Ved valsing av komposittmaterialer med harde og myke lag kan de harde materialene oppleve brudd, spesielt når de er omgitt av et mykere materiale. Et eksempel på dette er Cu/Ti-laminater, hvor Cu-laget (kobber) fungerer som et mykt materiale og Ti-laget (titan) som et hardt materiale. Under valsing kan det være forskjell i hvordan hvert lag deformeres, noe som kan føre til spenninger og frakturering.

Bilder tatt med skanning elektronmikroskop (SEM) og transmisjon elektronmikroskop (TEM) av Cu/Ti-laminater viser hvordan grensesnittene mellom lagene utvikler seg under valsing. I figuren som viser SEM-bilder av Cu/Ti-laminater med varierende tykkelse på Ti-laget, kan det observeres at grensesnittene mellom Cu og Ti har en karakteristisk "konveks" form når sett fra kobbersiden, men en "konkav" form når sett fra titalsiden. Dette er et tydelig tegn på at tykkelsen på lagene påvirker grensesnittets form og hvordan materialene samhandler under valsing.

Ved videre reduksjon i tykkelsen på Ti-laget, for eksempel til 25 μm, blir grensesnittet mer uttalt konkavt. Denne endringen i grensesnittets geometri skyldes forskjellen i mekaniske egenskaper mellom Cu og Ti, samt størrelsen på de enkelte lagene. Den sterkere Cu-laget, som er mye tykkere enn Ti-laget i dette tilfellet, spiller en avgjørende rolle under valsingen. Som et resultat, tilpasser det harde laget seg den mykere Cu-strukturen, som får Ti-laget til å anta en konkav form.

I TEM-bilder av mikrostrukturen nær grensesnittet mellom Cu og Ti under valsing er det også observert at når tykkelsen på laminatfolien reduseres, blir kornglidningen i Cu-laget mer uttalt. Kornstørrelsen i Cu-laget nær Ti-laget blir mye finere enn i de andre områdene, noe som tyder på intens skjærfriksjonsdeformasjon. Denne deformasjonen skjer under valsingen, og gir et viktig innblikk i hvordan kornene i materialet kan raffineres under mekanisk bearbeiding. Dette fenomenet kan være en av de viktigste mekanismene for kornforfining i nanokomposittfolie-materialer laget gjennom valsing.

Når tykkelsen på laminatet reduseres ytterligere, øker belastningen på materialene, og mikrostrukturen til Cu-laget blir mer homogen, med en tilnærmet jevn fordeling av spenninger og deformasjoner over området. I tilfelle av tykkere Cu-lag, blir grensesnittet mellom de to materialene mer jevnt og glatt, noe som igjen påvirker materialstyrken.

En annen viktig mekanisme som kan observeres under kaldvalsingsprosessen er hvordan hardere materialer, som Ti, deformeres i forhold til mykere materialer som Cu. Når de mekaniske egenskapene til de to materialene er forskjellige, kan det oppstå ujevn deformasjon. Dette skjer i laminater hvor den harde metallet tenderer til å bli hengende igjen i prosessen, mens det mykere materialet, som Cu, vil begynne å "omgi" og fylle de deformerte områdene til den harde metallet. Dette fenomenet kan føre til brudd og sprekkdannelse i det harde materialet, som er vanlig i mange tilfeller av multilagsmetaller, slik som Al/Ni-laminater, hvor det harde laget begynner å trekke seg sammen og til slutt brister etter flere valsingstrinn.

Videre viser numeriske simuleringer at når tykkelsen på det harde materialet (som Ti) reduseres, blir deformasjonen mer kompleks. I tilfeller hvor Ti-laget er ekstremt tynn, som 25 μm, blir grensesnittet mellom lagene mer bølgende og får en "hundeben"-form. Dette kan forklares med at det harde laget blir mer utsatt for strekkspenning i valsingsprosessen, spesielt når Cu-laget, som er mye tykkere, påfører betydelig trykk på det.

Dette fenomenet kan også modelleres ved hjelp av Finite Element Method (FEM) simuleringer, som viser hvordan spenningen og deformasjonen utvikles i det deformerte laminatet. Det er et mål å finne balansen mellom de mekaniske egenskapene til de to materialene for å forhindre uønsket brudd og frakturering under valsing, og for å optimalisere strukturen til det resulterende materialet.

For videre optimalisering og bedre forståelse er det nødvendig å studere flere faktorer som påvirker valsingens effektivitet, som elastisitetsmodulene til de forskjellige lagene, spenningene som utvikles under prosessen, og hvordan disse faktorene påvirker materialenes ytelse over tid. Det er også viktig å merke seg at mekanismene for kornforfining ikke bare avhenger av mekanisk bearbeiding, men også kan forbedres ved å justere temperaturen, valsingshastigheten og andre prosessparametere.

Hvordan kryogenisk valsing forbedrer kvaliteten på Al/Ti/Al-laminater: Grensebånds- og mekaniske egenskaper

Al/Ti/Al-laminater er ofte utsatt for feil som kantsprekker og dårlig grensebånd, noe som kan svekke deres mekaniske egenskaper. Den tradisjonelle kaldvalsingen av slike materialer gir ofte kantsprekker, som er nødvendige å fjerne før videre bearbeiding. I motsetning til dette har kryogenisk valsing blitt identifisert som en teknikk som signifikant kan forbedre både kantkvaliteten og de mekaniske egenskapene til disse laminatene, gjennom forbedret grensebåndsforming og finere kornstruktur.

Resultatene viser at når Al/Ti/Al-laminater blir utsatt for kryogenisk valsing, blir kantsprekkene som er vanlige ved kaldvalsing eliminert. Ved kaldvalsing, som er utført ved romtemperatur, dannes det små sprekker i kantene av laminatene etter hver valsing, mens kryogenisk valsing – som skjer ved lave temperaturer – forhindrer slike sprekker. Dette skyldes blant annet at aluminiumlegeringer har høyere duktilitet ved kryogene temperaturer sammenlignet med ved romtemperatur. Dette gjør kryogenisk valsing til en effektiv metode for å forbedre både kantens utseende og mekaniske egenskaper.

Når det gjelder de mekaniske egenskapene, viser sammenligningen av strekk–spenning-kurver mellom kaldvalsede og kryogenisk valsede laminater, at den ultimate strekkstyrken for Al/Ti/Al-laminater øker med 36,7% ved bruk av kryogenisk valsing. Etter den fjerde valsingen, er strekkstyrken 205 MPa for laminater behandlet med kryogenisk valsing, sammenlignet med 150 MPa for de som er behandlet med kaldvalsing. Denne økningen i strekkstyrke kan tilskrives finere kornstruktur som dannes i både Al- og Ti-lagene under kryogenisk valsing.

Microstrukturelle studier gjennom TEM-bilder (transmisjonselektronmikroskopi) viser at grensesnittet mellom Al og Ti er betydelig forbedret etter kryogenisk valsing. Etter den andre valsingen i kaldvalsede prøver er det fortsatt små hulrom mellom lagene, men etter den fjerde valsingen, er båndet mellom lagene godt etablert. I kryogenisk valsede prøver er dette båndet enda mer optimalisert, med en mye finere kornstruktur og færre hulrom. Dette reflekterer en bedre interfacial binding, noe som er essensielt for laminatens totale styrke og pålitelighet.

Sammenligningen av kornstørrelse mellom Al-lagene i kaldvalsede og kryogenisk valsede prøver viser en tydelig forskjell. Kornene i de kryogenisk valsede prøvene er betydelig finere, noe som, ifølge Hall-Petch-formelen, fører til en økning i materialets flytegrense. Dette viser seg også i styrketestene, der laminatene behandlet med kryogenisk valsing har en mye høyere strekkstyrke enn de som er behandlet ved romtemperatur.

Kryogenisk valsing reduserer også tendensen til kantsprekker ved at den lavere temperaturen under prosessen hemmer de dynamiske gjenopprettelsesprosessene som ellers ville føre til større deformasjoner og feil i materialet. Dette gjør at materialene kan oppnå en høyere kvalitet og bedre mekaniske egenskaper, samtidig som energiforbruket kan reduseres ved å bruke lavere temperaturer under produksjonen.

Når det gjelder mekanismene bak interfacial bonding, er det flere teorier som prøver å forklare hvordan båndet mellom Al- og Ti-lagene dannes. For eksempel, den klassiske teorien om diffusjonsbinding beskriver hvordan atomene diffunderer over grensen og danner en sterk forbindelse. Kryogenisk valsing er spesielt effektiv fordi det under denne prosessen dannes fine og ultrafine korn på grunn av den lave temperaturen, som fremmer en sterkere binding mellom lagene. Det er viktig å merke seg at graden av valsing og reduksjonen i tykkelse per pass spiller en nøkkelrolle i utviklingen av det interfaciale båndet, hvor en høyere reduksjon i tykkelse fører til bedre bånddannelse og finere kornstruktur.

Det er også avgjørende å forstå at valsingstemperaturen er en av de viktigste faktorene som påvirker dannelsen av grensebåndet. Selv om reduksjonsgraden per pass i både kryogenisk og kaldvalsing er lik, fører den forskjellige temperaturen til at kornene i de ulike lagene bearbeides på en ulik måte, noe som igjen påvirker sluttresultatene i form av styrke og holdbarhet.

Ved å anvende kryogenisk valsing på Al/Ti/Al-laminater er det derfor mulig å forbedre både kantens kvalitet og de mekaniske egenskapene betraktelig. Teknikken viser seg å være særlig effektiv i å eliminere feil som kantsprekker og i å fremme sterkere og mer pålitelige bånd mellom lagene, noe som gir et mer holdbart og sterkt laminat.

Hvordan ARB og Kryorulling Forbedrer De Mekaniske Egenskapene til Hybridkompositter med Keramiske Partikler i Aluminiummatriser

Al/SiCp, Al/TiCp og Al/TiCp-SiCp hybride kompositter med henholdsvis 4,0 vektprosent SiCp, 2,0 vektprosent TiCp og (2 + 4) vektprosent TiCp og SiCp etter ARB-behandling (Accumulated Roll Bonding) kombinert med kryorullingssykluser ble sammenlignet i Fig. 5.62 og 5.63a. Opprettelsen av komposittene gjennom ARB + kryorulling-metoden resulterte i en økning i strekkstyrken. Funnene viser at styrken til de hybride komposittene etter behandling oversteg strekkstyrken til den glødede Al-stripen. Spesielt oppnådde Al/TiCp-SiCp hybride kompositter den høyeste strekkstyrken på 361 MPa etter å ha gjennomgått ARB- og kryorullingssykluser, noe som er 5,2 ganger høyere enn den opprinnelige styrken til materialet (70 MPa). Denne styrken er den høyeste sammenlignet med andre kompositter, og Al/TiCp-SiCp-komposittene oppnådde også den høyeste avkastningsstyrken på 310 MPa (Fig. 5.63b).

Kombinasjonen av SiCp og TiCp keramiske partikler i stedet for individuelle partikler med Al-matrise økte strekkstyrken betydelig, mens forlengelsen minsket. Dette fenomenet kan tilskrives plastiske ustabiliteter som oppstår på grunn av forskjellige faktorer som den opprinnelige tykkelsen på materialet, arbeidshardhetseksponenten og styrkekoefisienten til de enkelte bestanddelene. Imidlertid resulterte Al med TiCp-partikler i en lavere styrke sammenlignet med de andre komposittene.

Signifikante forbedringer i strekkstyrken til alle komposittene ble observert etter den tredje kryorullingssyklusen. Denne styrkeøkningen i alvorlig deformerte materialer kan forklares med to hovedmekanismer for forsterkning. I de innledende stadiene av ARB-prosessen spiller arbeidshardhet en avgjørende rolle i å øke styrken. Ved høyere kryorullingssykluser blir imidlertid kornrefinering den dominerende styrkingsmekanismen ettersom antallet behandlingssykluser øker. Dette kan observeres ved tilstedeværelsen av et større antall ultrafine korn og skjeve korngrenser i materialet.

Studien viste at for hvert syklusresultat, var strekkstyrken til ARB-behandlede med kryorullede Al/TiCp-SiCp kompositter alltid høyere enn for de andre komposittene (Fig. 5.62 og 5.63a). I tillegg økte styrken for disse komposittene betydelig i de fleste kryorullingssyklusene.

For å vurdere samspillet mellom SiCp, TiCp og Al-matriser ytterligere, ble den strekkfrakturerte overflaten til ARB-behandlede og kryorullede kompositter undersøkt ved hjelp av SEM (Scanning Electron Microscopy).

Mikrohardenheten til AMCs behandlet med kryorulling i ARB-prosessen er vist i Fig. 5.63c. Her kan vi observere at mikrohardheten til Al-forsterket med keramiske partikler øker med antallet sykluser. Komposittenes mikrohardhet viser en rask økning sammenlignet med en glødet Al-matrise gjennom de behandlingssyklusene. Den høyeste hardheten ble observert i tilfelle av Al/SiCp-TiCp hybride kompositter, hvor verdien nådde 92Hv. Den høye arbeidsherdningsgraden er ansvarlig for den økte mikrohardheten i de primære syklusene, og dette kan knyttes til samspillet mellom partiklene og dislokasjonene i materialet. Hardheten økte raskt etter de første kryorullingssyklusene på grunn av kornrefineringen, i tråd med de økte strekkegenskapene som vises i Fig. 5.63a. Imidlertid var økningen i hardhet langsomt i de senere ARB-syklene for komposittene. Keramiske partikler var avgjørende for dislokasjonsforsterkning og for kornrefineringen av komposittene.

Den beregnede tøffheten for komposittene, ved hjelp av det matematiske integrasjonsmetoden som finner arealet under stress-strain kurvene, er vist i Fig. 5.64a. Den høyeste tøffheten ble oppnådd i Al-SiCp-TiCp-komposittene sammenlignet med de andre komposittene. Elasticitetmodulen for de ulike komposittene ble derimot bestemt gjennom grafiske teknikker (Fig. 5.64b-d). Dataene som vises representerer gjennomsnittet av tre tester utført på separate prøver, med standardavviket angitt ved feilinjen. Den oppnådde elastisitetsmodulen for rent Al var omtrent 69 GPa, mens de høyeste verdiene ble oppnådd i Al/SiCp-TiCp-komposittene ved kryorullingssyklus 3, med en verdi på 90 GPa (Fig. 5.64d). Hardheten og elastisitetsmodulen for komposittene økte betydelig etter den siste kryorullingssyklusen, spesielt i Al/SiCp-TiCp-komposittens tilfelle.

For leseren er det viktig å merke seg at ved å benytte ARB og kryorulling sammen, kan man oppnå imponerende forbedringer i både mekaniske og mikrostrukturelle egenskaper i aluminiummatrikskompositter forsterket med keramiske partikler. Den kombinerte bruken av SiCp og TiCp partikler gir ikke bare en økning i strekkstyrke og hardhet, men også en forbedring i elastisitet og tøffhet som er essensielle for materialer som skal brukes i krevende applikasjoner. Det er også avgjørende å forstå at de fysiske egenskapene til disse komposittene er sterkt påvirket av antallet rullesykluser og mekanismene for kornrefinering og dislokasjonsforsterkning. I tilfelle av hybride kompositter kan det også være nødvendig å vurdere andre faktorer som interfasestyrke mellom partiklene og matrisen for å oppnå de ønskede mekaniske egenskapene.

Hvordan lage en tradisjonell kinesisk and med aromatiske krydder
Hvordan Metaverset og Blockchain Teknologi Kan Revolusjonere Flere Sektorer
Hvordan effektivt bruke en AI for å utvikle applikasjoner: Viktige prinsipper og beste praksis