AZ91 Più Forte e Duttile? Il Segreto è Aggiungere un Pizzico di Lantanio!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e materiali! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi ha davvero affascinato: come possiamo prendere un materiale già buono e renderlo eccezionale con un piccolo “trucco”. Parliamo della lega di magnesio AZ91.

Perché proprio l’AZ91?

Avete mai sentito parlare della lega di magnesio AZ91? È una specie di superstar nel mondo dei materiali metallici leggeri. Grazie alla sua leggerezza combinata con una buona resistenza e rigidità specifica, la troviamo un po’ ovunque: nel settore aerospaziale, nell’automotive (dove ogni grammo risparmiato conta!), e persino nell’elettronica di consumo. Pensate a quanto è importante avere materiali leggeri ma robusti per aerei, auto più efficienti o dispositivi elettronici portatili. L’AZ91, essendo una lega a base di magnesio (il metallo strutturale più leggero!), è anche facilmente riciclabile – un bel vantaggio in un mondo sempre più attento alla sostenibilità. È la più usata della sua famiglia (le leghe AZ, ovvero Magnesio-Alluminio-Zinco) proprio per il suo buon equilibrio tra prestazioni e costo.

Il Tallone d’Achille dell’AZ91

Tutto perfetto, quindi? Non proprio. Come ogni superstar, anche l’AZ91 ha un punto debole: le sue proprietà meccaniche, in particolare la resistenza e la duttilità (la capacità di deformarsi senza rompersi), non sono sempre all’altezza delle applicazioni più esigenti. La sua microstruttura “di base” è composta principalmente da grani di magnesio (la fase α-Mg) e da una fase secondaria chiamata β-Mg17Al12 (o semplicemente fase β). Questa fase β tende a formare una rete continua lungo i bordi dei grani. Il problema? È fragile. Immaginate una rete rigida e fragile che circonda delle isole più “morbide”: quando applichiamo una forza, è proprio questa rete che tende a cedere per prima, innescando crepe e portando alla rottura del materiale. Questo limita parecchio l’uso dell’AZ91 dove servirebbero prestazioni superiori.

La Soluzione? Un Tocco di Terra Rara!

Come possiamo migliorare la situazione? Beh, una strategia molto efficace, e anche relativamente semplice, è quella di aggiungere piccole quantità di altri elementi alla lega. È come aggiungere un ingrediente segreto a una ricetta per migliorarne il sapore e la consistenza. Questi “ingredienti” possono modificare la microstruttura della lega, rendendola più fine e resistente.
Si possono usare elementi comuni come Calcio (Ca), Stronzio (Sr) o Stagno (Sn), e in effetti migliorano alcune proprietà. Ma c’è una categoria di elementi che sembra avere una marcia in più: le terre rare.
Le terre rare hanno proprietà quasi “magiche” quando si tratta di leghe metalliche: purificano il metallo base, aiutano a formare grani più piccoli (affinamento del grano) e possono creare nuove fasi resistenti. Tra queste, abbiamo deciso di concentrarci sul Lantanio (La). Perché proprio il Lantanio? È relativamente meno costoso rispetto ad altre terre rare e ha una solubilità molto bassa nel magnesio. Questo significa che quasi tutto il Lantanio che aggiungiamo non si “scioglie” nella matrice di magnesio, ma forma delle nuove fasi solide, che è proprio quello che vogliamo per modificare la struttura!

Cosa Succede Quando Aggiungiamo Lantanio?

Abbiamo preparato diverse versioni della lega AZ91, aggiungendo quantità crescenti di Lantanio (dallo 0% fino all’1.6% in peso). Poi siamo andati a vedere cosa succedeva “dentro” il materiale.
Usando microscopi ottici (OM) ed elettronici a scansione (SEM), abbiamo osservato la microstruttura. E i cambiamenti sono stati subito evidenti!

• Nella lega AZ91 senza Lantanio, come previsto, vedevamo la fase β formare quella rete grossolana e continua ai bordi dei grani.
• Aggiungendo anche solo un po’ di Lantanio (0.2%, 0.4%), succedevano due cose fantastiche:
  1. La rete di fase β iniziava a “rompersi”, diventando discontinua e più fine. Immaginate la rete che si trasforma in tante piccole isole separate. Questo è ottimo, perché riduce i punti deboli dove possono iniziare le crepe.
  2. Comparivano delle nuove fasi! In particolare, una fase a forma di ago, che le analisi (come la diffrazione a raggi X – XRD) hanno identificato come Al11La3.
• Aumentando ancora il Lantanio (da 0.8% in su), oltre agli aghi di Al11La3, abbiamo notato la comparsa di altre due fasi, questa volta di forma granulare: una era ancora Al11La3, ma con una morfologia diversa, e l’altra era una fase più complessa contenente Alluminio, Lantanio e Manganese (Al8LaMn4). Il Manganese (Mn) è già presente in piccole quantità nell’AZ91 per migliorare la resistenza alla corrosione, e sembra che il Lantanio in eccesso interagisca anche con esso.

In pratica, il Lantanio “ruba” Alluminio alla fase β per formare le sue fasi (Al11La3), riducendo così la quantità della fragile fase β e rendendola più dispersa. Inoltre, queste nuove fasi agiscono come ostacoli, impedendo ai grani di magnesio di crescere troppo durante la solidificazione, portando a una microstruttura generale più fine.

I Risultati sui Test Meccanici: Un Successo!

Ok, la microstruttura è cambiata, ma questo si traduce in prestazioni migliori? Assolutamente sì! Abbiamo sottoposto le nostre leghe a test di trazione (per misurare resistenza e allungamento) e di durezza.
I risultati sono stati entusiasmanti:

• Resistenza e Duttilità: La lega AZ91 standard aveva una resistenza a snervamento (YS) di 78.8 MPa, una resistenza a trazione (UTS) di 102.1 MPa e un allungamento a rottura (misura della duttilità) di appena l’1.4%. Aggiungendo Lantanio, questi valori sono schizzati verso l’alto! Il picco lo abbiamo raggiunto con lo 0.4% di Lantanio:
  • Resistenza a snervamento: 103.5 MPa (un aumento del +31.3%!)
  • Resistenza a trazione: 169.75 MPa (un incredibile +66.3%!)
  • Allungamento: 4.4% (più del triplo, un aumento del +214.3%!)

  Questo significa che la lega non solo è diventata molto più resistente, ma anche significativamente più duttile, capace di deformarsi di più prima di rompersi. Questo è il “santo graal” nella scienza dei materiali: migliorare resistenza E duttilità contemporaneamente!

• Durezza: Anche la durezza è aumentata costantemente con l’aggiunta di Lantanio, raggiungendo il massimo valore (68.1 HV, +26% rispetto alla lega base) con l’1.6% di La. Questo è dovuto sia all’affinamento del grano sia alla presenza delle nuove fasi dure (Al11La3 e Al8LaMn4).

C’è un però: superato lo 0.4% di Lantanio, la resistenza a trazione e l’allungamento hanno iniziato a diminuire leggermente. Questo perché troppo Lantanio porta alla formazione di fasi Al11La3 aghiformi troppo grandi e connesse, che possono diventare loro stesse dei punti deboli e fragili. Tuttavia, la comparsa delle fasi granulari (Al11La3 e Al8LaMn4) a concentrazioni più alte sembra mitigare un po’ questo effetto negativo.

Come Funziona la “Magia” del Lantanio?

Riassumendo, il Lantanio migliora l’AZ91 attraverso diversi meccanismi:

1. Affinamento della Microstruttura: Il Lantanio favorisce la formazione di più nuclei durante la solidificazione e ostacola la crescita dei grani (sia di α-Mg che della fase β), portando a una struttura più fine. Una struttura più fine è generalmente più resistente e più duttile (effetto Hall-Petch).
2. Modifica della Fase β: Consumando Alluminio, il Lantanio riduce la quantità della fragile fase β e ne cambia la morfologia da rete continua a particelle disperse e meno dannose.
3. Rinforzo da Seconda Fase: Le nuove fasi formate (Al11La3 e Al8LaMn4), specialmente quelle piccole e disperse (granulari), agiscono come ostacoli al movimento delle dislocazioni (i “difetti” che permettono al metallo di deformarsi), aumentando così la resistenza (meccanismi di Orowan e Zener pinning).

Abbiamo anche usato simulazioni al computer (con il software Thermo-Calc) per studiare il processo di solidificazione, e i risultati hanno confermato le nostre osservazioni sperimentali sulla formazione delle fasi e sulle temperature a cui avvengono queste trasformazioni.

Conclusioni: Un Piccolo Passo per il Lantanio, un Grande Balzo per l’AZ91!

Questa ricerca mi ha mostrato ancora una volta quanto possa essere potente l’ingegneria dei materiali. Aggiungendo una quantità relativamente piccola (appena lo 0.4%!) di Lantanio, siamo riusciti a trasformare le prestazioni della comune lega AZ91, rendendola significativamente più resistente e, cosa ancora più notevole, molto più duttile. Questo apre le porte a nuove applicazioni per questa lega leggera, rendendola ancora più competitiva nei settori dove leggerezza e prestazioni sono cruciali. Certo, bisogna trovare il giusto equilibrio, perché troppo Lantanio può essere controproducente, ma aver identificato questo “sweet spot” è un risultato davvero promettente!

Fonte: Springer