Hvordan rulletemperatur påvirker mekaniske egenskaper til Cu/Al-laminater

Mekaniske egenskaper av Cu/Al-laminater påvirkes sterkt av rulleprosesser, og temperatur er en kritisk faktor. Når rulletemperaturen økes, ser man en markant endring i både tykkelsen på diffusionslaget og den mekaniske ytelsen. Diffusjonen mellom kobber og aluminium skjer under varmebehandlingen, og tykkelsen på dette laget varierer avhengig av rulletemperaturen. Dette har en direkte effekt på laminatets styrke, spesielt når temperaturen overstiger 450 °C.

Når rulletemperaturen er 400 °C, er volumfraksjonen av diffusionslaget 3,9%. Øker temperaturen til 450 °C, stiger volumfraksjonen til 12,7%. Ved høyere temperaturer, som 500 °C, kan volumfraksjonen nå opp til 19,7%. Denne økningen i diffusionslagets tykkelse ved høyere temperaturer fører til en merkbar forbedring i den mekaniske styrken, da de intermetalliske forbindelsene som dannes i grensesnittet mellom lagene, som Al2Cu, AlCu, Al3Cu4 og Al4Cu9, er betydelig sterkere enn både aluminium og kobber alene. For eksempel kan mikrohardheten til AlCu intermetall være opptil ni ganger hardere enn rent kobber.

For å forstå mekanismen som ligger bak styrkeforbedringene ved høyere temperaturer, er det viktig å se på både kornstørrelse og tykkelsen på diffusionslaget. Når temperaturene overstiger 450 °C, får diffusionslaget en dominerende rolle i å forbedre de mekaniske egenskapene. Dette er et viktig poeng, da det indikerer at selv om grovere korn kan redusere strekkgrensen, kan tykkelsen på diffusionslaget kompenserer for dette ved å styrke grensesnittet mellom lagene.

For eksempel viser SEM-bilder av bruddflaten etter strekkprøver at dimplene på overflaten er dypere og mer tallrike ved 400 °C, noe som tyder på høyere duktilitet sammenlignet med prøver ved lavere temperaturer. Videre, ved 350 °C, er delamineringen mellom lagene mer tydelig, mens den er mye mindre ved 500 °C, noe som reflekterer en økning i båndstyrken etter hvert som temperaturen stiger.

På tross av dette er det viktig å merke seg at mekaniske egenskaper av laminater ikke utelukkende kan forklares ved diffusionslagets tykkelse eller kornstørrelse. Flere faktorer, som temperaturens effekt på dislokasjonsdensitet og de geometrisk nødvendige dislokasjonene, er også avgjørende. For eksempel vil en høyere temperatur føre til en reduksjon i dislokasjonsdensiteten, og det kan føre til en reduksjon i materialets evne til å motstå plastisk deformasjon.

En annen kritisk faktor som påvirker de mekaniske egenskapene er bindestyrken mellom kobber- og aluminiumsflatene. Bindestyrken er lavere ved lavere temperaturer og øker med økende temperatur. Dette kan observeres tydelig i SEM-bildene, der kvaliteten på forbindelsen mellom lagene forbedres ved høyere rulletemperaturer. En optimal temperatur på 430 °C ble tidligere rapportert å gi den beste bindestyrken, men nyere undersøkelser antyder at dette kan variere avhengig av andre prosessparametre.

En annen viktig observasjon er at selv om kornstørrelsen har en tendens til å øke ved høyere temperaturer, kan den mekaniske ytelsen fortsatt forbedres på grunn av den dominerende effekten av diffusionslaget. Dette betyr at ved høyere temperaturer kan laminatene oppnå både økt strekkgrense og høyere ultimate strekkstyrke, til tross for økningen i kornstørrelse.

Hvordan dannes og utvikles intermetalliske lag i Al/Ti laminater under kaldvalsing og annealing?

I et forskningsprosjekt ble mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til Al/Ti/Al-laminater undersøkt etter annealing ved forskjellige tidspunkter. Studien viste at kombinert kaldvalsing og annealing av Al/Ti/Al-laminater kan føre til dannelsen av trimodale metallplater som består av grovkornet aluminium, ultrafin-kornet titan og TiAl3-partikler. Etter en annealingprosess på 24 timer viste laminatet både høy strekkstyrke og god duktilitet, noe som indikerer en balansert mikrostuktur.

Modellen som ble brukt for å simulere deformasjonen under strekk, viste at etter forskjellige annealingtider, endres både tykkelsen på TiAl3-laget og distribusjonen av hulrom (voids) i laminatet. Etter annealing i 6 timer var omtrent halvparten av grensene mellom TiAl3-partiklene og aluminiummatriksen fylt med hulrom, mens etter 12 timers annealing var disse hulrommene betydelig færre. Etter 24 timers annealing, var det ingen synlige hulrom, og TiAl3-laget hadde utviklet seg til en kontinuerlig fase.

En viktig observasjon i studien var at dannelsen og veksten av TiAl3-laget skjer i to faser: reaksjonskontroll og diffunderingkontroll. I den første fasen, når laget er tynnere, skjer reaksjonen mellom titan og aluminium raskt fordi diffsjonsveien for aluminium er svært kort. Etter hvert som TiAl3-laget vokser og blir tykkere, blir diffunderingsprosessen den dominerende mekanismen som kontrollerer videre vekst av intermetalliske forbindelser.

Etter 48 timers annealing ble det ikke funnet noen rester av rent titan i laminatet, og hele lagområdet var dominert av TiAl3-partikler. Det ble også lagt merke til at tykkelsen på det residuelle titanlaget reduseres jevnt i forhold til annealingstiden, og dette kan beskrives av en lineær funksjon. Denne utviklingen følger en karakteristisk trend som kan brukes til å forutsi hvordan materialet vil oppføre seg ved forskjellige varmebehandlingstider.

Mikrostrukturens utvikling under kaldvalsing og annealing kan også observeres ved hjelp av scanning elektronmikroskopi (SEM) og energidispersiv spektroskopi (EDS). SEM-bilder viste at titanlagene ble brutt og spredt ut i aluminiummatriksen etter kaldvalsing. Ved annealing dannes imidlertid intermetalliske forbindelser ved grensen mellom titan og aluminium, spesielt TiAl3. Etter 24 timers annealing er titanlaget delt opp i små øyer omringet av TiAl3, og ved 48 timers annealing er det ikke lenger noe rent titan til stede.

Viktige observasjoner fra studien er at prosessen for dannelse og utvikling av intermetalliske lag er avhengig av både kaldvalsingsprosessen og den etterfølgende varmebehandlingen. Kaldvalsing fører til plastisk deformasjon og dannelse av et mikrostrukturelt nettverk som fremmer dannelsen av intermetalliske forbindelser. Annealingbehandlingen, på den annen side, styrer veksten av disse forbindelsene ved å kontrollere diffusjonsprosesser og reaksjonshastigheter.

Endringer i mikrostrukturen som følge av denne prosessen kan ha betydelige konsekvenser for de mekaniske egenskapene til det ferdige laminatet. For eksempel, en jevnere fordeling av TiAl3-partikler og en større andel av det intermetalliske laget gir bedre styrke, men kan også redusere duktiliteten i materialet. Dette er et viktig aspekt å vurdere i praktiske applikasjoner der både styrke og duktilitet er avgjørende.

Hvordan cryorulling forbedrer mekaniske egenskaper i metallkompositter: En studie av Cu/brass laminater

I løpet av den mekaniske prosessen med metallbearbeiding, er forståelsen av stress og deformasjon i laminerte materialer avgjørende for å utvikle kompositter med overlegne styrke- og duktilitets-egenskaper. Et av de mest interessante fenomenene i denne sammenhengen er hysteresisløkker, som kan måles gjennom utrulling og reloading eksperimenter. For eksempel, som vist i figur 4.72b, kan HDI-stress for A-RTR prøven øke lineært med økende belastning, og strekker seg fra 210 til 246 MPa. Dette viser en tydelig forskjell i mekaniske egenskaper mellom forskjellige prøver av kobber og messing i laminert form, der HDI-stress for A-CR prøven er nesten 30 MPa høyere enn for A-RTR prøven ved samme belastning.

En viktig mekanisme for å forbedre styrke-duktilitets-synergi i A-CR prøven, sammenlignet med A-RTR prøven, involverer dannelsen av ultrafine, ikke-rekrystalliserte korn i messinglaget. Dette reduserer gjennomsnittlig kornstørrelse i Cu/messing laminatet, noe som fører til økt korngrensehårdhet. Videre fører den multistadige heterostrukturen og den bredere IAZ (interfacial zone) rundt bindegrensesnittet til ekstra HDI-forsterkning, som resulterer i høyere styrke. Et annet aspekt er at den høyere HDI-stressen i A-CR prøven forbedrer evnen til strekkherding ved å hemme dannelsen av nakking under belastning.

I tillegg har A-CR prøven flere defektfrie rekrystalliserte korn og høyere tetthet av nano-tvillinger, noe som bidrar til å opprettholde duktiliteten til Cu/messing laminater. Dette skjer gjennom en effekt kjent som tvillingindusert plastisitet (Twinning-Induced Plasticity, TIP), som er en mekanisme som styrker materialene ved høy plastisk deformasjon. Denne mekanismen er spesielt viktig i laminater der kobber og messing, to materialer med ulike mekaniske egenskaper, samvirker på en slik måte at de skaper et balansert forhold mellom styrke og duktilitet.

I tillegg til de mekanismene som er beskrevet, er det viktig å merke seg at ved å kombinere cryorulling med ARB, kan man oppnå et materiale med svært høy bindingstyrke og forbedrede mekaniske egenskaper. Denne kombinasjonen skaper en robust mikrosstruktur som tåler ekstreme belastninger og temperaturforhold, noe som er spesielt viktig for bruksområder innenfor luftfart og bilindustrien, hvor materialene må håndtere både mekanisk stress og høye termiske påkjenninger.

I studier av høyytelses metalliske kompositter har det vist seg at cryorulling ikke bare forbedrer styrken, men også stabiliserer materialene under langvarig bruk. Dette gjør dem til ideelle kandidater for applikasjoner som krever materialer med høy styrke og holdbarhet under varierende forhold. Cryorulling har også vist seg å bidra til økt plastisitet ved lave temperaturer, noe som gjør det mulig å bruke disse materialene under ekstreme forhold uten at de mister sin integritet eller blir sprø.

For leseren som ønsker å forstå det fulle potensialet til cryorullet materiale, er det viktig å vurdere ikke bare de mekaniske egenskapene som styrke og duktilitet, men også hvordan disse materialene interagerer med omgivelsene under belastning. Spesielt bør man være oppmerksom på hvordan mikrostrukturelle endringer som dannelsen av ultrafine korn og nanostrukturer bidrar til det endelige resultatet. Dette kan kreve dypere innsikt i fysikk og materialvitenskap for å fullt ut forstå hvordan disse prosessene påvirker den langsiktige ytelsen til materialene.

Hvordan kan Asymmetrisk Kryorulling Forbedre Mekaniske Egenskaper av Al/HEAp MMCs?

Asymmetrisk kryorulling (ACR) har vist seg å ha betydelig innvirkning på de mekaniske egenskapene til Al/HEAp MMCs (metallmatrisekompositter), spesielt i forhold til de konvensjonelle prosessene som vanlig kaldvalsing (AR). En viktig forbedring som observeres er en økning i mikrohardheten, som for Al/HEAp MMCs behandlet med ACR er 7,2 % høyere enn for de som ble behandlet med AR. Dette viser at ACR kan effektivt styrke materialet, både når det gjelder hardhet og deformasjonsegenskaper.

Når reduksjonen under valsing økes fra 80 % til 90 %, øker også mikrohardheten til Al/HEAp MMCs betydelig, fra 76 HV til 84 HV. Denne økningen tyder på at ACR prosessen har et vesentlig positivt bidrag til å styrke Al/HEAp MMCs, noe som kan være avgjørende i applikasjoner som krever høy slitestyrke og holdbarhet.

Videre viser resultatene at de mekaniske egenskapene til ACR-behandlede Al/HEAp MMCs er bedre enn de som er behandlet med AR. For eksempel, ved 3 % vektandel av HEAp i Al-matrisen, er flytespenningen for ACR-prøver 10,5 % høyere enn for AR-prøver. Ved 80 % valsingreduksjon øker flytespenningen fra 195 MPa til 213 MPa for henholdsvis AR og ACR. Når valsingreduksjonen økes til 95 %, øker flytespenningen fra 200 MPa til 221 MPa.

Tilsvarende økning ses i den ultimate strekkstyrken (UTS) av ACR Al/HEAp MMCs. UTS for de opprinnelige Al/HEAp MMCs er 115 MPa, og etter behandling med AR stiger den til 207 MPa. ACR-behandlede prøver når en imponerende 231 MPa ved 80 % valsingreduksjon, og 253 MPa ved 95 % valsingreduksjon, som er en økning på 13,5 % i forhold til AR. Denne økningen i strekkstyrke og flytespenning viser hvordan ACR kan forbedre både styrken og elastisiteten i komposittmaterialer.

Ved å undersøke bruddmorfologien under strekk, ser man også klare forskjeller mellom AR og ACR behandlet Al/HEAp MMCs. For AR-prøver, spesielt ved 80 % og 95 % valsingreduksjon, vises større områder av sprekkbrudd med lite eller ingen dimpler, noe som indikerer en mer sprø bruddkarakteristikk. I motsetning til dette viser ACR-behandlede prøver en blandet bruddkarakteristikk med både dimpler og noen få rivekanter, noe som indikerer høyere duktilitet og bedre motstand mot brudd ved høy valsingreduksjon.

I tillegg til volumshrinkingseffekten, spiller andre styrkemekanismer også en rolle i forbedringen av materialets egenskaper. CTE mismatch-styrking, som skyldes forskjellen i termisk ekspansjon mellom Al og HEAp, fører til opphopning av plastisk strain og økt dislokasjonsdensitet. Denne effekten er spesielt markant i ACR-behandlede materialer, som behandles ved mye lavere temperaturer enn AR-behandlede prøver, og resulterer i en høyere dislokasjonsdensitet. Videre, ved kryogene temperaturer, vil materialets gitterstruktur krympe, noe som reduserer avstanden mellom atomene og hindrer dislokasjoner i å gli lett. Denne "gittermotstanden" fører til høyere styrke i materialet.

Denne forbedringen i både styrke og duktilitet gjør ACR-behandlede Al/HEAp MMCs godt egnet for applikasjoner som krever både høy mekanisk ytelse og pålitelighet, spesielt i krevende industrielle miljøer.