0

MEDIA µm 23,4 22,5 21,8 20,0 18,2 19,0 19,8 20,4 22,0 23,3 22,8 23,2

TEMPO h 0,25 0,5 1 2 4 8 16 24 48 96 192 336

DUREZZA HV 102 110 117 139 168 154 142 134 115 102 107 103

Tab. 3 – Risultati delle prove di microdurezza Curva di invecchiamento sperimentale Tramite i dati sperimentali ottenuti possiamo costruire la curva di invecchiamento a 165 °C della lega 7020 (Fig. 4). Vediamo come la curva assuma il tipico andamento teorico a campana:

una zona di sottoinvecchiamento dove la durezza del materiale è poco superiore a quella del materiale solubilizzato (che possiamo prendere pari a circa 100 HV);

una zona di massimo, dove il materiale sviluppa le caratteristiche di durezza massime, che possiamo considerare dove il materiale raggiunge valori maggiori di 140 HV;

una zona di sovrainvecchiamento, quando i valori di durezza tornano a scendere assestandosi nuovamente su valori pari a quelli della lega post-solubilizzazione (~100 HV).

Invecchiamento 200

hardness [HV]

175 150 125 100 75 50 25 0 0,1

1

10

100

1000

time [h] Fig. 4 – Curva di invecchiamento sperimentale

Abbiamo poi interpolato i dati ricavati con un polinomio di 5° grado ai minimi quadrati, per simulare l’andamento a campana della curva. Per calcolare il punto di massimo abbiamo calcolato la derivata del polinomio e abbiamo trovato il valore di x per il quale esso si azzerava.

Si ricava in questo modo il tempo in cui si raggiunge la durezza massima nel nostro trattamento (a 165°C) e il suo valore in HV.

Valore di picco

TEMPO h

DUREZZA HV

5,1

158

Tab. 4 – Valori di picco per invecchiamento a 165 °C

6. CONCLUSIONI Tramite questa esperienza siamo riusciti a ricavare sperimentalmente la curva di invecchiamento della lega di alluminio 7020 alla temperatura di 165°C misurando la durezza Vickers su campioni trattati per un periodo di 14 giorni.

Lâ&#x20AC;&#x2122;andamento della durezza varia nel tempo raggiungendo un valore massimo di 158 Hv dopo un periodo di permanenza a 165°C pari a 5 ore e un val ore minimo di 100 Hv. I dati ottenuti ci hanno permesso di ricostruire una curva di invecchiamento che presenta un andamento analogo a quelle che si trovano in letteratura.