Hoe beïnvloedt de wals- en gloeitemperatuur de mechanische eigenschappen van Cu/Al-laminaten met een SUS304-tussenlaag?

De microstructurele en mechanische evolutie van Cu/Al-laminaten met een SUS304-tussenlaag wordt in hoge mate bepaald door de thermomechanische behandeling, met name door de wals- en gloeitemperaturen. Tijdens de productie door middel van accumulatief walsen (ARB) en de daaropvolgende gloeibehandelingen ondergaan de verschillende lagen, evenals de intermetallische verbindingen (IMC’s), substantiële transformaties die direct de ductiliteit, sterkte en breukmorfologie van het laminaat beïnvloeden.

Na gloeien bij 300 °C intensiveert de necking, wat duidt op een verdere toename in plasticiteit van de Cu-Al-matrix. Fragmenten van de SUS304-tussenlaag zijn op het breukvlak duidelijk zichtbaar en bezitten een grotere breedte dan de insnoeringszone van de Cu-Al-matrix. De oorzaak hiervan ligt in de hogere sterkte van SUS304 ten opzichte van het gegloeide Cu-Al, waardoor tijdens rekproeven de vervorming voornamelijk in de matrix plaatsvindt. Tegelijkertijd wijst het lokale ‘scheuren’ van de Al-matrix, met daarin nog stevig verankerde SUS304-deeltjes, op een sterke hechting tussen de lagen. Op microscopisch niveau zijn er in deze toestand talrijke dicht opeengepakte dimpels zichtbaar in de matrix, een kenmerk van goede plastische vervormbaarheid.

Bij verhitting tot 400 °C verdwijnen de zichtbare fragmenten van de SUS304-tussenlaag van het breukoppervlak. Desondanks blijft het kenmerkende insnoeringsprofiel aanwezig, wat wijst op behouden ductiliteit. Op de grens tussen Cu en Al zijn nu duidelijke Cu-Al IMC’s waarneembaar, met breukrichtingen die zowel parallel als loodrecht op de walsrichting liggen, waarbij de laatste domineren. Dit wijst op een verdere ontwikkeling van de diffusie-interfase, hetgeen een directe invloed heeft op de mechanische integriteit van het laminaat.

Tijdens de ARB-procedure varieert de mechanische respons van de laminaten sterk met de wals-temperatuur. Bij 350 °C tonen de laminaten een hoge vloeigrens, maar de laagste breukrek. Bij 400 °C daalt de vloeigrens abrupt, terwijl de ductiliteit een maximum bereikt. Verdere temperatuurstijging naar 450 °C en 500 °C verhoogt opnieuw de vloeigrens, terwijl de ductiliteit licht daalt. Opvallend is de toename van de ultieme treksterkte met de temperatuur, waarbij laminaten gewalst op 400 °C het meest ductiel zijn.

Microscopisch onderzoek toont dat de korrelgrootte toeneemt met de temperatuur; van 9,4 μm bij 350 °C tot 13,5 μm bij 500 °C. Tegelijkertijd groeit de dikte van de gelaagde structuren binnen het materiaal – van 3,1 μm tot 7,5 μm – en neemt ook de diffusiezone tussen Cu en Al substantieel toe: van slechts 1,79 μm bij 350 °C tot 27,87 μm bij 500 °C. Het gedrag van deze diffusielaag volgt een exponentieel verband met de wals-temperatuur, zoals vastgelegd in een allometrisch model met een exponent van 6,11688. De ontwikkeling van een getande intermetallische laag bij 500 °C is een typisch kenmerk van bimetallische systemen onder h

Waarom verbeteren Al/HEAp MMC's hun sterkte bij cryogene temperaturen?

Bij kamertemperatuur zijn dislocaties binnen het materiaal ongelijk verdeeld, met lokale ophopingen die zorgen voor spanningsconcentraties. Onder cryogene omstandigheden stijgt de dislocatiedichtheid aanzienlijk en wordt deze gelijkmatiger verdeeld. Deze uniformiteit leidt tot de vorming van dislocatiewanden en -cellen die de sterkte van het materiaal verhogen. Bovendien vermindert de gelijkmatige verdeling van dislocaties lokale vervorming, waardoor spanningsconcentraties afnemen en het optreden van nekvorming en breuk wordt vertraagd.

De verhoging van de ultieme treksterkte (UTS) in Al/HEAp MMC’s bij cryogene temperaturen overstijgt die van puur aluminium en conventionele aluminiumlegeringen aanzienlijk. Terwijl pure aluminium slechts een marginale toename van de sterkte vertoont, verbeteren de MMC’s hun treksterkte met meer dan 20%, afhankelijk van het gehalte aan HEAp-versterkingsdeeltjes en de mate van walsering. Dit wijst op een aanvullend versterkingsmechanisme dat specifiek is voor deze composieten.

De eerste belangrijke factor is het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen de HEAp-versterkingsdeeltjes en de aluminiumlegering. HEAp heeft een veel lagere CTE dan de matrix, waardoor bij afkoeling naar cryogene temperaturen restspanningen ontstaan die de dislocatiedichtheid verder verhogen. Deze mismatch in CTE veroorzaakt extra plastische vervorming rond de deeltjes, wat leidt tot een verhoogde interne spanning en daarmee tot een versterkt materiaal. De mate van versterking door CTE-mismatch is direct gerelateerd aan het temperatuurverschil, wat verklaart waarom de effecten bij 173 K groter zijn dan bij kamertemperatuur.

Daarnaast speelt dislocatieversterking een cruciale rol. Bij cryogene temperaturen wordt de dynamische herstel van dislocaties geremd, waardoor dislocaties zich ophopen rond de versterkingsdeeltjes. Dit leidt tot een hogere dichtheid van geometrisch noodzakelijke dislocaties (GND's), die bijdragen aan een grotere vervormingsweerstand. Het KAM (Kernel Average Misorientation) criterium, afgeleid van EBSD-meting, wordt gebruikt om de mate van plastische vervorming en dislocatiedichtheid te kwantificeren en bevestigt een toename in dislocaties bij lage temperaturen.

Microstructurele analyses via hoge-resolutie TEM tonen duidelijke verschillen in dislocatiegedrag tussen kamertemperatuur en cryogene omstandigheden. Bij 298 K zijn er slechts enkele dislocaties aanwezig nabij de deeltjes, terwijl bij 173 K een veel grotere ophoping zichtbaar is. De volumetrische krimp als gevolg van temperatuurverlaging versterkt dit effect, omdat de verschillende uitzettingscoëfficiënten zorgen voor extra interne spanningen en latticeverstoringen. Dit resulteert in een efficiëntere blokkering van dislocatieglijden en een remming van de vlakke slipmodus die normaal gesproken vervorming vergemakkelijkt.

Het is van belang te beseffen dat deze versterking niet louter mechanisch is, maar een intrinsieke materiaaleigenschap die voortkomt uit interacties tussen matrix en versterkingsdeeltjes onder cryogene omstandigheden. De combinatie van thermische mismatch, verhoogde dislocatiedichtheid, en remming van dynamisch herstel leidt tot een materiaal dat niet alleen sterker, maar ook ductieler is bij lage temperaturen, een bijzonder waardevolle eigenschap voor toepassingen in extreme omgevingen.

Endtext

Hoe beïnvloedt cryorollen de mechanische eigenschappen van Al/HEAp en Al/TiC metaalmatrixcomposieten?

De mechanische eigenschappen van Al/HEAp MMC's (metaalmatrixcomposieten) worden aanzienlijk verbeterd door het gebruik van cryogene temperaturen tijdens rekproeven. Bij deze lage temperaturen neemt de rekvervorming toe doordat de vorming en groei van scheuren in de Al- legeringsmatrix worden geremd. Hierdoor wordt de snede in de matrix minder uitgesproken en breidt de scheur zich minder snel uit. Dislocaties en andere substructuren in het materiaal worden instabiel vlak vóór de trekbreuk, wat leidt tot de vorming van grotere en diepere putjes op het breukoppervlak. Een hogere dislocatiedichtheid en een grotere fractie van lage-hoek korrelgrenzen (LAGB) zijn kenmerkend voor cryogene omstandigheden. Deze kenmerken stimuleren een gelijkmatige vervorming van Al/HEAp MMC's bij lage temperaturen, wat resulteert in een hogere ductiliteit.

De correlatie tussen de diepte en grootte van de putjes op het breukoppervlak en de trekspanning is opvallend. Grotere putjes duiden op een hogere rekbaarheid en grotere plastische vervorming vóór breuk, terwijl kleinere putjes juist wijzen op een beperkte weerstand tegen plastische vervorming. Deze morfologische verschillen zijn duidelijk zichtbaar in transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden, waar het lengte-diameterverhouding van de deeltjes in Al/HEAp MMC's bijna verdubbelt bij cryogene temperaturen vergeleken met kamertemperatuur. Dit wijst op een grotere plastische vervorming langs de trekrichting.

Daarnaast speelt het lage lineaire uitzettingscoëfficiënt (CTE) van HEAp een belangrijke rol in het gedrag van de composieten. De relatief grotere volumekrimp van de aluminiumlegering bij cryogene temperaturen zorgt voor een strakkere binding tussen de HEAp-versterkingsdeeltjes en de Al-matrix. Dit versterkt de interfaciale hechting, wat de scheurvorming en voortplanting verder onderdrukt. Microscopisch leidt dit tot een meer gelijkmatige scheurverspreiding en macroscopisch tot een hogere rekbaarheid van het composiet.

In het geval van Al/TiC MMC's, versterkt met nano-TiC deeltjes, is de combinatie van Accumulative Roll Bonding (ARB) en cryorollen een veelbelovende fabricagemethode. Het cryorollen na meerdere ARB-cycli zorgt voor een gelijkmatige verdeling van TiC-deeltjes door de Al-matrix, iets wat bij alleen ARB niet altijd haalbaar is. De microstructuur toont aan dat de deeltjes beter verspreid en fijner verdeeld zijn, wat de mechanische eigenschappen zoals treksterkte en hardheid duidelijk verbetert.

Met het voortschrijden van het proces verandert de korrelstructuur van het materiaal: de langgerekte, gedeformeerde korrels van de ARB-monsters worden fijner en gelijkmatiger door cryorollen. Dit resulteert in een kleinere gemiddelde korrelgrootte en een aangepaste verdeling van korrelgrenzen, waarbij het aantal lage hoekgrenzen toeneemt en het aandeel hoge hoekgrenzen afneemt. Deze veranderingen in de microstructuur zijn essentieel voor het verbeterde mechanische gedrag, omdat fijnere korrels en een optimale korrelgrensstructuur de verplaatsing van dislocaties beïnvloeden en zo de sterkte en vervormbaarheid van het materiaal verhogen.

Het is cruciaal om te begrijpen dat de combinatie van mechanische verwerkingstechnieken en cryogene behandelingen de fysische interacties tussen matrix en versterkingsmateriaal verandert. Deze veranderingen zijn niet alleen oppervlakkig of structureel, maar beïnvloeden ook de dynamiek van dislocaties, de korrelgrenskarakteristieken en de microscopische spanningsvelden. Hierdoor ontstaat een synergie die het mechanische gedrag van de composieten aanzienlijk verbetert. Voor de lezer is het van belang om deze mechanismen niet enkel als afzonderlijke processen te beschouwen, maar als een geïntegreerd geheel dat het materiaalgedrag bij cryogene temperaturen fundamenteel herdefinieert.