Cryorulling har vist seg å ha betydelig innvirkning på både mikrostukturen og de mekaniske egenskapene til aluminiumslegeringer, særlig når de brukes i kombinasjon med ARB-prosessen (Accumulative Roll Bonding). I tillegg til de kjente fordelene ved ARB, som forbedrer sammenføyningene mellom de enkelte lagene og reduserer kornstørrelsen, gir cryorulling ytterligere forbedringer, spesielt ved å styrke de mekaniske egenskapene til laminatene. Ved å redusere kornstørrelsen ytterligere, som demonstrert i eksperimentene med AA1050 og AA5052, kan man oppnå en betydelig økning i styrken på materialene. Dette skjer gjennom Hall-Petch-effekten, hvor styrken øker med mindre kornstørrelse. Dette er tydelig i tilfellene hvor cryorulling gjennomføres etter tre ARB-passeringer, som fører til en betydelig økning i materialstyrken, i forhold til bare fem ARB-passeringer.

I eksperimentene som ble utført, ble flere passeringer gjennom ARB og cryorulling kombinert for å produsere laminater av AA1050/AA5052 og AA1050/AA6061. Under disse prosessene ble det observert at med hver påfølgende passering, bedres kvaliteten på sammenføyningen mellom lagene, noe som resulterer i en økning i den ultimate strekkstyrken (UTS). Etter to passeringer med cryorulling ble det registrert en betydelig økning i UTS, som nådde 310 MPa for AA1050/AA6061 laminater, sammenlignet med 236 MPa etter tre ARB-passeringer.

De mekaniske egenskapene, spesielt den ultimate strekkstyrken, viser et klart mønster: Ved økt antall ARB-passeringer blir UTS gradvis høyere, men ved å legge til cryorulling økes styrken dramatisk. Den styrkende effekten av cryorulling er i stor grad relatert til både reduksjonen av kornstørrelsen og forbedringen av grensesjiktkvaliteten mellom de to metallene. Ved å kombinere ARB og cryorulling er det mulig å oppnå laminater med betydelig høyere styrke enn det som kunne oppnås ved ARB alene.

Ved å undersøke bruddmorfologien til AA1050/AA5052 laminater etter strekkprøving, kan man se tydelige tegn på ductile brudd, hvor mange dimpler dannes på bruddflaten. Dette er et resultat av den plastiske deformasjonen som skjer før brudd. Når antallet ARB-passeringer økes, reduseres både størrelsen og antallet av dimplene, noe som reflekterer en redusert duktilitet og elongasjon. Cryorulling forbedrer både sammenføyningene og mikrostrukturen, noe som fører til en mer stabil og sterkere bruddmodus.

For laminater av AA1050/AA6061 ble de mekaniske egenskapene ytterligere forbedret gjennom aldring. Etter at materialene ble behandlet med ARB og cryorulling, ble de aldringsbehandlet ved ulike temperaturer for å undersøke virkningen av aldring på hardhet og strekkstyrke. Det ble observert at aldringen førte til økt hardhet i AA6061-laget, med den høyeste hardheten på 145 HV etter 54 timers aldring ved 100 °C. Dette ble forklart med en økning i utfellingen av andre faser, som førte til en økning i styrken, selv om denne effekten var avhengig av både aldringstemperatur og -tid.

Cryorulling, som en del av den moderne produksjonsprosessen for flerlagede aluminiumslegeringer, representerer en effektiv metode for å kombinere de fordelaktige effektene av både mekanisk bearbeiding og termiske behandlinger. Dette gir materialer som er både sterkere og mer motstandsdyktige mot brudd, noe som er spesielt viktig for anvendelser hvor både høy styrke og god duktilitet er nødvendige. I tillegg, ved å kontrollere både prosessparametrene for rulling og aldring, kan man optimalisere egenskapene til disse laminatene, noe som åpner for nye muligheter i flere industrielle sektorer.

Viktig er også at forståelsen av hvordan kornstørrelse, dislokasjonsdensitet og andre mikroskopiske egenskaper påvirker styrken, bør tas i betraktning ved videre forskning og utvikling av materialer med spesifikke krav til ytelse.

Hvordan deformasjonstemperatur påvirker mekaniske egenskaper og termisk stabilitet i Cu/Al laminater

I denne studien blir effekten av forskjellige varmebehandlingstemperaturer på Cu/Al laminater, både kaldvalset og kryorullet, analysert ved hjelp av skanningselektronmikroskopi (SEM), energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS), og spenningsbruddtester. Ved lavere temperaturer (473 K) dannes det sjeldne Cu-Al intermetalliske forbindelser (IMC), og en tydelig lamellstruktur er fortsatt til stede i prøvene. Dette kan bekreftes av de tilsvarende EDS-kartene, hvor et minimum av IMCs er synlig. Ved høyere varmebehandlingstemperaturer (573 K) begynner en tynn og fluffig Cu-Al IMC-lag å dannes, som skyldes høyere energitilførsel. Denne dannelsen forårsaker utseendet av et uklart grensesnitt mellom lagene. Når temperaturen når 673 K, dannes store mengder Cu-Al IMCs, og den kristallinske fasen ved grensesnittet viser en sekvensiell fordeling fra α-Cu, Cu9Al4, CuAl, CuAl2, til α-Al. Dette indikerer en betydelig endring i mikrostukturen.

Temperaturen påvirker også diffusionshastigheten i materialet, og en svak økning i varmebehandlingstemperaturen kan føre til en betydelig økning i den gjensidige diffusive intensiteten mellom Cu og Al. Dette blir bekreftet av de SEM-bildene og EDS-kartene som viser utviklingen i IMC-dannelsen etter forskjellige varmebehandlingssykluser. Imidlertid fører dannelsen av disse IMCene til en gradvis nedgang i de mekaniske egenskapene, spesielt i forhold til strekkstyrke.

Når vi vurderer Cu/Al laminater uten IMCs, er den termiske stabiliteten vanligvis bestemt av variasjonen i mikrohardhet. Imidlertid er denne metoden ikke egnet for materialer som inneholder IMCs, ettersom dannelsen av IMCs og grensesnittlegering kan øke mikrohardheten. For slike materialer er det mer relevant å vurdere strekkstyrke for å bedømme termisk stabilitet. Tidligere forskning har vist at Cu og Al metaller med ultrafine korn, bearbeidet ved SPD-teknikk, kan vise utmerket termisk stabilitet ved annealingstemperaturer under 423 K. I denne studien vises det at strekkstyrken for prøvene som ble varmebehandlet mellom 473 K og 673 K gradvis avtar etterhvert som temperaturen øker, og den største nedgangen i strekkstyrken skjer for prøvene som ble varmebehandlet ved 673 K.

Spesielt viste det seg at kryorullede prøver hadde en høyere termisk stabilitet (~10 %) enn de kaldvalsete prøvene. For MMC-er uten IMCs, var kornvekst hovedårsaken til den termiske ustabiliteten. Derimot, for MMC-er som inneholdt IMCs, ble den termiske ustabiliteten forårsaket av den kombinerte effekten av kornvekst og dannelsen av sprø IMCs.

Ved lavere varmebehandlingstemperaturer (473 K) dannes det få IMC-er ved Cu/Al-grensesnittet, og nedgangen i strekkstyrken skyldes hovedsakelig kornvekst. For prøver som ble behandlet med kryorulling, ble de deformerte, langstrakte kornene i Cu-matrisen omdannet til nesten like-kornede strukturer med betydelig mindre gjennomsnittlig kornstørrelse. Denne overgangen, sammen med dannelsen av høyvinkel-grenselinjer (HAGB), kan forbedre den mekaniske stabiliteten ved lavere temperaturer. Når varmebehandlingen overstiger 473 K, blir dannelsen og veksten av Cu-Al IMCs dominerende faktorer for nedgangen i strekkstyrken til Cu/Al laminater.

Tensilebruddene i prøvene viste en betydelig forskjell mellom kaldvalset og kryorullet materiale. I kaldvalset materiale dannes det flere IMC-partikler, mens kryorullede prøver viser en mer begrenset dannelse av disse partikkelskapene. Dette resulterer i en mer stabil mekanisk ytelse ved høyere temperaturer for kryorullede prøver.

For å oppsummere er den kryorullingsprosessen en effektiv metode for å forsinke dannelsen og veksten av Cu-Al IMCs, som dermed bidrar til en bedre termisk stabilitet sammenlignet med kaldvalsede prøver. Denne forbedringen i stabiliteten kan være avgjørende i applikasjoner som krever høy ytelse ved varierende temperaturforhold, hvor dannelsen av sprø intermetalliske forbindelser kan føre til betydelige svekkelser av materialets mekaniske egenskaper.

Hvordan Rullereduksjon Påvirker Mekaniske Egenskaper av Al/HEAp MMC-er ved Lav Temperatur

Legeringer som kombinerer aluminium med hydroxyapatitt (Al/HEAp MMC-er) har fått økt oppmerksomhet på grunn av deres potensial i applikasjoner som krever høye mekaniske egenskaper under ekstreme forhold, som for eksempel ved lav temperatur. Effekten av ulike rullereduksjoner på de mekaniske egenskapene til Al/HEAp MMC-er er et interessant aspekt som belyser hvordan materialet oppfører seg under forskjellige påkjenninger, både ved romtemperatur og ved kryogeniske temperaturer.

Studier viser at de mekaniske egenskapene til 4,5 vekt% Al/HEAp MMC-er økte med 21% i gjennomsnitt når de ble utsatt for tre ulike grader av rullereduksjon. Forholdene som ble undersøkt inkluderte temperaturer som både simulerer romtemperatur og ekstremt lave temperaturer, som 173 K. Legeringene viste forbedret duktilitet ved kryogeniske temperaturer, spesielt ved høyere innhold av HEAp-partikler. For eksempel, ved en rullereduksjon på 90% sank brudddeformasjonen (failure strain) for 3 vekt% Al/HEAp MMC-er fra 12,2% ± 0,3% ved romtemperatur til 4,9% ± 0,2% ved 298 K, noe som indikerer at materialet fortsatt beholder god duktilitet etter stor plastisk deformasjon. Dette reflekterer den overlegne deformeringsevnen til disse materialene ved lave temperaturer.

Videre har innholdet av HEAp-partikler en begrenset innvirkning på materialets brudddeformasjon. Uavhengig av om HEAp-innholdet var 1,5 vekt%, 3 vekt% eller 4,5 vekt%, var forskjellen i brudddeformasjonen relativt liten under de samme rullereduksjonsforholdene, spesielt når rullereduksjonen var 60%. For eksempel var brudddeformasjonen for 1,5 vekt% Al/HEAp MMC-er 12,3% ± 3,5%, for 3 vekt% var den 11,3% ± 0,9%, og for 4,5 vekt% var den 10,0% ± 0,2%. Dette viser at HEAp-innholdet har en mindre effekt på materialets evne til å deformeres ved romtemperatur sammenlignet med ved kryogeniske temperaturer.

Frakturmorfologien spiller en viktig rolle i forståelsen av hvordan materialet reagerer på ekstreme påkjenninger. Studier av bruddmekanismene til Al/HEAp MMC-er ved både romtemperatur og kryogeniske temperaturer viser at materialet viser duktilt brudd, men de spesifikke karakteristikkene varierer med temperatur og rullereduksjon. Ved romtemperatur (298 K) viste materialet store områder uten dimples og flere rivekanter, som indikerte lavere elongasjon før brudd. Ved kryogenisk temperatur (173 K) var det et mye større antall dimples med større dybde, noe som indikerte høyere elongasjon og bedre deformeringsevne.

Mikrostrukturelle endringer spiller også en avgjørende rolle i hvordan Al/HEAp MMC-er oppfører seg under belastning ved forskjellige temperaturer. Undersøkelser av kornstruktur ved hjelp av EBSD (Electron Backscatter Diffraction) viste at Al/HEAp MMC-er deformert ved kryogeniske temperaturer hadde en høyere andel lavvinkel korngrenser (LAGB) sammenlignet med de deformert ved romtemperatur. LAGB dannes når dislokasjoner ikke elimineres like effektivt som ved høyere temperaturer, noe som fører til dannelse av flere substrukturer i kornene. Denne økningen i LAGB bidrar til forbedret plastisk deformasjonsevne i materialet, særlig ved lave temperaturer.

Deformasjonsegenskapene til Al/HEAp MMC-er kan også analyseres ved hjelp av Schmid-faktorer, som vurderer hvordan slip-systemene i materialet aktiveres under belastning. Når Schmid-faktorene for 3 vekt% Al/HEAp MMC-er ble analysert, ble det funnet at materialet deformerte lettere ved kryogeniske temperaturer (173 K) på grunn av høyere Schmid-faktorer, som gjorde det lettere å aktivere glideplanene i materialet. Dette kan forklare hvorfor kryogeniske tester ga bedre deformasjonsegenskaper sammenlignet med romtemperaturtester.

I tillegg ble KAM (Kernel Average Misorientation) bilder brukt for å undersøke korngrenser og orienteringsforskjeller i materialet. KAM-verdiene for Al/HEAp MMC-er ved kryogeniske temperaturer var høyere, noe som reflekterer mer betydelige orienteringsforskjeller mellom kornene. Denne økningen i KAM-verdi ved lave temperaturer antyder at dislokasjonsdannelsen og dens effekt på materialets mekaniske egenskaper er mer uttalt ved kryogeniske temperaturer, noe som fører til en forbedret styrke.

Til slutt viser TEM (Transmission Electron Microscopy) bilder en høyere dislokasjonstetthet i Al/HEAp MMC-er etter strekkprøving ved kryogeniske temperaturer, sammenlignet med ved romtemperatur. Denne høyere tettheten av dislokasjoner gir materialet høyere strekkstyrke, ettersom dislokasjoner hindrer videre plastisk deformasjon, og dermed øker materialets evne til å motstå brudd.

Det er viktig å forstå at de mekaniske egenskapene til Al/HEAp MMC-er er sterkt påvirket av både rullereduksjonsprosessen og temperaturforholdene under testing. Kryogeniske forhold fører til en betydelig forbedring av materialets deformasjonsegenskaper, og de mikrostrukturelle endringene som skjer under belastning ved lave temperaturer spiller en sentral rolle i denne forbedringen. Disse materialene har stor potensial for bruk i applikasjoner som krever høy mekanisk styrke og duktilitet under ekstreme temperaturer, som i romfart og annen høyytelsesteknologi.

Hvordan smarte ringer kan revolusjonere helsetracking og trening
Hva er den sanne prisen for lojalitet og svik i et tøft vesten?
Hvordan teknologi forandrer detaljhandelens fremtid: Den nye æra av agentiske systemer