I produksjonen av flerlagede materialer som Cu/Al/Cu-laminater, blir de indre strukturene i hvert lag kraftig påvirket av deformasjonsprosesser, spesielt under rulling. En av de mest markante fenomenene som kan observeres er dannelsen av en nano-porøs struktur i Al-laget, som spiller en kritisk rolle i materialets mekaniske egenskaper.

Når materialet gjennomgår rulling, oppstår spenninger i Al-laget, spesielt i utgangssonen. Som vist i figur 3.30b, øker den maksimale strekkspenningen i Al-laget når tykkelsen på Al-laget reduseres. Denne økningen i strekkspenning er direkte knyttet til dannelsen av den nano-porøse strukturen etter rulling. Denne strukturen dannes gjennom utviklingen av mikroskopiske porer og sprekker, som initieres av lokale stresskonsentrasjoner under plastisk deformasjon.

En viktig årsak til svekkelsen av materialet er tilstedeværelsen av harde innslag som Fe og Si, som finnes i den aluminiumlegeringen som benyttes, som for eksempel AA1230. Disse elementene har høyere motstand mot plastisk deformasjon sammenlignet med aluminiummatrisen. Under rulling fører de til lokaliserte stresskonsentrasjoner og dermed dannelsen av nano-pore. Som det kan sees i figur 3.31, vises disse nanoinnslagene som piler i mikroskopiske bilder.

Under alvorlig plastisk deformasjon forårsakes det dannelsen av voids (hull) nær de harde innslagene i materialet. Imidlertid, i denne spesifikke studien, ble det ikke observert noen voids ved grensesnittet mellom Cu og Al, men det ble derimot funnet et stort antall facetterte voids nær sentrum av Al-laget. Den mulige årsaken til dette kan være oksidasjon som skjer mellom Al-underlagene under flerrullingsprosessen. Denne oksidasjonen, spesielt mellom Al/Al2O3|Al2O3/Al-grensesnittene, representerer det svakeste punktet i materialet, og forårsaker dermed dannelse og vekst av voids under strekkspenning i rulleprosessen.

Når voids dannes i materialet, kan de føre til en form for dekoherens ved grenseplanene mellom Al-kornene. Dette fenomenet kan beskrives som dannelsen av en skummende struktur, der voids har facetterte sidevegger som dannes langs bestemte krystallografiske orienteringer. Under strekkbelastning på utgangssiden av rullingen kan denne prosessen føre til en videre deformasjon av materialet, og på den måten fremme utviklingen av voids i Al-laget.

I tillegg til oksidasjon kan rester av luftbobler eller overflateforurensninger også spille en rolle i dannelsen av voids. Disse forurensningene kan bli fanget mellom Al-underlagene under rulling og føre til tidlig svikt i materialet. Dette er en av årsakene til at materialet kan få svekkede punkter som fører til mikrosprekker eller voids.

Det er også viktig å merke seg at selv om grensesnittet mellom Cu og Al er langt sterkere enn det interne Al-grenseplanet, påvirkes ikke dette grensesnittet like mye av deformasjonen. Dette resulterer i en skumstruktur der grensesnittet mellom Cu og Al-lagene ikke viser betydelige defekter, til tross for at Al-laget viser tegn på dekoherens og void-dannelse.

Mikrostrukturen til Al, som har en flatesentrert kubisk (FCC) struktur, spiller også en viktig rolle i dannelsen av voids. Slipsystemet i FCC-strukturen (111)<110> gir opphav til duktil plastisk deformasjon og dannelsen av dimpel-formede bruddflater. Denne deformasjonen er en viktig mekanisme for å forstå dannelsen av voids i Al-laget under strekkbelastning.

Spenningene som utvikles under rullingen, særlig i forhold til den spesifikke krystallografiske orienteringen av Al-kornene, fører til dannelsen av facetterte voids. Disse voidene har sidevegger som er orientert langs bestemte krystallografiske plan, som {001}-planene, som er relatert til korngrensene i Al-laget. Dette fenomenet kan også ha en direkte sammenheng med kaldarbeidshardheten og høy stresskonsentrasjon på de svakere punktene i materialet.

Videre forskning er nødvendig for å etablere en mer presis modell for hvordan flerlagede heterogene materialer som Cu/Al/Cu oppfører seg under rullingsprosesser og hvilke mekanismer som er involvert i dannelsen av voids og strukturelle defekter. Forståelsen av disse prosessene er essensiell for utviklingen av nye, avanserte materialer som kan motstå betydelig plastisk deformasjon uten å miste sin mekaniske integritet.

Hvordan nedkjøling påvirker mikrostukturelle egenskaper og mekaniske egenskaper i Cu/brass laminater

I teorien om overgangstilstand, er den termiske aktiveringsenergien Q(σ)Q(\sigma) for nukleasjonen av DT (dobbelt tvilling) 0,62 eV ved romtemperatur (298 K) og 0,16 eV ved væskepunkts-temperatur (77 K). Denne verdien kan beregnes ved hjelp av formelen:

Q(σ)=kBTf0⋅ln⁡(ff0)Q(\sigma) = \frac{{k_B T}}{{f_0}} \cdot \ln \left( \frac{{f}}{{f_0}} \right)

der kBk_B er Boltzmanns konstant (1,38 × 10⁻²³ J/K), TT er deformasjons-temperaturen, f0f_0 er den typiske eksperimentelle frekvensen (10¹¹ s⁻¹), og ff er den termiske aktiveringsfrekvensen for DT (satt til 1 s⁻¹). Senking av deformasjons-temperaturen kan ytterligere redusere den spesifikke fri energien (SFE) for messing, noe som klart forbedrer dannelsen av nano-tvillingene og hindrer dislokasjonsglidning. Akkumuleringen av dislokasjoner rundt tvillinggrensene fører til lokal stresskonsentrasjon og til nukleasjon av skjærbånd. Som et resultat er antallet skjærbånd i prøver som er kryorullet betydelig høyere enn i de romtemperatur-rullede prøvene.

Det er også interessant å merke seg at skjærbåndene som dannes ved kryorulling har lavere termisk stabilitet og fungerer som effektive nukleasjonsteder for rekrysstalliserte korn. Dette påvirker sterkt mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til de annealerte prøvene. De elektronmikroskopiske bildene (EBSD) av de annealerte prøvene viser at i kobberlaget har de opprinnelige fibrelignende og langstrakte kornene blitt fullstendig omdannet til likeprisme-korn under påvirkning av rekristallisering, som inneholder et betydelig antall Σ3 [111] tvillinger (røde linjer i figurene). For Cu-laget i prøvene rullet ved romtemperatur (A-RTR) er tvillinggrenseandelen 41,6 %, noe som er litt lavere enn de 45,2 % i prøvene kryorullet ved lav temperatur (A-CR). En viktig observasjon er at gjennomsnittlig bredde på tvillingene i Cu-laget til A-RTR-prøvene er 1,37 μm, som er nesten tre ganger større enn i A-CR-prøvene. Dette er et resultat av de store mengdene deformasjonsenergi som lagres i prøvene og høy densitet av defekter som dannes under kryorulling, noe som er med på å styrke kobberlaget.

For messinglaget i de annealerte prøvene kan en delvis rekristallisert struktur observeres. Det dannes statisk rekristalliserte korn med lav tetthet av geometrisk nødvendige dislokasjoner (GND) på bekostning av deformasjonsstrukturene. Rekristalliseringen er mer uttalt i de kryorullede prøvene, med 54,2 % rekristallisert område i A-CR-prøvene sammenlignet med 42,2 % i A-RTR-prøvene. I tillegg er de rekristalliserte kornene i messinglaget til A-CR-prøvene betydelig større enn de un-rekristalliserte kornene, og denne heterogene mikrostukturelle konfigurasjonen gir muligheter for ytterligere styrking av materialet gjennom ekstra hardhet og forsterkning fra tvillingindusert plastisitet.

Den multistadige heterostrukturen som dannes i A-CR-prøvene består av grove korn i kobberlaget, middels store rekristalliserte korn og ultrafine un-rekristalliserte korn i messinglaget. Denne strukturen bidrar til å øke strain-gradienten, produsere ekstra HDI-styrking og forbedre materialets arbeidshardeegenskaper. Dette reflekteres i et høyere nivå av både tvilling- og korngrenser i messinglaget sammenlignet med A-RTR-prøvene, hvor større tvillinggrenselengder kan føre til redusert gjennomsnittlig kornstørrelse, noe som ytterligere styrker materialet.

Når det gjelder mekaniske egenskaper, viser strekkstyrkekurvene at de kryorullede prøvene (A-CR) har en økt utmattelsesstyrke (UTS) på 582 MPa, som er 21,5 % høyere enn A-RTR-prøvene (479 MPa). Den forbedrede styrken skyldes dannelsen av finere korn, blokkering av dislokasjoner og nano-tvillingene som dannes under kryorulling. Etter annealing er UTS og uniform elongering i A-CR-prøvene 456 MPa og 8,2 %, henholdsvis, som også er forbedret sammenlignet med A-RTR-prøvene (409 MPa og 7,7 %). Dette forbedrer materialets evne til å motstå nekning og opprettholde duktilitet etter deformasjon.

Båndgrensene mellom det grove kornet i kobberlaget og det nanostrukturerte messinglaget har vist seg å generere høy HDI-spenning, noe som bekreftes ved utseendet av kraftig stress rundt grensesnittene. Denne typen stress er viktig for å aktivere det ønskede tvillingdannelsesprosessen og videre styrke materialets plastiske deformasjonsegenskaper.

Endringer i mikrostuktur og de mekaniske egenskapene hos materialer som gjennomgår kryorulling, er et resultat av komplekse interaksjoner mellom deformasjon, rekristallisering, dannelse av tvillinger og dannelse av dislokasjoner. Forståelsen av hvordan disse prosessene samhandler gir muligheten til å designe materialer med optimal balanse mellom styrke og duktilitet, spesielt for bruksområder som krever høy ytelse under belastning.

Hvordan håndtere og bruke uttrykksfulle teksturer i blekktegning
Hvordan fotonikk og optoelektronikk endrer industrien og fremmer bærekraft
Hvordan lage elegante øredobber med wire og glassperler: En praktisk guide
Hvordan Stokastisk Gjennomsnitt Kan Brukes til Quasi-Ikke-Integrerbare Hamiltoniansystemer