Aldringstemperatur og mikrostruktur har en betydelig innvirkning på de mekaniske egenskapene til laminerte materialer, spesielt i tilfelle av AA1050/AA6061 laminater. Dette gjelder både for styrkeforbedring og for utførelsen av aldringsprosessen, som kan øke materialets styrke betydelig gjennom dannelse av presipitatene i mikroskopisk struktur. Resultatene fra prøvene som er testet under ulike aldringsforhold viser en tydelig sammenheng mellom aldringstemperatur, tidsforløp og mikrostrukturell endring.

For AA1050/AA6061 laminater viser prøver som har gjennomgått fem ARB-sykluser en maksimal styrke ved 100 °C, med en toppstyrke på 328 MPa for C2-prøven etter 54 timers aldring, og 265 MPa for A5-prøven etter 57 timer. Dette reflekterer et betydelig potensial for styrkeforbedring gjennom aldring ved høyere temperaturer, der tid og temperatur er avgjørende for hvordan presipitatene dannes og forsterker materialet.

Når temperaturen økes under aldring, reduseres tiden til toppaldring, og materialets styrke øker jevnt i henhold til aldringens varighet. Dette kan forklares med økt dannelse av presipitatene som fester seg til dislokasjoner i materialet, noe som forhindrer videre bevegelse av dislokasjoner og dermed styrker materialet. Testene indikerer at dette fenomenet er mest uttalt ved 100 °C, hvor materialet oppnår sine beste mekaniske egenskaper etter relativt kort aldringstid sammenlignet med lavere temperaturer.

Mikrostrukturelle observasjoner ved hjelp av SEM og TEM bekrefter at strukturen i laminatene utvikler seg forskjellig avhengig av antall ARB-sykluser og de spesifikke behandlingsmetodene som benyttes. Ved de første ARB-syklene er lagene i materialet i stor grad uforandret, men etter flere sykluser øker antallet lag i laminatet, og lagene blir tynnere. Denne nedgangen i tykkelsen skjer raskere for det mykere laget (AA1050) enn for det hardere laget (AA6061), et fenomen som skyldes ulik plastisk deformasjonsegenskaper mellom de to metallene.

I kontrast til de tradisjonelle ARB-syklusene, hvor nekking og brudd i det harde laget blir tydelig etter flere sykluser, viser prøver som er bearbeidet ved kryorulling (C2-prøven) betydelig forbedring i strukturell kontinuitet. Kryorulling bidrar til å forsinke plastisk ustabilitet og forbedrer deformasjonsuniformiteten mellom de to lagene. Dette gjør at C2-prøvene viser en høyere styrke, spesielt i kombinasjon med peak aldring ved 100 °C.

XRD-målinger som ble gjennomført på prøvene etter rulling viser at dislokasjonstettheten øker med flere ARB-sykluser, og det er en tydelig økning i dislokasjonstettheten i C2-prøven etter kryorulling. Høyere dislokasjonstetthet gir flere kjerner for presipitatdannelse, som fremskynder aldringsprosessen og resulterer i en raskere oppnåelse av toppstyrke. Dette er grunnen til at C2-prøven når sin toppstyrke ved 100 °C aldring tidligere enn de andre prøvene.

Ved å analysere TEM-bildene etter aldring ved 100 °C, ser vi at mikroskopiske endringer i kornstørrelse og dislokasjonsstruktur gjenspeiler effekten av aldringsprosessen. I C2-prøven er kornene betydelig mer fine og veldefinerte enn i A5-prøven, noe som viser effekten av kryorulling på kornforfining og forbedring av mekaniske egenskaper. Denne fine kornstrukturen gjør det lettere for presipitatene å danne seg i et tettere mønster, som igjen forbedrer materialets styrke gjennom hele aldringsprosessen.

Det er også viktig å merke seg at aldring ved lave temperaturer kan føre til en viss grad av gjenoppretting av materialet. Denne prosessen forårsaker en viss reduksjon i dislokasjonstetthet, men presipitatene som dannes under aldring bidrar til å motvirke effekten av dislokasjonene ved å hindre videre plastisk deformasjon. Dermed er den kombinerte effekten av dislokasjonsannihilering og presipitatdannelse avgjørende for å forbedre styrken til AA1050/AA6061 laminater gjennom aldring.

Det er viktig å forstå at selv om aldring kan forbedre styrken betydelig, er det også en balanse mellom behandlingstid og temperatur. For lange aldringstider ved høye temperaturer kan føre til en betydelig reduksjon i styrken, ettersom for mye presipitatdannelse kan føre til en overskridelse av optimal mikrostuktur.

Hvordan temperaturer under valsing påvirker mikrostrukturen og mekaniske egenskaper i Cu/Al/Cu-komposittmaterialer

Mekaniske egenskaper til sandwich-lignende Cu/Al/Cu komposittmaterialer er sterkt avhengig av valsingstemperaturen som brukes under produksjonen. Et viktig aspekt ved utviklingen av disse materialene er mikrostukturen som dannes i kobber- og aluminiumlagene etter valsing, som kan variere betydelig avhengig av om prosessen foregår ved lave, romtemperaturer eller høye temperaturer.

Enkelte eksperimentelle resultater viser at når Cu/Al/Cu-komposittene gjennomgår kryovalsing ved temperaturer så lave som −190 °C, er kornstørrelsen i kobberlaget i gjennomsnitt 0,8 μm, mens kornstørrelsen i aluminiumsjiktet er 2,1 μm. Når valsingstemperaturen økes, for eksempel til −100 °C eller til romtemperatur, øker kornstørrelsene markant. For kobberlaget blir gjennomsnittlig kornstørrelse 1,2 μm ved −100 °C, 3,5 μm ved kaldvalsing og 7,1 μm ved varmeslagsvalsing. På samme måte øker kornstørrelsen for aluminiumlaget til henholdsvis 2,6 μm, 6,2 μm og 7,5 μm ved de samme temperaturene.

Det er tydelig at valsingstemperaturen påvirker hvordan mikrostukturen i materialet utvikler seg, spesielt i forhold til kornstørrelsen. Kornforfining som skjer ved lavere valsingstemperaturer, kan forbedre materialets mekaniske egenskaper ved å øke utbytte- og bruddspenningen, som det forklares gjennom Hall–Petch-ligningen. En lavere temperatur fører til høyere dislokasjonsdensitet, noe som hemmer bevegelsen av dislokasjoner og dermed reduserer kornstørrelsen, hvilket igjen øker materialets styrke.

En annen viktig faktor som påvirkes av valsingstemperaturen, er kvaliteten på bindingen mellom kobber- og aluminiumsjiktet. Under kryovalsing ved −190 °C dannes det serraterte overflater langs grensesnittet mellom kobber- og aluminiumsjiktet. Denne serraterte strukturen gir en mekanisk låsning mellom de to lagene, som er en form for bonding som skiller seg fra diffusionsbindingen som oppstår ved høyere valsingstemperaturer. Når temperaturen økes, blir grensesnittet mellom lagene mer jevnt og den mekaniske bindingen mellom kobber og aluminium blir sterkere.

Det har blitt dokumentert at grensesnittet mellom Cu og Al i disse komposittene utvikler et intermetallisk lag av forskjellige forbindelser, som for eksempel Al2Cu, AlCu, Al3Cu4 og Al4Cu9, spesielt ved valsing ved høyere temperaturer som 300 °C. Dette laget påvirker de mekaniske egenskapene, som ofte resulterer i lavere duktilitet og høyere styrke. Mikroskopiske bilder av bruddoverflater viser at når materialene er kryovalset, oppstår det omfattende hulrom mellom lagene, noe som indikerer en lavere bindingstyrke. Når valsingstemperaturen økes, blir disse hulrommene mindre, og bindingen mellom lagene blir bedre, noe som forbedrer materialets mekaniske ytelse.

Frakturmekanismen for kryovalsede Cu/Al/Cu-laminater er også sterkere knyttet til valsingstemperaturen. Ved kryovalsing ved lav temperatur oppstår det en spesifikk brudddynamikk ved intermetalliske lag som skyldes tilstedeværelsen av lokale plastiske heterogeniteter. Ved høyere temperaturer er mekanismen mer preget av diffusjonsbonden, som resulterer i bedre ytelse under strekkprøver.

Et interessant aspekt som ikke bør overses er hvordan endringene i intermetallisk lagtykkelse påvirker de mekaniske egenskapene til komposittene. For eksempel øker tykkelsen på AlCu intermetallisk lag med økende valsingstemperatur, noe som også har en eksponentiell sammenheng med den mekaniske styrken og duktiliteten. Det er derfor viktig å vurdere både kornstørrelse, intermetallisk lagtykkelse og kvaliteten på bindingen mellom lagene når man vurderer de mekaniske egenskapene til Cu/Al/Cu-kompositter.

Med økende temperaturer opplever Cu/Al-grensene mellom lagene en overgang fra mekanisk låsing til diffusjonsbasert bonding, som påvirker både materialets strukturelle integritet og dets respons på strekkbelastning. Dette er en avgjørende faktor for utviklingen av høyytelses komposittmaterialer til potensielle strukturelle applikasjoner der både styrke og duktilitet er nødvendige.

Endringer i disse parametrene er også relatert til restspenningene som utvikles under valsing. Ved høyere temperaturer reduseres restspenningene i intermetalliske lag, og fordelingen av disse spenningene blir mer uniform, noe som gir et mer stabilt materiale som er mindre utsatt for sprøhet.

For utvikling av Cu/Al/Cu-kompositter med optimal mekanisk ytelse er det derfor essensielt å kontrollere både valsingstemperatur og prosessparametere som reduksjonsgrad og valsinghastighet, ettersom disse faktorene direkte påvirker mikrostukturen og de mekaniske egenskapene. Dette krever en nøye balansering av temperatur, tid og de mekaniske kreftene som påføres under produksjonen for å oppnå ønskede materialegenskaper.

Hvordan Kryo-rulling Påvirker Mikrosstruktur og Termisk Stabilitet i Cu/Nb Laminater

Under kryo-rolling prosessen endres mekanismene for plastisk deformasjon i kobberlaget (Cu) betydelig. Ifølge Zener-Hollomon forholdet, er deformasjonstemperaturen omvendt relatert til Z-parameteren, noe som betyr at jo lavere deformasjonstemperaturen er, jo større blir Z-verdien, og dermed vanskeligere blir plastisk deformasjon å oppnå. Dette resulterer i en betydelig hemning av dislokasjonens glidning og klatring i Cu-laget, som har moderat staplingsfeilenergi, og dette fører til dannelsen av ufullstendige dislokasjoner. Når deformasjonen fortsetter, akkumuleres et stort antall ufullstendige dislokasjoner som utvider seg i gitteret og danner staplingsfeil, noe som skaper gunstige forhold for dannelsen av tvillinger.

Tvillinger har en betydelig hemmende effekt på dislokasjonsbevegelse, og en dislokasjon kan passere gjennom tvillinggrensene ved kryssglidning, eller en full dislokasjon kan dekomponeres til to Shockley ufullstendige dislokasjoner på tvillinggrensen og deretter spre seg langs denne. Disse prosessene krever ekstra stress for å drive dislokasjonsbevegelsen, noe som øker styrken og hardheten til Cu-laget. Dette bidrar til den forbedrede styrken av Cu/Nb-laminatene, og dannelsen av tvillinger forbedrer også det generelle styrkenivået i laminatene.

Når det gjelder termisk stabilitet, har Cu/Nb-laminatenes evne til å motstå temperaturpåvirkning en sterk sammenheng med lagtykkelse, interfasetetthet og strukturen til grensesnittene mellom lagene. I studien viste det seg at forskjellen mellom gjennomsnittlig lagtykkelse i kryo-rullet og kald-rullet Cu/Nb-laminater er ubetydelig og har dermed minimal effekt på den termiske stabiliteten. Den viktigste faktoren som påvirker den termiske stabiliteten er imidlertid strukturen på grensesnittene. Misra og Hoagland påviste at PVD Cu/Nb-laminater med flate grensesnitt kan beholde lagstrukturen etter en annealing-prosess ved 973 K, mens ARB Nb-laget spheroidiseres. Denne forskningen indikerer at Cu/Nb-laminater med en {110} <111> Cu|| {001} <110> Nb-grensesnitt har bedre termisk stabilitet enn de med {112} <111> Cu||{112} <110> Nb-grensesnitt.

I denne studien er det også vist at kryo-rullerte Cu/Nb-laminater har et flatt grensesnitt som hemmer restitusjonen av Cu-laget mer effektivt enn det sikksakk-mønstrede grensesnittet til kald-rullede laminater, og dermed gir de kryo-rullerte laminatene bedre termisk stabilitet. Dannelse av tvillinger kan også endre Cu/Nb-grensesnittstrukturen og redusere den lokale grensesnittenergien, noe som reduserer forekomsten av Rayleigh-instabilitet. Dette betyr at kryo-rullerte Cu/Nb-laminater har en bedre termisk stabilitet etter oppvarming til 773 K, og det observeres mindre økning i lagtykkelsen sammenlignet med de kald-rullerte eksemplarene.

Etter oppvarming til 773 K viser de kryo-rullerte Cu/Nb-laminatene høyere hardhet enn de kald-rullerte, selv om styrken er lik. Dette skyldes den semi-koherente Cu/Nb-grensen som hemmer dislokasjonsoverføring på tvers av grensen. Under deformasjon vil Cu/Nb-grensen med lav skjærstyrke hindre dislokasjoner fra å bevege seg gjennom grensesnittet, og dette kan føre til dannelse av mikrosprekker og porer ved grensesnittet, noe som begrenser den generelle deformasjonsevnen til laminatene. Men når deformasjonen fortsetter, interagerer dislokasjonene med hverandre, og de blir jevnt fordelt over laget, noe som reduserer stresskonsentrasjonen. Denne prosessen skjer lettere ved sikksakk-grensesnittet i kald-rullerte laminater, som stimulerer flere glidesystemer og effektivt reduserer stresskonsentrasjonene.

I kryo-rullerte Cu/Nb-laminater påvirker tvillingdannelsen også deformasjonen, og under strekkdannelse vil tvillingene kunne absorbere dislokasjoner, noe som forbedrer plastisiteten til Cu-laget. Etter annealing viser de kryo-rullerte Cu/Nb-laminatene derfor bedre duktilitet enn de kald-rullerte laminatene.

På samme måte som for Cu/Nb-laminater, viser Cu/Brass-laminater også en forbedret styrke og duktilitet ved bruk av kryo-rulling. Den kryo-rullede prosessen fører til dannelse av nanoskalatiske fibrede korn i Cu-laget, og dette hemmer den dynamiske restitusjonen og øker dislokasjonsdensiteten. For messinglaget (brass) vises økt dannelse av skjærbånd og høyere tetthet av deformasjons-tvillinger, som også forbedrer styrken og duktiliteten til laminatene.

Endringer i mikrosstruktur på tvers av ulike behandlinger kan ha store konsekvenser for de mekaniske og termiske egenskapene til Cu/Nb og Cu/Brass laminater. Kryo-rulling kan derfor være et nøkkeltrinn for å oppnå ønskede kombinasjoner av styrke, hardhet, og duktilitet i heterostrukturerte materialer.

Hvordan innholdet av HEAp påvirker de mekaniske egenskapene til AA5083/HEAp MMCs

Mikrostrukturelle analyser og mekaniske egenskaper av AA5083/HEAp MMCs viser en betydelig forbedring i både strekkstyrke og mikrohårdhet ved tilsetning av HEAp. Når forskjellige mengder HEAp legges til i matrisen, blir de mekaniske egenskapene bedre. For eksempel, for en sammensetning med 3 vektprosent HEAp, øker den ytelsesstyrken (YS) fra 120 MPa til 207 MPa, mens den ultimate strekkstyrken (UTS) øker med 26,6% fra 203 MPa. Derimot er det en reduksjon i bruddforlengelsen. For AA5083 reduseres bruddforlengelsen fra 23% til henholdsvis 15% og 11,7% ved tilsetning av 1 vekt% og 3 vekt% HEAp. Denne reduksjonen i duktilitet kan forklares av den økte tilstedeværelsen av forsterkende partikler som påvirker materialets evne til å deforme plastisk før brudd.

Mikrostrukturen av HEAp-partiklene, både i støpt og rullet tilstand, viser tydelige endringer som kan forklare endringene i de mekaniske egenskapene. I den støpte tilstanden er HEAp-partiklene rundt 15–20 μm i diameter, mens de reduseres til 5–10 μm etter valsing. I tillegg observeres noen brudd i partiklene under valsing, noe som kan svekke materialets integritet og ytterligere påvirke duktiliteten. Dette er spesielt merkbart i prøver rullet til 80% reduksjon i tykkelse, der bruddene er karakterisert ved mindre og mer intense dimpler på bruddoverflaten.

For de rullede prøvene, både ved vanlig valsing og cryorulling, er det en betydelig forbedring i både YS og UTS. For eksempel, ved en valsing på 50% reduksjon i tykkelse, når UTS 323 MPa for AA5083, mens det når 429 MPa for komposittene med 3 vekt% HEAp etter cryorulling. Cryorulling gir i tillegg et mer jevnt fordelte HEAp-partikler i matrisen, som bidrar til økt styrke.

En av de viktige faktorene som bidrar til disse forbedringene er forsterkningseffektene som HEAp-partiklene gir i matrisen. HEAp-partikler fungerer som kjerner for korndannelse under støping, og de forbedrer materialets mekaniske egenskaper gjennom en mekanisme kjent som kornforfining. Dette skjer gjennom en Hall-Petch-relasjon, der en reduksjon i kornstørrelsen øker materialets styrke.

Mekanismene bak den forbedrede styrken kan også forklares av dislokasjonsslip i både matrisen og HEAp-partiklene under valsing. Forbedringen i både UTS og YS kan tilskrives de krefter som påføres under valsing, som forårsaker en betydelig reduksjon i partikkelstørrelsen, samtidig som de forsterkende partikkelene hindrer plastisk deformasjon i matrisen.

Mikrohårdheten øker også betraktelig med tilsetning av HEAp-partikler. For de støpte prøvene øker mikrohardheten fra 82,7 HV til 111,1 HV ved tilsetning av 3 vekt% HEAp. Videre, gjennom valsing, øker hardheten ytterligere som følge av arbeidshardingen som skjer under prosessen. Cryorullet materiale har høyere hardhet enn HR-materiale, som kan sees i mikrohårdhetstestene.

Frakturbildet for materialene viser et klart skifte i bruddbildet etter tilsetning av HEAp. For AA5083 uten HEAp, er bruddflaten preget av store og dype dimpler kombinert med små dimpler og rivekanter, noe som indikerer duktilt brudd. For prøvene med 3 vekt% HEAp er dimplene betydelig mindre, og frakturen kan ses å forplante seg langs sprekkene mellom partikkelenes grensesnitt og matrisen. Dette viser at HEAp kan redusere duktiliteten i materialet, men samtidig bidra til en sterkere matrisestyrke, som er viktig for spesifikasjoner der høy strekkstyrke er mer ønsket enn høy duktilitet.

De mekanismene som styrker materialet ved tilsetning av HEAp, inkluderer ikke bare kornforfining, men også strammingsinnflytelse gjennom partikkelmatrise-interaksjoner, som skaper mer motstand mot deformasjon. Dette gjør at materialet får bedre elastisk styrke, men samtidig kan føre til en viss økning i sprøhet ved ekstreme belastninger.

Når man vurderer anvendelsen av AA5083/HEAp MMCs, er det viktig å forstå at tilsetningen av HEAp-partikler ikke nødvendigvis forbedrer alle aspekter av materialets egenskaper. For eksempel er det en utfordring med å opprettholde høy duktilitet ved høye innhold av HEAp, og dette kan begrense bruken i applikasjoner der både styrke og plastisitet er nødvendig. Videre, selv om valsingsteknikker som cryorulling gir høyere styrke og hardhet, kan disse prosessene også føre til mikroskopiske defekter og kornforandringer som kan påvirke materialets langsiktige pålitelighet under belastning.

Hvordan tekniske sandwichstrukturer fungerer under bøyningsbelastning
Hva bør Australia gjøre hvis Trump vender tilbake til presidentembetet?
Hvordan Mata Hari ble brakt inn i et nett av spionasje og bedrag