Jak zachodzą procesy odkształcenia i powstawania porowatości w laminatach Cu/Ti i Cu/Al podczas walcowania na zimno?

Podczas walcowania na zimno laminatów miedź-tytan (Cu/Ti) oraz miedź-aluminium (Cu/Al) zachodzą złożone procesy odkształcenia, które znacząco wpływają na mikrostrukturę i właściwości końcowego materiału. W laminatach Cu/Ti warstwa tytanowa jest poddawana naprężeniom ścinającym, co sprawia, że zachowuje się jak próbka rozciągana, a przy przekroczeniu pewnej wartości naprężenia występuje zjawisko szyjki. W miarę zwiększania liczby przejść walcowania warstwa tytanowa może ulec przerwaniu, stając się nieciągła. Ten proces powoduje powstawanie silnego odkształcenia ścinającego na styku warstw Cu i Ti, co prowadzi do rozdrobnienia ziarna zwłaszcza w pobliżu interfejsu. Powstaje gradient wielkości ziarna w warstwie miedzi, gdzie najdrobniejsze ziarna występują w bezpośrednim sąsiedztwie warstwy tytanowej. Z czasem strefa ultradrobnoziarnista rozszerza się, co jest korzystne dla właściwości mechanicznych materiału. W przypadku laminatów z twardym metalem otoczonym miękkim proces odkształcenia powoduje początkowo rozdrobnienie wewnątrz laminatu, które stopniowo rozprzestrzenia się na powierzchnię.

W przypadku laminatów Cu/Al pojawia się szczególne zjawisko powstawania porowatości w warstwie aluminium podczas walcowania, zwłaszcza gdy grubość warstwy Al jest mniejsza. Badania mikroskopowe wykazały, że w warstwie aluminium, szczególnie blisko granic ziaren oraz wewnątrz ziaren, występuje duża ilość nanoporów, których gęstość rośnie wraz ze zmniejszaniem grubości warstwy. Dla grubych warstw (np. 130 μm) porowatość jest niewielka, natomiast dla bardzo cienkich (16 μm) nawet połowa objętości warstwy może stanowić porowata struktura, przypominająca gąbkę aluminiową. Jest to istotne z punktu widzenia zastosowań, np. w produkcji elementów mikrostrukturalnych chroniących przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Podczas walcowania laminatów Cu/Al różnice w granicach plastyczności obu metali powodują odmienne zachowanie podczas odkształcenia. Aluminium, jako metal o niższym naprężeniu plastycznym, ulega większemu zmniejszeniu grubości niż miedź, co skutkuje nierównomiernym odkształceniem, jednak brak szyjki i pęknięć świadczy o równomiernym wydłużeniu warstw wzdłuż laminatu, szczególnie gdy jego boki są ze sobą zgrzane. Wskaźnik redukcji grubości aluminium względem miedzi zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem grubości warstwy Al, co koreluje ze wzrostem porowatości.

Zrozumienie tych zjawisk jest kluczowe dla projektowania procesów walcowania laminatów metalicznych, ponieważ kontrola mikrostruktury oraz porowatości decyduje o właściwościach mechanicznych i funkcjonalnych finalnego materiału. Optymalizacja grubości warstw, współczynnika redukcji walcowania oraz właściwości początkowych metali umożliwia produkcję laminatów o przewidywalnych i pożądanych cechach, jak wysoka wytrzymałość, dobra plastyczność czy specjalne właściwości takie jak porowatość strukturalna.

Ponadto istotne jest uwzględnienie efektów skalowania odkształcenia, gdzie warstwy o różnych twardościach i plastyczności mogą wykazywać niestabilności plastyczne prowadzące do separacji warstw lub powstawania mikropęknięć. Monitoring i kontrola naprężeń w strefie walcowania, zwłaszcza przy dużych redukcjach, pozwalają na minimalizację defektów i uzyskanie spójnej struktury laminatu. Wiedza o gradientach wielkości ziarna i strefach ultradrobnoziarnistych umożliwia także celowe modyfikowanie właściwości materiałów wzdłuż ich grubości.

Jak zmieniają się właściwości mechaniczne kompozytów Al/HEAp w warunkach kriogenicznych?

Gęstość geometrycznych dyslokacji uporządkowanych (GND) jest proporcjonalna do wartości kąta lokalnej rotacji sieci (KAM), a w kompozytach Al/HEAp obserwuje się wyższe wartości KAM w środowisku kriogenicznym. Zwiększona gęstość GND w niskich temperaturach przyczynia się do poprawy właściwości mechanicznych tych kompozytów. Porównanie gęstości dyslokacji w temperaturze pokojowej (298 K) i kriogenicznej (173 K) wykazało różnicę rzędu 6,1 × 10^12 m⁻², co przełożyło się na wzrost wytrzymałości na rozciąganie o około 23,2 MPa. Dodatkowo, wytrzymałość na rozciąganie wzrasta również wskutek silniejszego wiązania między cząstkami umacniającymi a matrycą aluminiową, spowodowanego efektem skurczu objętościowego w niskiej temperaturze.

W środowisku kriogenicznym następuje skurcz sieci krystalicznej, co zmniejsza odległości atomowe i zwiększa opór sieci wobec ruchu dyslokacji. Ten wzrost naprężeń Peierlsa-Nabarro tłumi poślizg dyslokacji i sprzyja ich splątaniu oraz zakleszczaniu, co dodatkowo podnosi wytrzymałość kompozytów Al/HEAp. Naprężenie Peierlsa-Nabarro jest silnie zależne od temperatury, co wyjaśnia mechanizm zwiększenia wytrzymałości w warunkach kriogenicznych.

Proces odkształcenia towarzyszy namnażaniu i ruchowi dyslokacji, jednak w niskich temperaturach ich ruch jest ograniczony z powodu spowolnionego odtwarzania dynamicznego oraz migracji atomów. Efektem tego jest dalsze gromadzenie się wysokiej gęstości dyslokacji i wzrost wytrzymałości materiału. W eksperymentalnych badaniach zaobserwowano, że wytrzymałość na rozciąganie kompozytów Al/HEAp wzrosła o 21,8% w środowisku kriogenicznym. Kluczowymi czynnikami wzmacniającymi były współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz umacnianie przez dyslokacje.

Ponadto, elongacja kompozytów Al/HEAp uległa znaczącej poprawie w temperaturze 173 K w porównaniu z 298 K. Analizy morfologii pęknięć i mikrostruktury potwierdziły wzrost ciągliwości materiału. Modele dynamiki molekularnej pokazały, że podczas rozciągania w niskiej temperaturze powstawanie i wzrost pustek jest ograniczony, a próg ich inicjacji jest przesunięty na wyższe wartości odkształcenia. Wolumen pustek (VVF) rósł wolniej przy 173 K niż przy 298 K, co przekładało się na lepszą odporność na pękanie i większą wytrzymałość na rozciąganie.

Obserwacje mikroskopowe wykazały, że pęknięcia w próbkach poddanych rozciąganiu w temperaturze pokojowej przebiegały w sposób prostoliniowy, podczas gdy w warunkach kriogenicznych ich kształt był zygzakowaty. W niskiej temperaturze zaobserwowano także większą liczbę pasm poślizgowych oraz zmiany kątów ich nachylenia, co wskazuje na bardziej rozbudowane mechanizmy deformacji plastycznej. W temperaturze pokojowej szybkość nukleacji mikrovoidów jest wyższa, a materiał osiąga granicę wytrzymałości przy niższych odkształceniach, co skutkuje mniejszą ciągliwością.

Istotne jest zrozumienie, że mechanizmy poprawy właściwości mechanicznych kompozytów Al/HEAp w niskich temperaturach wynikają z połączenia skurczu objętościowego sieci krystalicznej, wzrostu naprężeń wewnętrznych, ograniczonego ruchu dyslokacji oraz opóźnienia inicjacji i wzrostu pustek, które łącznie prowadzą do wzrostu wytrzymałości i ciągliwości. Wiedza ta jest kluczowa dla projektowania materiałów do zastosowań w ekstremalnych warunkach temperaturowych, gdzie wymagana jest zarówno wysoka wytrzymałość, jak i zdolność do deformacji plastycznej.