Hvordan påvirker rullforming prosessen for laminater og dannelse av porøsitet i metallkompositter?

Under rullforming av titan (Ti)-kobber (Cu) laminater, utvikler titanlaget en spesiell mekanisme hvor skjærspenningen på lagets overflate får det til å oppføre seg som et prøveemne under strekk. Når skjærspenningen overskrider en viss grense, gjennomgår titanlaget "nekking", noe som fører til materialfeil og til og med brudd etter flere rullpass. Denne typen deformasjon fører også til alvorlig skjærdeformasjon ved grensesnittet mellom Cu-lagene, noe som resulterer i kornforfining i Cu-laget. Kornstørrelsen i Cu-laget reduseres gradvis fra overflaten og innover mot grensesnittet med Ti-laget, og ved ytterligere deformasjon øker området med ultrafine korn.

Dette fenomenet med kornforfining er svært relevant for fremstilling av nanokomposittlaminater, hvor det er ønskelig at Ti-lagene er jevnt fordelt mellom Cu-lagene. Denne prosessen kan i stor grad forbedre de mekaniske egenskapene til laminatene, da Ti-lagene, under rullforholdene, viser betydelig plastisitet. For eksempel, i et eksperiment hvor Ti-laget ble utsatt for to kompresjonskrefter og én strekkraft, ble tykkelsen på Ti-laget redusert fra 25 μm til omtrent 200 nm, noe som er en økning i plastisitet hele 125 ganger mer enn normal forlengelse under samme forhold.

Når det gjelder Cu/Al laminater, er det et annet fenomen som utvikler seg under rullforming: dannelse av porøsitet i Al-laget. Dette er spesielt relevant for produksjon av Al-laminater med mikroskopiske egenskaper som kan brukes til å beskytte elektroniske enheter eller bygninger mot elektromagnetisk støy. Under rullforming av Cu/Al/Cu-laminater, er det tydelig at porøsiteten i Al-laget øker når tykkelsen på Al-laget reduseres. For eksempel, ved en Al-lagtykkelse på 130 μm, er det få porer synlige, men ved 16 μm er omtrent halvparten av området i mikroskopet fylt med nanoskala porer.

Studier har vist at dannelsen av porer i Al-laget skyldes spenningsfordelingen under rullformen. I inngangsregionen til rullbiten er Al-laget utsatt for kompresjon, som ikke fører til poreformasjon. I utgangsregionen derimot, blir Al-laget utsatt for strekkspenning som fører til dannelsen av porer. Denne mekanismen påvirker hvordan materialet deformeres og kan brukes til å kontrollere strukturen i det ferdige produktet, for eksempel ved å lage skumaktige strukturer i metallkompositter.

Det er viktig å forstå at den mekaniske egenskapen til bimetall-laminater, der Cu og Al har ulike flytespenninger, kan føre til forskjellige reduksjonsforhold under rullformingsprosessen. Al-lagene gjennomgår større tykkelsesreduksjon enn Cu-lagene, og det er en direkte sammenheng mellom denne reduksjonen og dannelsen av porøsitet i Al-laget. Denne utviklingen er ikke bare viktig for å forstå hvordan materialene oppfører seg under deformasjon, men også hvordan man kan designe prosesser for å oppnå ønskede materialegenskaper som ultrafine korn i Cu-lagene eller kontrollerte porer i Al-lagene.

Det er også viktig å merke seg at ved videre reduksjon av Al-lagets tykkelse, reduseres tykkelsesreduksjonsforholdet mellom Al- og Cu-lagene, og dette kan føre til en betydelig økning i porøsitet i Al-laget. Dette fenomenet har stor betydning for utviklingen av laminater med spesifikke strukturelle egenskaper som kan brukes til ulike industrielle applikasjoner. Det anbefales å nøye kontrollere prosessen for å oppnå ønsket porøsitet i Al-laget, som kan ha stor innvirkning på de termiske og elektriske egenskapene til det ferdige produktet.

I tillegg til å forstå de mekaniske effektene av rullformingsprosessen, er det viktig å vurdere hvordan porøsitet påvirker de overordnede egenskapene til laminatene. Porøsiteten kan forbedre visse egenskaper, som varmeledningsevne eller skjerming mot elektromagnetisk støy, men det kan også svekke andre egenskaper, som styrke eller seighet. Derfor må prosessen tilpasses og optimaliseres for hvert spesifikke bruksområde. Å kontrollere og forutsi dannelsen av porer kan være avgjørende for utviklingen av avanserte, funksjonelle materialer i fremtidens teknologier.

Hvordan temperatur på kryo-rullering påvirker styrken og mekaniske egenskaper til Al/Ti/Al laminater

Under romtemperaturdeformasjon kan ultrafine og nanokrystallinske korn vokse, noe som påvirker den mekaniske ytelsen og mikrostrukturen til materialer. Dette fenomenet er særlig viktig for Al/Ti/Al laminater, hvor kryorullering og asymmetrisk rulling spiller en betydelig rolle i hvordan lagene bindes sammen. Spesielt kan abnorm vekst av korn under asymmetrisk rulling føre til at grensesnittet mellom lagene elimineres, noe som igjen kan påvirke styrken og påliteligheten til laminatene. Når det gjelder Al/Ti/Al laminater, observeres en vekst av korn i de myke lagene under alvorlig skjærstress både ved romtemperatur og ved kryogene temperaturer, noe som også bidrar til interfacial binding.

Kryorullering av Al/Ti/Al laminater ved -100 °C viser seg å gi eksepsjonelle bindingsegenskaper, langt bedre enn vanlig kaldrulling eller varm rulling. Når Al/Ti/Al laminater blir behandlet ved ekstremt lave temperaturer som -190 °C eller -100 °C, dannes et skarpt og ujevnt grensesnitt mellom Al og Ti lagene, som gir forbedret mekanisk styrke og høyere ytelse. Dette oppstår på grunn av den økte interdiffusjonen av elementene nær Ti/Al-grensesnittet, noe som fører til dannelsen av et intermetallisk diffunderingslag.

Videre viser det seg at når Al/Ti/Al laminater er utsatt for kryorullering, øker vedheftstyrken mellom lagene. Spesielt er vedheftstyrken ved -100 °C 7,2 N·mm−1, noe som er 12,5 % høyere enn for prøvene som ble kaldrullet. Dette er en signifikant økning sammenlignet med prøvene behandlet ved høyere temperaturer, som -190 °C og 25 °C.

En annen viktig observasjon er hvordan rullingsprosessen påvirker bruddmekanismen til laminatene. Når prøvene gjennomgår kryorullering ved -100 °C, kan en plastisk bruddmekanisme observeres, som gir en jevn fordeling av deformasjoner i både Al- og Ti-lagene. På den andre siden, ved høyere temperaturer, som 300 °C, kan en mer ujevn fordeling av deformasjoner oppstå, som fører til en økt risiko for svikt på grunn av den svakere bindingen mellom lagene.

Når det gjelder mikroskopiske undersøkelser av overflater etter peelingtester, ble det observert at overflaten på Ti-laget utviklet dype sprekker når laminatet ble behandlet ved høyere temperaturer. På den annen side, etter kryorullering ved -100 °C, dannes det en "Al-ridge" på Al-laget under peelingprosessen, som er et tegn på sterkere binding mellom lagene. Dette fenomenet kan forklares ved at bindingen mellom Al- og Ti-lagene er sterkere enn Al-lagets strekkfasthet, noe som fører til at Al-laget blir trukket ut og danner et "kjegle"-mønster ved peeling.

Resultatene av de mekaniske prøvene som ble gjennomført, bekrefter at både kryorullering og varm rulling forbedrer både strekkstyrken og duktiliteten til Al/Ti/Al laminater. Av alle de testede prosessene, ga kryorullering ved -100 °C de beste resultatene, med en strekkstyrke på 260 MPa og en brudddeformasjon på 12,4 %. I sammenligning viser prøvene som ble kaldrullet eller varm rullet betydelig lavere styrke og duktilitet.

Al/Ti/Al laminater behandlet ved kryorullering på -100 °C har den beste balansen mellom styrke, duktilitet og adhesjon, noe som gjør dem til et ideelt valg for applikasjoner som krever høy pålitelighet og holdbarhet i krevende miljøer. Temperaturkontroll i rullingsprosessen spiller derfor en avgjørende rolle for å oppnå de ønskede materialegenskapene.

Hvordan reduksjonsforhold, antall passeringer og deformasjonshastighet påvirker grensebåndbinding

Grensebåndet mellom materialer spiller en avgjørende rolle i flere industrielle prosesser, spesielt i deformerbare materialer som krever høye presisjonsnivåer i produksjonen. Å forstå hvordan grensebåndets oppførsel endres med ulike deformasjonsteknikker er avgjørende for å optimalisere styrken og holdbarheten til materialet. Denne studien fokuserer på hvordan reduksjonsforhold, antall deformasjonspasseringer og deformasjonshastighet påvirker grensebåndets oppførsel etter kompresjonsdeformasjon.

Etter hvert som reduksjonsforholdet øker til 20 % og videre, reduseres størrelsen på hullene betydelig, og båndingsområdet blir mer sammenhengende. Når reduksjonsforholdet når 40 %, er det nesten umulig å se hullene visuelt, selv om det fortsatt finnes en overgangssone med et distinkt mikrostrukturmønster. Økt reduksjon fører til en reduksjon i hullene og øker bindingen mellom materialene, da deformasjonen forårsaker at atomer kan diffundere mer effektivt. Når reduksjonsforholdet når 50 %, er det ingen synlige hull i grensebåndet, og strukturen har blitt helt homogenisert.

Grensebåndets oppførsel påvirkes også av antall passeringer under deformasjonen. Når deformasjonen utføres i flere passeringer med et konstant totalt reduksjonsforhold, forblir små hull i grensebåndet etter de første passeringene, spesielt hvis reduksjonsforholdet per pass er lavt. Ved lavere antall passeringer, som to passeringer med større reduksjon i hver, minimeres hullene og mikrostrukturen i grensebåndet nærmer seg matriksstrukturen i større grad. Dette tyder på at flere passeringer, selv med lavere reduksjon per pass, ikke nødvendigvis fører til en bedre grensebåndbinding.

Deformasjonshastigheten er en annen kritisk faktor. Ved høy deformasjonshastighet (15 s−1) er hullene i grensebåndet store og distribuert lineært. Når hastigheten reduseres til 5 s−1, minsker antallet små hull, og bindingen forbedres merkbart. Ved hastigheter på 1 s−1 og spesielt 0,01 s−1, blir grensebåndet nesten helt sammenhengende, uten synlige hull. Dette kan forklares ved at lavere hastigheter gir mer tid for atomene til å diffundere og skape en sterkere kobling mellom grensesonene, noe som er avgjørende for å eliminere hull og forbedre strukturen i grensebåndet.

Samlet sett viser resultatene at både reduksjonsforhold, antall passeringer og deformasjonshastighet har en betydelig innvirkning på kvaliteten på grensebåndbindingen. Økt reduksjon fører til en mer fullstendig binding, mens flere passeringer kan hindre at fullstendig binding oppnås. Deformasjonshastigheten påvirker også atomdiffusjonen, hvor lavere hastigheter gir bedre grensebåndforbindelse på grunn av mer tid for atomene til å bevege seg.

Det er viktig å merke seg at ikke bare den fysiske reduksjonen eller antall passeringer er avgjørende, men også den termiske behandlingen og tiden for diffusjon. Etter hvert som prosessens temperaturkontroll og diffusjonstiden forbedres, vil grensebåndene som dannes under deformasjonen ha langt bedre mekaniske egenskaper. Dette kan være spesielt relevant for applikasjoner der materialets pålitelighet under langvarig belastning eller høye temperaturer er kritisk.

Hvordan SUS304 Interlag påvirker egenskapene til Cu/Al/Cu Laminater

SUS304 interlag har vist seg å ha en betydelig innvirkning på både mikrostrukturen og mekaniske egenskaper til Cu/Al/Cu laminater. De eksperimentelle resultatene viser at innføringen av SUS304 interlag forbedrer båndingsstyrken ved å introdusere et lag som fremmer både skjærdeformasjon og dannelse av harde lag. Spesielt på Cu/SUS304- og Al/SUS304-grensene kan det observeres et mønster av skjærbånd som spiller en avgjørende rolle i endringen av deformasjonens natur, fra jevn deformasjon til skjærlokalisert deformasjon.

Skjærdeformasjon i laminatene bidrar til dannelsen av et hardt lag på grensesnittet mellom SUS304 og matrisemetallene. Dette laget gir bedre sammenbinding mellom de forskjellige metallene, ettersom skjærdeformasjon bidrar til økt potensialenergi mellom atomer på grensen. Dette er viktig for forståelsen av hvordan grensesnittets båndingsenergi kan økes gjennom kontrollert deformasjon, som videre kan føre til en styrking av den samlede båndingskraften.

I tillegg til å fremme dannelsen av strain-hardening lag, er skjærdeformasjon også ansvarlig for endringer i metallstrømmen på mikroskala. Denne effekten er mest merkbar i områdene nær kantene av SUS304-fragmentene, hvor skjærdeformasjonen bidrar til å omdirigere strømmen av matrisemetallene. Dette fenomenet er viktig for å forstå hvordan metallene i laminatene kan tilpasse seg og forsterkes på en måte som er gunstig for båndingseffektiviteten.

Beregninger basert på laminatenes struktur viser at de med SUS304 interlag har et betydelig større båndingsområde enn de uten interlag. Dette understreker viktigheten av den mekaniske sammenflettingen som skjer mellom metallene. På tross av dette, er det en nedgang i båndingsområdet når rullereduksjonen når 70 %, noe som kan tilskrives en økning i mellomrommet mellom SUS304-fragmentene. Denne utviklingen kan også føre til en økning i den brittle naturen til strain-hardening lagene, noe som igjen påvirker båndingsstyrken.

Videre blir det klart at effekten av temperaturbehandling spiller en viktig rolle i egenskapene til laminatene. Når Cu/Al/Cu laminater med SUS304 interlag blir utsatt for varierende annealing-temperaturer, er det en merkbar endring i både strekkstyrke og bruddforlengelse. For eksempel, etter annealing ved 200 °C, synker strekkstyrken betydelig, men bruddforlengelsen øker betraktelig. Når temperaturen økes ytterligere til 300 °C og 400 °C, fortsetter denne trenden, selv om strekkstyrken stabiliserer seg på et lavere nivå enn før.

I tillegg til disse mekaniske endringene, påvirker annealingprosessen dannelsen av intermetalliske forbindelser (IMC). Spesielt etter annealing ved 300 °C og 400 °C, begynner IMC å danne seg i kontaktområdet mellom Cu og Al, men ikke mellom Cu/Al-matriksen og SUS304 interlaget. Denne observasjonen tyder på at SUS304 fungerer som en barriere mot dannelsen av uønskede IMCs, noe som kan bidra til å opprettholde den mekaniske integriteten til laminatene.

Et annet viktig aspekt ved den termiske behandlingen er hvordan det påvirker peelingstyrken. Etter varmebehandling viser peelingkurvene en uregelmessig distribusjon av topper og daler, noe som indikerer at båndingsstyrken kan variere avhengig av temperatur og annealingforhold. Den maksimale peelingstyrken observeres ved 200 °C, mens den faller drastisk ved høyere temperaturer. Denne nedgangen kan ha sammenheng med dannelsen av IMCs, som svekker grensesnittet mellom de forskjellige metallene.

Det er viktig å merke seg at selv om den samlede styrken på laminatene reduseres med høyere temperaturer, er det en merkbar økning i bruddforlengelsen, noe som kan være ønskelig i applikasjoner hvor fleksibilitet og evnen til å motstå plastisk deformasjon er avgjørende.

Samlet sett peker disse resultatene på hvordan SUS304 interlag kan være et effektivt verktøy for å kontrollere og optimalisere de mekaniske egenskapene til Cu/Al/Cu laminater. Ved å kombinere den mekaniske effekten av skjærdeformasjon med den termiske behandlingen kan man oppnå ønskede egenskaper for spesifikke industrielle applikasjoner.