In de verwerking van Cu/Al-laminaten, waarin een SUS304-interlaag aanwezig is, heeft de temperatuurbehandeling een diepgaande invloed op de microstructuur en het recrystallisatieproces. De temperatuurbehandelingen beïnvloeden het gedrag van de korrelstructuur, de vervorming van de korrels en de mate van recrystallisatie, hetgeen essentieel is voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen en de structurele integriteit van het materiaal. In dit hoofdstuk worden de veranderingen in de microstructuur na verschillende warmtebehandelingen, variërend van 200°C tot 400°C, geanalyseerd.

Bij een warmtebehandeling op 200°C vertoont de monsterstructuur een beperkte groei van de korrels. De karakteristieke textuur van het walsproces blijft aanwezig aan de Al-zijde, waar de korrelgrenzen verspreid zijn, terwijl de korrels aan de Cu-zijde, vooral in de buurt van de Al/Cu- en Cu/SUS304-grenzen, kleiner blijven. De aanwezigheid van schuifbanden langs de randen van de SUS304-interlaag bevordert de fijnstructuurvorming aan de Cu-zijde. De microstructuur op deze temperatuur bestaat voor een groot deel uit substructuren, met een aanzienlijk aantal vervormde korrels. Dit komt door de relatief lage temperatuur, waardoor de recrystallisatie niet volledig plaatsvindt. In het Al-materiaal is slechts 7,19% van de korrels gerekrystalliseerd, terwijl aan de Cu-zijde 66,72% van de korrels de recrystallisatie heeft doorgemaakt. De relatief lage temperatuur zorgt ervoor dat de energie voor nucleatie van recrystallisatie niet voldoende is voor alle korrels.

Bij een hogere temperatuurbehandeling van 300°C is er een duidelijke vergroting van de korrelgrootte in het Cu-Al-materiaal en is de oorspronkelijke walstextuur vrijwel verdwenen. In de gebieden waar Cu en Al direct in contact komen, is de verfijnde korrelstructuur grotendeels verdwenen door de vorming van intermetallische verbindingen (IMC's) als gevolg van de diffusie van Cu- en Al-atomen. De SUS304-interlaag onderdrukt de vorming van Cu-Al IMC's in deze gebieden, wat resulteert in onvolledige recrystallisatie en korrelherstel. De stress wordt gedeeltelijk verlicht, vooral aan de Cu-zijde, waar geen significante concentraties van stress meer zichtbaar zijn. Bij 300°C is de microstructuur aan de Al-zijde nog steeds dominantly opgebouwd uit substructuren, met slechts 4,59% gerekrystalliseerde korrels, terwijl aan de Cu-zijde 67,85% van de korrels gerekrystalliseerd is.

Een verdere verhoging van de temperatuur naar 400°C heeft een nog groter effect op de microstructuur. Aan de Al-zijde verschijnen de korrels voornamelijk als equiaxe vormen met willekeurige oriëntaties. De korrels aan de Cu-zijde zijn groter geworden, met veel verschijning van annealing twins. Op de plaats waar de Cu-Al-laminaat direct in contact komt, is de IMC-laag aanzienlijk dikker geworden. Deze verandering wordt veroorzaakt door de versmelting van dislocaties die zich tijdens het walsen en het composietproces hebben verzameld, wat de diffusie van Cu- en Al-atomen bevordert en daardoor de vorming van IMC's vergemakkelijkt. Na de behandeling bij 400°C is de meeste stress in het materiaal losgelaten, hoewel er nog steeds stress kan worden waargenomen bij de grenzen van de korrels die niet volledig hersteld zijn. De microstructuur van zowel Cu als Al bestaat nu voornamelijk uit gerekrystalliseerde korrels en substructuren.

Wat opvalt bij de hogere temperaturen is dat de effectiviteit van de temperatuurbehandeling bij het herstellen van de mechanische eigenschappen afhankelijk is van de mate van recrystallisatie. De temperatuur bepaalt niet alleen de korrelgrootte, maar beïnvloedt ook de vorming van IMC's, die een belangrijke rol spelen in de sterkte van de interface tussen de verschillende lagen. De combinatie van deze factoren bepaalt uiteindelijk de structurele sterkte van de samengestelde materialen.

Daarnaast moeten we de invloed van de SUS304-interlaag begrijpen. Deze laag speelt een cruciale rol in het belemmeren van de vorming van Cu-Al IMC's, vooral bij hogere temperaturen. De interlaag fungeert als een barrière tegen de volledige menging van de Cu- en Al-matrices, waardoor de korrelherstelprocessen worden vertraagd en de recrystallisatie niet volledig kan plaatsvinden in sommige gebieden. Dit heeft niet alleen invloed op de thermische behandeling, maar ook op de mechanische eigenschappen van het materiaal, zoals de sterkte en de taaiheid van de interface.

Het is ook belangrijk te realiseren dat de temperatuurbehandeling niet alleen de microstructuur beïnvloedt, maar ook de mechanische eigenschappen van het materiaal verandert. Bij de hogere temperaturen neemt de sterkte van het materiaal doorgaans af, terwijl de taaiheid en ductiliteit toenemen. Dit is van belang voor toepassingen waar een balans tussen sterkte en taaiheid vereist is, zoals in de lucht- en ruimtevaart of de auto-industrie.

Hoe Verandert de Microstructuur en de Mechanische Eigenschappen van AA1050/AA6061 Laminaten bij Verouderen?

Bij het bestuderen van de invloed van veroudering op de sterkte van AA1050/AA6061 laminaten, wordt duidelijk dat de bijdrage van precipitatiesterkte vaak groter is dan de sterkteverlies door herstel, waardoor de UTS (ultimate tensile strength) uiteindelijk verbetert. Met een toename in de verouderingstemperatuur wordt een kortere tijd tot het piekverouderen waargenomen. Vergelijkend met de vier verouderingscondities, vertonen de twee gewalste monsters de hoogste pieksterkte bij 100°C. Na respectievelijk 54 uur en 57 uur verouderen bij deze temperatuur bereiken de monsters C2 en A5 een UTS van respectievelijk 328 MPa en 265 MPa. Deze resultaten komen goed overeen met de waargenomen verouderingshardeningsrespons.

De mechanismen die ten grondslag liggen aan deze sterkteverbetering zijn nauw verbonden met de microstructurele veranderingen die optreden tijdens het verouderingsproces. Verandering in de kristalstructuur door veroudering resulteert in de vorming van precipitaties die de dislocatiebewegingen hinderen en de sterkte verhogen. De tijd die nodig is om het piekverouderen te bereiken, hangt nauw samen met de temperatuur, waarbij de C2-monsters sneller een hogere UTS bereiken dan andere samples vanwege het specifieke verouderingsgedrag in combinatie met cryorollen.

In de microstructuuranalyse van de AA1050/AA6061 laminaten, gezien in figuren 4.9 en 4.10, is te zien dat de AA1050 en AA6061 lagen verschillende deformatie-eigenschappen vertonen bij het walsen. In de vroege stadia van het ARB-proces (Accumulation of Rolling Bonding), waarbij beide lagen zich homogeen vervormen, blijven de interfaciale vlakheid en interlaagcontinuïteit goed behouden tot de derde cyclus. Echter, bij verdere toename van de ARB-cycli, vooral na de vijfde cyclus, wordt duidelijk het fenomeen van nekken en breuken in de AA6061-laag waargenomen. Deze breuken worden vaak opgevuld door de aangrenzende AA1050-laag, die in de breukregio’s treedt. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat de schuifspanning groter is dan de vloeigrens van de AA6061-laag.

Cryorollen blijkt effectief te zijn in het vertragen van plastische instabiliteit en verbetert de uniforme vervorming tussen de lagen, wat resulteert in een hogere mechanische sterkte van de laminaten. Bij de TEM-onderzoeken (Transmission Electron Microscopy) is duidelijk te zien dat de korrelstructuur van zowel de AA1050- als AA6061-lagen verandert, waarbij de korrels in de AA6061-laag bij cryorollen meer verfijnd en uitgerekt zijn. Dit proces vermindert dynamische rekristallisatie in de AA1050-laag, wat in tegenstelling staat tot de A5-monsters, waar de korrels meer gelokaliseerd zijn door de hogere temperatuur en energieopslag die vereist zijn voor dynamische rekristallisatie.

In termen van kristalstructuur, zoals gedemonstreerd in figuur 4.11, is het duidelijk dat de mate van vervorming van invloed is op de textuurontwikkeling van de laminaten. De dislocatiedichtheid, berekend uit de XRD-gegevens, neemt toe met het aantal walscycli, met de hoogste dislocatiedichtheid waargenomen in de twee-pass cryorollen monster C2. De hoge dichtheid van dislocaties zorgt voor meer heterogene nucleatiesites voor precipitaties, wat het verouderingsproces versnelt en de sterkte van het materiaal verder verhoogt.

De TEM-beelden na verouderen bij 100°C tonen aan dat de AA6061-laag van de gewalste laminaten duidelijke dislocatietangels vertoont, terwijl het C2-monster een substantiële korrelverfijning vertoont, wat aantoont dat cryorollen de verouderingseigenschappen van de laminaten aanzienlijk beïnvloedt. Het mechanisme achter dit effect is de combinatie van dislocatie-vernietiging tijdens het herstelproces en de remmende invloed van precipitaties op de dislocatiebeweging, wat leidt tot de waargenomen verbetering in de mechanische eigenschappen.

De verhouding tussen dislocatiedichtheid en precipitatiesterkte is van essentieel belang voor het begrijpen van de prestaties van deze materialen. De hoge dislocatiedichtheid in het C2-monster biedt meer kansen voor precipitaties om zich te vormen, wat leidt tot een snellere verouderingsreactie en een hogere uiteindelijke sterkte, zelfs na kortere verouderingstijden.

Het is van belang dat de lezer zich ervan bewust is dat, naast de temperatuureffecten op het verouderingsproces, de variaties in de verwerkingstechnieken, zoals het aantal ARB-cycli en het gebruik van cryorollen, direct van invloed zijn op zowel de microstructuur als de uiteindelijke mechanische eigenschappen van de laminaten. Deze kennis is cruciaal voor de optimalisatie van materiaalontwerpen die gericht zijn op het verbeteren van de sterkte en duurzaamheid van composieten die bestaan uit AA1050/AA6061-lagen. Het verouderen van de materialen moet zorgvuldig worden gecontroleerd om de gewenste eigenschappen te bereiken zonder ongunstige neveneffecten, zoals overmatige breuk of verlies van interlaagbinding.

Hoe Cryogene Roll-Bonding de Kwaliteit en Mechanische Eigenschappen van Al/Ti/Al-Laminaten Verbeteren

De kwaliteit van de randen en de mechanische eigenschappen van Al/Ti/Al-laminaten kan aanzienlijk worden verbeterd door gebruik te maken van cryogene roll-bonding in plaats van de gebruikelijke koud-roll-bonding. In dit proces wordt de temperatuur van het materiaal verlaagd, wat leidt tot opmerkelijke verbeteringen in de hechting tussen de lagen, het voorkomen van randscheuren, en de algehele sterkte van de laminaten.

Figuur 4.18 toont het verschil tussen de laminaten die geproduceerd zijn door koud-roll-bonding (figuren a1-c1) en cryogene roll-bonding (figuren a2-c2). Bij koud-roll-bonding ontstaan er duidelijk randscheuren, die moeten worden verwijderd voor verdere verwerking. Dit probleem is echter afwezig bij cryogene roll-bonding, waar de laminaten na het proces geen randscheuren vertonen. Dit komt doordat de ductiliteit van Al-legeringen bij cryogene temperaturen hoger is dan bij kamertemperatuur, wat resulteert in een verbeterde randkwaliteit. Randscheuren zijn een van de belangrijkste defecten die optreden in laminaten, vooral bij metalen zoals magnesium en staal, die een lagere ductiliteit vertonen bij lage temperaturen. Echter, bij Al-legeringen speelt cryogene roll-bonding een cruciale rol in het minimaliseren van deze defecten.

Naast de verbetering in de randkwaliteit, vertonen de laminaten die cryogene roll-bonding hebben ondergaan ook aanzienlijke verbeteringen in mechanische eigenschappen. Figuur 4.19 illustreert dit door de engineering strain versus engineering stress-curves van Al/Ti/Al-laminaten na de vierde bewerking. De ultieme treksterkte van de laminaten geproduceerd bij kamertemperatuur is 150 MPa, terwijl deze stijgt naar 205 MPa bij laminaten die cryogene roll-bonding hebben ondergaan. Dit betekent een toename van 36,7% in de treksterkte, wat wijst op de effectiviteit van cryogene roll-bonding in het verbeteren van de mechanische eigenschappen.

Wat betreft de microstructuur van de laminaten, tonen de TEM-afbeeldingen (figuren 4.20 en 4.21) duidelijke verschillen in de interface tussen de Ti- en Al-lagen. Bij koud-roll-bonding worden na de tweede bewerking kleine vacuüms zichtbaar bij de interfaces, hoewel de meeste interfaces goed hechten. Bij cryogene roll-bonding zijn de vacuüms aan de interface veel groter, maar de korrelgroottes van de Ti- en Al-lagen in de buurt van de interface zijn veel fijner na de tweede bewerking. Dit heeft te maken met het feit dat cryogene temperaturen de dynamische herstelfenomenen onderdrukken, wat zorgt voor fijnere korrelgroottes die de mechanische eigenschappen verbeteren.

Figuur 4.22 toont de TEM-afbeeldingen van de Ti-laag na de vierde bewerking, waarbij de korrelgroottes veel fijner zijn voor de cryogene roll-bonding dan voor koud-roll-bonding. Dit is belangrijk, aangezien volgens de Hall-Petch-formule de opbrengststerkte van metalen verbetert met kleinere korrelgroottes, wat de sterkte van Al/Ti/Al-laminaten verhoogt.

Wat betreft het bondingmechanisme tussen de Al- en Ti-lagen, wordt aangenomen dat de korrelverfijning en de korrelgroei van de zachte laag een belangrijke rol spelen bij het verbeteren van de hechting. Gedurende het roll-bondingproces worden de oppervlakken van de Al- en Ti-lagen samengedrukt, wat leidt tot een aanzienlijke verfijning van de korrels in de buurt van de interface. Tijdens dit proces ontstaan er nieuwe metalen gebieden die helpen om de binding te versterken. Cryogene temperaturen bevorderen dit proces verder door de dynamische herstelfenomenen te onderdrukken, waardoor de korrelverfijning efficiënter plaatsvindt dan bij koud-roll-bonding.

Bij verdere afname van de dikte door het roll-bondingproces groeien de ultrafijne en nanokorrels in de Al- en Ti-lagen, wat resulteert in een sterke interface-hechting. Het aantal verbindingsgebieden neemt toe met de voortgang van het proces, en uiteindelijk ontstaat er een stevige, duurzame verbinding tussen de lagen zonder dat er nog sprake is van schuiven.

De rol van cryogene temperaturen in het verbeteren van de hechting tussen metalen tijdens het roll-bondingproces is dus essentieel. De combinatie van lage temperaturen, korrelverfijning en stressgeïnduceerde korrelgroei zorgt voor een sterkere en duurzamere verbinding tussen de lagen, wat niet alleen de mechanische eigenschappen van de laminaten verbetert, maar ook de uiteindelijke productkwaliteit verhoogt.

Cryogene roll-bonding biedt dus een aanzienlijk voordeel ten opzichte van conventionele koud-roll-bonding, vooral voor toepassingen waarbij de interface-integriteit en de mechanische eigenschappen van cruciaal belang zijn. De nauwkeurige controle van de temperatuur en het aantal bewerkingen in dit proces maakt het mogelijk om de eigenschappen van Al/Ti/Al-laminaten te optimaliseren voor verschillende industriële toepassingen.

Hoe beïnvloedt de SUS304-interlaag de hechting en mechanische eigenschappen van Cu/Al/Cu-laminaten?

In Cu/Al/Cu-laminaten met een SUS304-interlaag manifesteert zich een complex interactiepatroon tussen plastische vervorming, microstructurele evolutie en de uiteindelijke mechanische prestaties. Bij een walsreductie van 80% valt een zone op met relatief grove korrels en een lage vervormingsgraad. Enerzijds duiden deze grove korrels op afschuifvervorming tussen de SUS304-interlaag en de omliggende matrixmetalen; anderzijds behouden deze korrels een zekere mate van versteviging door koudvervorming, wat een positief effect heeft op de verdere vervormbaarheid van het laminaat.

Zowel aan de Cu-zijde als aan de Al-zijde ontstaan afschuifbanden langs de randen van de SUS304-fragmenten. De hoek tussen deze afschuifbanden en de walserichting is consistent met eerder waargenomen patronen. De vorming van deze afschuifbanden wijst op een verschuiving van uniforme vervorming naar gelokaliseerde afschuifvervorming. Dit proces bevordert een korrelverfijning die op zijn beurt bijdraagt aan een sterkere interfaciale binding.

De aanwezigheid van twee kenmerkende zones van afschuifvervorming is het directe gevolg van de inbedding van de SUS304-interlaag: één ter hoogte van het Cu/SUS304- en Al/SUS304-interface, en een tweede rond de randen van de SUS304-fragmenten. Deze zones veranderen de metaalstromingsrichting en induceren een spanningsconcentratie die de binding versterkt. Ze dragen bij aan de vorming van verstevigde lagen, vergemakkelijken het sluiten van holtes, en verhogen de interfaciale bindingsenergie tussen ongelijksoortige atomen.

De bindingsenergie aan het interface stijgt naarmate de afschuifvervorming toeneemt, terwijl de totale energie van het moleculaire systeem vrijwel constant blijft. Dit impliceert een herverdeling van potentiële energie binnen het systeem, met directe implicaties voor de hechtingsmechanismen op microschaal. De totale hechtingssterkte van het laminaat wordt beïnvloed door een synergetisch samenspel van mechanische vergrendeling (joggle), matrixhechting, afschuifvervorming, diffusie van elementen over het interface en de aanwezigheid van intermetallische verbindingen (IMCs). Deze laatste werken in veel gevallen verzwakkend.

De berekeningen tonen aan dat het gebruik van een SUS304-interlaag resulteert in een significant grotere hechtingsoppervlakte. Zo wordt bij een walsreductie van 50% een vergroting van 4.447 × b waargenomen ten opzichte van laminaten zonder interlaag. De bijdrage van de verstevigde laag aan de hechting blijft echter beperkt in omvang vanwege de geringe dikte van de SUS304-interlaag. Bij hogere walsreducties neemt de brosheid van deze verstevigde laag toe, wat resulteert in een lagere G-waarde, terwijl de bijdrage van matrixhechting toeneemt.

Na het walsproces ondergaan de Cu/Al-laminaten met SUS304-interlaag een gloeibehandeling bij verschillende temperaturen. Deze thermische nabehandeling beïnvloedt de mechanische eigenschappen aanzienlijk. Met toenemende gloeitemperatuur daalt de treksterkte terwijl de rek toeneemt. Ongegloeid vertoont het laminaat een treksterkte van 267 MPa en een rek van 3,82%. Na gloeien op 200 °C daalt de treksterkte tot 219 MPa, terwijl de rek stijgt tot 7,2%. Bij 300 °C

Hoe het OHMM de Geologische Risico's tijdens Tunnelbouw Voorspelt en Verbetert
Wat zijn de fasen en structuren van polaire smectische mesofasen van bent-core vloeistoffen?
Hoe de Matrixrepresentatie van Netwerken de Toepassing van Kirchhoff's Wetten Vereenvoudigt
Hoe Kunnen Herhalingen, Willekeurige Patronen en Variabelen Complexiteit in Computergestuurde Grafische Ontwerpen Creëren?