Hoe de Dikte van de SUS304 Tussenlaag de Hechtingssterkte van Cu/Al Laminaten Beïnvloedt

De interactie tussen verschillende materialen in samengestelde structuren is van cruciaal belang voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen van samengestelde materialen. In het geval van Cu/Al laminaten met SUS304 tussenlagen is de invloed van de dikte van de SUS304 tussenlaag op de hechtingssterkte een belangrijk onderzoeksgebied. De manier waarop de scheurvoortplantingspaden door deze laminaten verlopen, speelt een sleutelrol in het verbeteren van de verbinding tussen de lagen, wat uiteindelijk de structurele integriteit van het materiaal beïnvloedt.

De röntgendiffractiespectra (XRD) van de afbladderingsoppervlakken van deze laminaten wijzen op de aanwezigheid van Cu-Al IMC's zoals Cu9Al4 en CuAl2, met Cu9Al4 als het dominante chemische verbinding op zowel de Cu- als de Al-oppervlakken. Interessant is dat met een toename van de dikte van de SUS304 tussenlaag, de hoeveelheid Cu-matrix op het Cu-oppervlak toeneemt, terwijl de aanwezigheid van Al-matrix en Cu-Al IMC's afneemt. Op het Al-oppervlak wordt een vergelijkbare trend waargenomen, waarbij de hoeveelheid SUS304 fragmenten groter is in monsters met dikkere SUS304 tussenlagen.

De interactie tussen de verschillende chemische verbindingen bij de interface speelt een cruciale rol in de mechanische prestaties van het composietmateriaal. Bij dikkere SUS304 tussenlagen neemt de hoeveelheid Cu-Al IMC's af, wat de cohesieve energie van de verbindingen aan de interface verhoogt, omdat Cu-Fe en Al-Fe verbindingen meer cohesieve energie vertonen dan Cu-Al IMC's. Dit betekent dat er meer energie nodig is om de Cu/SUS304/Al interface te vernietigen dan de Cu/Al interface, wat leidt tot een sterkere hechting.

Naast het optimaliseren van de scheurvoortplanting draagt de SUS304 tussenlaag ook bij aan een verhoogde schuifvervorming aan de interface. Schuifvervorming is essentieel voor het verbeteren van de hechtingssterkte van de lagen, aangezien het een grotere plastische vervorming mogelijk maakt bij de interface. Experimenten hebben aangetoond dat een dikkere SUS304 tussenlaag een grotere schuifvervorming mogelijk maakt, wat resulteert in een hogere hechtingssterkte.

Een ander belangrijk aspect van de mechanische prestaties van de Cu/Al laminaten is de versterking van de mechanische interlocking of "joggle" door de SUS304 fragmenten. De SUS304 tussenlaag heeft een veel hogere microhardheid dan de Cu-Al IMC's en is minder vervormbaar dan de Cu/Al matrix. Dit zorgt ervoor dat de SUS304 fragmenten tijdens het rolcladproces breken en in de Cu/Al matrix worden ingesloten, wat bijdraagt aan een versterking van de mechanische verbinding.

De effectiviteit van de SUS304 tussenlaag wordt duidelijk geïllustreerd in de peelingcurves van de laminaten. De peelingsterkte neemt toe met de dikte van de SUS304 tussenlaag, wat duidt op een verbetering in de hechting tussen de lagen. In een experiment met een SUS304 tussenlaag van 30 µm bleek de peelingsterkte met 73,6% te zijn toegenomen, van 17,8 N/mm naar 30,9 N/mm, vergeleken met een laminat zonder tussenlaag (SR-0). Dit laat zien hoe de SUS304 tussenlaag de scheurvoortplanting optimaliseert en de hechtingssterkte van de Cu/Al laminaten versterkt.

In de praktijk kunnen de bevindingen van deze studie een aanzienlijke invloed hebben op de fabricage van samengestelde materialen, vooral bij toepassingen waar de mechanische sterkte en duurzaamheid van de interface tussen verschillende materialen van cruciaal belang zijn. Het juiste ontwerp van de tussenlaag kan de prestaties van het materiaal aanzienlijk verbeteren, niet alleen door de scheurvoortplanting te beheersen, maar ook door de schuifvervorming en de mechanische interlocking te optimaliseren. Dit maakt de keuze van de juiste tussenlaagdikte essentieel voor het bereiken van de gewenste eigenschappen in samengestelde materialen zoals Cu/Al laminaten.

Hoe Cryorollen de Mechanische Eigenschappen van MMC's Verbeteren: Een Diepgaande Analyse van AA2024 en AA5083/HEAp Composieten

In het geval van AA2024/HEAp MMC’s blijkt uit de resultaten van microhardheidstests (zoals weergegeven in Figuur 5.12a en b) dat de toevoeging van HEAp de microhardheid van het als-gietmonster verbetert. Dit geldt vooral voor de monsters met een HEAp-gehalte van 1 gewichtsprocent. Echter, bij toevoeging van 3 gewichtsprocent HEAp bleek er een afname in treksterkte van de legering te zijn. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de vorming van meer defecten in het ingot, die ontstaan wanneer een overmaat aan HEAp-deeltjes wordt toegevoegd. Deze defecten kunnen leiden tot de vorming van microscheurtjes tijdens de trekproef, wat het specimen te vroeg doet breken. Deze afname in rek is ook te verklaren door de toename van defecten bij hogere HEAp-gehaltes.

Desondanks kan het gebruik van cryorollen, een proces waarbij het materiaal wordt vervormd bij temperaturen onder het vriespunt, deze defecten effectief verminderen. Dit proces resulteert in een verbeterde verdeling van de deeltjes binnen de matrix, waardoor de treksterkte van het composietmateriaal toeneemt. Bij het cryorollen wordt de porositeit en de aanwezigheid van scheuren tussen de versterkende deeltjes en de matrix geëlimineerd, wat leidt tot een homogener materiaal met betere mechanische eigenschappen.

De verklaring voor de verbeterde eigenschappen van het cryorollen in vergelijking met conventioneel warmwalsen ligt in de hogere interne spanningen die tijdens het cryorollen ontstaan. Het materiaal ondergaat grotere vervorming bij dezelfde hoeveelheid rolbelasting, wat leidt tot een verbetering van de taaiheid van het materiaal en een betere vervormingscapaciteit. Het cryorollen belet ook de herstelmechanismen die normaal optreden bij hogere temperaturen, wat bijdraagt aan een grotere ophoping van dislocaties die de sterkte van het materiaal verhogen.

Het effect van de ouderingsbehandeling op de mechanische eigenschappen van deze composieten is ook significant. De studie laat zien dat er een klein verschil is tussen natuurlijke en kunstmatige veroudering, wat suggereert dat de belangrijkste versterkingsmechanismen in deze Al-matrixcomposieten het versterken door dislocaties zijn, terwijl het verouderingsversterkingsmechanisme minder invloed heeft. Dit wordt verder ondersteund door het feit dat de sterkte na kunstmatige veroudering vaak lager is dan na natuurlijke veroudering, en de rekverbetering na kunstmatige veroudering niet significant is.

Wanneer we de prestaties van de 1 gewichtsprocent HEAp-AA2024/HEAp MMC na cryorollen analyseren, blijkt dat de breukmorfologie van het trekmonster een typisch plastische breuk vertoont, gekarakteriseerd door kleine deuken en de afwezigheid van openingen rond de deeltjes. Dit toont aan dat de hechting tussen de deeltjes en de matrix goed is, wat een essentieel aspect is voor de algehele prestaties van het materiaal.

Naast de microstructuur en de mechanische eigenschappen moeten we ook de invloed van het walsproces op de algehele materiaaleigenschappen begrijpen. Het cryorollen heeft bewezen superieure eigenschappen te leveren in termen van sterkte en rekvermogen, hoewel de voordelen minder duidelijk zijn bij hogere HEAp-gehaltes. Het proces maakt het mogelijk om de interne spanningen te verbeteren en de dislocaties in het materiaal optimaal te benutten om de sterkte verder te verhogen.

De studies naar AA5083/HEAp MMC's bevestigen deze bevindingen en tonen aan dat cryorollen ook voor andere aluminiumlegeringen voordelen biedt. De toevoeging van Al0.5CoCrFeNi HEAps aan de AA5083-matrix verbetert niet alleen de microstructuur van het materiaal, maar zorgt er ook voor dat de matrix beter bestand is tegen breuken en andere defecten. De verfijning van de korrelgrootte en de verhoogde uniformiteit van de deeltjesverdeling dragen bij aan de verhoogde mechanische prestaties van het materiaal, met name wanneer het materiaal cryorolling ondergaat.

In dit verband is het belangrijk te erkennen dat hoewel het cryorollen veelbelovende verbeteringen in sterkte en rekbaarheid biedt, de keuze van het walsproces en de mate van HEAp-toevoeging nauwkeurig moeten worden afgewogen. Het optimaliseren van deze factoren is essentieel om de gewenste balans tussen sterkte en taaiheid te bereiken. Ook moet men het effect van defecten, zoals porositeit en scheuren, in de gaten houden, aangezien deze negatieve invloed kunnen hebben op de uiteindelijke prestaties van het composietmateriaal.

Hoe beïnvloedt cryorolling de microstructuur en mechanische eigenschappen van Al/HEAp composieten?

De dynamische herstelprocessen in metaalmatrixcomposieten (MMC's) worden aanzienlijk beïnvloed door de toevoeging van hoogentropie-alloopartikels (HEAps). Onder de gecombineerde werking van temperatuur en spanningsvelden worden herstel en herkristallisatie verstoord, vooral bij cryorolled materialen. De aanwezigheid van HEAps remt dynamisch herstel, waardoor MMC’s, bewerkt met koudroltechnieken zoals hot rolling (HR), een hogere sterkte behouden met daarbij een gunstige rekbaarheid tot breuk.

Onder cryoroling, waarbij vervorming plaatsvindt bij cryogene temperaturen, worden herstel en herkristallisatie vrijwel verhinderd door de hoge dichtheid van verstrikte dislocaties die zich ophopen in het materiaal. Dit wordt bevestigd door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), waar naast een sterke hechting tussen matrix en HEAps ook een dicht netwerk van verstrengelde dislocaties zichtbaar is. Deze dislocaties versterken het materiaal aanzienlijk door dislocatieversteviging, wat de ultieme treksterkte (UTS) van cryorolled MMC’s duidelijk verhoogt ten opzichte van HR-behandelde monsters.

Specifiek bij asymmetrisch cryorolled (ACR) AA1050/HEAp composieten, blijkt dat het microstructuur- en mechanische gedrag wezenlijk anders is dan bij symmetrisch rollen bij kamertemperatuur (AR). Scanning elektronenmicroscopie (SEM) toont een uniforme verdeling van HEAps zonder significante onregelmatigheden in de deeltjesgrootte, met een gemiddelde grootte rond 4,5 µm. Na ACR is de grootte van HEAps aanzienlijk kleiner dan na AR, wat samenhangt met minder microvoids en microcracks nabij de deeltjes. Dit wijst op een betere integriteit van de interface en minder defecten in het materiaal.

De röntgendiffractie (XRD) bevestigt dat de composieten een duale fase structuur vertonen, met zowel FCC- als BCC-fasen aanwezig, kenmerkend voor HEAps. De meting van dislocatiedichtheid via de Williamson-Hall methode, hoewel niet exact, geeft duidelijk hogere waarden voor ACR-composieten dan voor AR, wat wijst op een intensiever vervormingsproces en meer verstrengelde dislocaties.

Microhardheidmetingen tonen een duidelijke stijging van de hardheid met toenemende vervorming, waarbij ACR-behandelde composieten consistent hogere waarden vertonen dan AR bij gelijke reductie. Dit effect is versterkt naarmate het aandeel HEAps in het composiet toeneemt, wat de bijdrage van de versterkingsdeeltjes aan de weerstand tegen plastische vervorming benadrukt.

Hoe beïnvloeden ARB- en cryorolling-processen de microstructuur en mechanische eigenschappen van Al/TiC composieten?

De combinatie van scheuren, de vorming van microvoids en schuiffracturen speelt een cruciale rol in de spanningsverdeling en breukmechanismen van Al/TiC metaalmatrixcomposieten (AMC) die door accumulatieve rollende bonding (ARB) en cryorolling worden vervaardigd. Microscopische waarnemingen laten zien dat in de vroege ARB-cycli de bindingskwaliteit tussen de aluminiumlagen (AA1050/AA1050) en de TiC-versterkingsdeeltjes nog onvoldoende is, wat resulteert in duidelijke delaminatie en porositeit aan de interface. Dit verklaart de aanwezigheid van losgekomen gebieden in de drie-laagse monsters, waar de verbindingen tussen de lagen niet homogeen zijn. Na een toenemend aantal rollende cycli neemt de binding aanzienlijk toe, wat zichtbaar wordt door de afname van zichtbare delaminaties bij de 108-laags sheets.

De toevoeging van TiC nanodeeltjes verhoogt significant de hardheid, vloeigrens en treksterkte van het composiet, maar dit gaat bijna altijd gepaard met een afname van de ductiliteit. Dit is niet alleen te wijten aan de intrinsieke eigenschappen van de nanodeeltjes, maar ook aan defecten in de binding aan de interface en ongelijke verdeling van de deeltjesclusters. Na het ARB-5 proces vertoont het materiaal bij cryorolling-1 een merkbare toename in ductiliteit, wat samenhangt met de verdere verspreiding van TiC-deeltjes en de verfijning van de korrelstructuur. Dit is een direct gevolg van de hogere druk en lagere temperaturen tijdens cryorolling, wat een andere vervormingsmechaniek teweegbrengt dan bij alleen ARB.

Het gebruik van cryorolling met vloeibare stikstof zorgt voor een sterk verhoogde dislocatiedichtheid in aluminium, waardoor de sterkte aanzienlijk stijgt door toegenomen werkverharding, terwijl de ductiliteit en de recrystallisatietemperatuur afnemen. Dit verschijnsel draagt bij aan de opmerkelijke mechanische verbeteringen die in de Al/TiC AMC worden waargenomen. De combinatie van dislocatieversterking en korrelgrensversterking zorgt voor de versterking, wat bevestigd wordt door metingen van de hardheid en elasticiteitsmodulus, die bij de cryorolling-3 monsters tot respectievelijk ongeveer 84 GPa stijgen.

Hoewel de verbeteringen in sterkte significant zijn, gaat dit altijd gepaard met compromissen in vervormbaarheid. De microstructuur en het gedrag van de interface, evenals de verdeling van de nanodeeltjes, zijn bepalend voor de uiteindelijke balans tussen sterkte en ductiliteit. Cryorolling na ARB blijkt een optimale balans te bieden, waarbij een fijnere en stabielere korrelstructuur ontstaat en defecten worden verminderd, wat resulteert in een betere algehele mechanische prestatie.

Het is cruciaal te begrijpen dat de mate van mechanische verbetering niet alleen afhangt van de aanwezigheid van nanodeeltjes, maar vooral van de mate van dispersie, de integriteit van de interface en de specifieke vervormingsmechanismen die optreden bij verschillende temperatuur- en drukcondities tijdens het rollen. Bovendien bepaalt de interactie tussen dislocaties en korrelgrenzen de uiteindelijke eigenschappen. Het begrip van deze microstructuur-eigenschappenrelaties is essentieel voor het optimaliseren van de fabricageprocessen van metaalmatrixcomposieten, waardoor hun prestaties in technische toepassingen worden gemaximaliseerd.