Fracture behaviour of solid-state recycled 6005A aluminium alloy

This research investigates the direct recycling of aluminum machining chips using Solid-State Recycling (SSR) techniques to meet the growing industrial demand for sustainable material processing. Unlike conventional liquid-state remelting, which is energy-intensive and prone to significant material loss, Hot Roll Bonding (HRB) offers a sustainable alternative by consolidating metallic chips through severe plastic deformation (SPD) and thermal activation, thereby bypassing the melting stage. The study systematically evaluates the fracture toughness and crack propagation mechanisms of AA6005A aluminum alloy laminates produced via HRB at three thickness reduction ratios: 70%, 80%, and 90%. To assess the damage tolerance and mechanical reliability of the recycled matrices, experimental campaigns were conducted using Single-Edge Bend (SE(B)) specimens in compliance with ASTM E1820 guidelines. The microstructural and fractographic evolution was thoroughly characterized through Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Electron Backscatter Diffraction (EBSD), including Kernel Average Misorientation (KAM) mapping to quantify localized plastic strain. The experimental findings reveal a non-linear correlation between the rolling reduction ratio and macroscopic fracture toughness. Specimens processed at 70% and 80% reduction ratios exhibited comparable toughness values (JQ ≈ 70 kJ/m2), whereas specimens subjected to 90% reduction achieved a substantial increase in fracture toughness, reaching a mean JQ of 136.68 kJ/m2. Microstructural analysis indicates that this toughening is driven by a fundamental transition in the damage evolution process: • Lower Reduction Ratios (70–80%):Crack propagation is predominantly between the chip matrix ("transchip") and "intrachip", meaning that the crack propagated between the Prior Chip Boundaries (PCBs). The delaminated chip interfaces don’t present dimples on their surfaces, resulting in minimal energy dissipation before failure. • High Reduction Ratio (90%):In this regime, the crack propagation path frequently deviates along severely deformed chip interfaces. This delamination forces the crack plane to divert and inducing substantial localized plastic strain. The surfaces of the delaminations present dimples and microvoid suggesting that were strongly bonded, which significantly enhances the material’s energy absorption capacity. This research validates that optimal mechanical properties in solid-state recycled AA6005A sheets are attained at a 90% reduction ratio. At this processing intensity, maximum oxide film fragmentation and robust metallurgical bonding are achieved, rendering the recycled aluminum a highly damage-tolerant material suitable for structural applications.

L’obiettivo di questa ricerca è indagare il riciclo di trucioli di lavorazione dell’alluminio tramite tecniche di riciclo allo stato solido (Solid-State Recycling) per soddisfare la crescente domanda industriale di processi sostenibili. A differenza dei processi di riciclo tradizionali che prevedono la fusione in fase liquida, che è ad alta intensità energetica e soggetta a notevoli perdite di materiale, il processo di laminazione a caldo (Hot Roll Bonding) offre un’alternativa sostenibile consolidando i trucioli metallici attraverso la deformazione plastica e attivazione termica, evitando così la fase di fusione. Nello studio si valuta sistematicamente la tenacità alla frattura e i meccanismi di propagazione della cricca in lamine di lega di alluminio AA6005A prodotte tramite HRB, con tre diversi rapporti di riduzione di spessore: 70%, 80% e 90%. Per determinare la tolleranza al danno e l’affidabilità meccanica delle matrici riciclate, sono state condotte campagne sperimentali utilizzando provini di tipo Single Edge Bend (SE(B)) in conformità con le linee guida ASTM E1820. L’evoluzione microstrutturale e frattografica è stata caratterizzata in modo approfondito mediante microscopia ottica (OM), microscopia elettronica a scansione (SEM) e diffrazione degli elettroni retro-diffusi (EBSD), includendo la mappatura della Kernel Average Misorientation (KAM) per quantificare la deformazione plastica localizzata. I risultati sperimentali rivelano una correlazione non lineare tra il rapporto di riduzione e la tenacità a frattura. I provini lavorati con rapporti di riduzione del 70% e 80% hanno mostrato valori di tenacità comparabili (JQ ≈ 70 kJ/m2), mentre i provini sottoposti a una riduzione del 90% hanno ottenuto un aumento sostanziale della tenacità a frattura, raggiungendo un valore medio di JQ pari a 136.68 kJ/m2. L’analisi microstrutturale indica che questo incremento di tenacità è guidato da una transizione fondamentale nel processo di evoluzione del danno: • Rapporti di riduzione inferiori (70–80%): La propagazione della cricca è dentro i trucioli ("transchip") o "intrachip", ossia attraverso le le interfacce tra i trucioli che si delaminano senza presentare dimples sulle superfici, il che comporta una minima dissipazione di energia prima del cedimento. • Alto rapporto di riduzione (90%): In questo regime, il percorso di propagazione della cricca devia frequentemente lungo le interfacce dei trucioli severamente deformate. Questa delaminazione forza il piano della cricca a deviare, inducendo una sostanziale deformazione plastica localizzata. Le superfici delle delaminazioni presentano dimple e microvuoti, suggerendo che i confini dei trucioli (Prior Chip Boundaries) fossero fortemente saldati, il che migliora significativamente la capacità di assorbimento energetico del materiale. Questa ricerca convalida che le proprietà meccaniche ottimali nelle lamine di AA6005A riciclate allo stato solido si raggiungono con un rapporto di riduzione del 90%. A questa intensità di lavorazione, si ottiene la massima frammentazione del film di ossido e un robusto legame metallurgico tra i trucioli, rendendo l’alluminio riciclato un materiale altamente tollerante al danno e idoneo per applicazioni strutturali.