Nuovo rame durevole

Attraverso un ciclo di trattamento termico, i ricercatori hanno sviluppato una lega resistente alla frattura che resiste ai carichi ciclici elevati necessari per il raffreddamento elastocalorico

Università delle Scienze di Tokio

immagine: I ricercatori dell'Università delle Scienze di Tokyo hanno sviluppato una lega più durevole sottoponendola a ripetuti riscaldamenti e raffreddamenti attraverso il confine di fase, ottenendo dimensioni dei grani più grandi e minori confini dei granivedere di più

Credito: Kenjiro Fujimoto di TUS, Giappone

L'effetto elastocalorico è un fenomeno per cui un materiale mostra una variazione di temperatura quando è esposto a uno stress meccanico. Il cambiamento di temperatura avviene a causa di una differenza di entropia risultante da una trasformazione martensitica accompagnata dal cambiamento della struttura cristallina del materiale sotto stress. Un effetto analogo si osserva quando l'elastico viene allungato: le sue catene polimeriche si allineano in modo ordinato, provocando una diminuzione della sua entropia. Ciò fa sì che l'elastico ceda calore all'ambiente circostante e diventi più caldo. Quando l'elastico viene rilasciato, avviene il contrario e l'elastico si raffredda.

Come gli elastici, anche le leghe metalliche superelastiche a memoria di forma (SMA) possono utilizzare l'effetto elastocalorico per il raffreddamento. Le SMA a base di rame (Cu) costituite da Cu, alluminio (Al) e zinco (Zn) sono particolarmente promettenti a causa del loro basso costo e delle modeste richieste di stress per innescare l'aumento della temperatura. Tuttavia, gli SMA Cu-Al-Zn soffrono di problemi di fatica ciclica poiché i loro grani cristallini grossolani e i numerosi bordi dei grani sono suscettibili alla frattura dovuta a ripetute espansioni e contrazioni.

Ora, in uno studio pubblicato sul Journal of Physics: Energy il 31 marzo 2023, il professor Kenjiro Fujimoto dell'Università delle Scienze di Tokyo, il professor Ichiro Takeuchi dell'Università del Maryland, insieme a ricercatori della Maryland Energy & Sensor Technologies, USA, hanno sviluppato un SMA Cu-Zn-Al altamente durevole in grado di sopportare un numero elevato di carichi ciclici. "Abbiamo cercato le condizioni per promuovere la crescita del grano della lega 68Cu-16Al-16Zn per migliorarne le proprietà elastocaloriche", afferma il Prof. Fujimoto, spiegando la motivazione alla base del loro studio.

Recentemente, hanno riferito che sottoporre le leghe Cu-Al-Mn a ripetuti riscaldamenti e raffreddamenti attraverso le fasi miste e ad alta temperatura ha aumentato la dimensione dei grani del materiale. Incuriosito da questi risultati, il team ha deciso di indagare se trasformazioni di fase simili potessero migliorare le proprietà delle leghe Cu-Zn-Al.

Per preparare le leghe Cu-Al-Zn, i ricercatori hanno combinato Cu, Al e Zn in un crogiolo di carbonio. Hanno fuso i metalli a basse pressioni per sopprimere la volatilizzazione dello zinco. Una volta preparata la lega, i ricercatori l'hanno raffreddata e laminata in lingotti spessi 7 mm a tre diverse velocità di laminazione (rispettivamente 0%, 67% e 83%). Le temperature del confine di fase della lega sono state quindi determinate utilizzando la diffrazione di raggi X ad alta temperatura, che ha rivelato che il confine di fase tra la fase mista e la fase ad alta temperatura si trovava tra 700°C e 750°C. Sulla base di ciò, i ricercatori hanno riscaldato e raffreddato ripetutamente la lega tra 500°C e 900°C.

Tutti i lingotti sottoposti al ciclo di trattamento termico hanno mostrato un aumento della dimensione dei grani cristallini, con l'aumento massimo osservato nelle leghe laminate con una percentuale del 67%. La dimensione della grana del lingotto originale era di 2,21 mm, ma la dimensione media della grana del lingotto trattato termicamente in questo gruppo è aumentata a 11,1 mm.

"I risultati indicano che il trattamento termico attraverso il confine di fase periodica, oltre al rapporto di laminazione del 67%, è efficace per la crescita del grano di tipo cristallino singolo", afferma il prof. Fujimoto. Con i suoi grani più grandi e meno bordi dei grani, la lega trattata termicamente era molto più resistente alla frattura ed era in grado di sopportare più di 60.000 cicli meccanici con una deformazione del 2%.

Il processo di trattamento termico ha portato anche a miglioramenti significativi nelle proprietà elastocaloriche della lega Cu-Zn-Al. Rispetto alle leghe precedentemente riportate della stessa composizione, la lega trattata termicamente ha mostrato un calore latente di 6,3 J/g sulla deformazione di rilascio, che è più del doppio del valore precedentemente misurato di 2,3 J/g. Ciò indica che la lega trattata termicamente può raffreddarsi in modo più efficace. Inoltre, la lega ha mostrato una differenza di temperatura adiabatica di +5,9 K e -5,6 K rispettivamente durante il carico e lo scarico, a bassi carichi ciclici (106 MPa).