Jak powstaje i rozwija się wysoka gęstość dyslokacji w laminatach Al/Ti/Al podczas długotrwałego wyżarzania?

W laminatach Al/Ti/Al poddanych intensywnemu odkształceniu plastycznemu podczas walcowania obserwuje się interesujące zjawisko powstawania i utrzymywania wysokiej gęstości dyslokacji w strefie aluminium, które nie można wyjaśnić jedynie różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej ani samym odkształceniem plastycznym. Po wstępnym etapie wyżarzania dochodzi do anihilacji wielu dyslokacji i powstania pewnej liczby pustek (voids) w czystym aluminium, co jest typowe w procesach redukujących naprężenia wewnętrzne. Jednakże dalsze obserwacje wskazują na istnienie mechanizmu, który generuje wysoką gęstość dyslokacji w wyniku ewolucji tych pustek oraz dyfuzji atomów tytanu.

Przyczyną powstawania pustek są różnice w szybkości migracji atomów Al i Ti podczas początkowych etapów dyfuzji. Atomy tytanu przemieszczają się wolniej, co powoduje nierównomierne przesunięcia sieci krystalicznej i tworzenie dużych pustek typu Kirkendall w granicach fazy TiAl3. W miarę przedłużania czasu wyżarzania te duże pustki ulegają podziałowi na mniejsze i rozprzestrzeniają się w matrycy aluminium. Jednocześnie powierzchnie tych pustek ulegają adsorpcji atomów tytanu, które tworzą tam strefę buforową o niskim stężeniu rozpuszczonych atomów Ti w Al.

Dalszy proces polega na transformacji nieregularnych pustek w bardziej kuliste struktury, co jest termodynamicznie korzystne ze względu na minimalizację energii powierzchniowej. Wzrost czasu ekspozycji na wysoką temperaturę sprzyja także dyfuzji atomów w ich otoczeniu, co zgodnie z drugą zasadą Ficka umożliwia wypełnianie tych pustek. Powstałe mniejsze pustki stopniowo przekształcają się w wakancje, czyli wolne miejsca w sieci krystalicznej, przy czym Ti gromadzi się na powierzchni tych wakancji.

Wakancje wykazują tendencję do grupowania się na granicach ziaren, gdzie wraz ze wzrostem skupisk powstają wstęgi dyslokacji, które można interpretować jako zarodki pętli dyslokacyjnych. W efekcie, podczas chłodzenia laminatu od temperatury około 873 K do temperatury pokojowej, powstające dyslokacje zostają "przypięte" przez atomy lub skupiska Ti, co prowadzi do bardzo wysokiej gęstości dyslokacji rzędu 7,5×10¹⁴ m⁻² w aluminium.

Ważne jest, że klasyczne mechanizmy generowania dyslokacji w aluminium, takie jak różnice rozszerzalności cieplnej pomiędzy aluminium a TiAl3 czy odkształcenie plastyczne, nie tłumaczą w pełni obserwowanego zjawiska. Proponowany mechanizm opiera się na ewolucji pustek i dyfuzji atomowej, która prowadzi do wtórnego powstawania dyslokacji po anihilacji początkowych defektów. Te procesy mają fundamentalne znaczenie dla zrozumienia mikrostrukturalnych przemian zachodzących w laminatach metalicznych poddanych długotrwałemu wyżarzaniu po intensywnym odkształceniu.

Ponadto, zjawiska takie jak generowanie wakancji przez ruchome dyslokacje, ich łączenie oraz rola atomów Ti jako "kotwic" dyslokacji wskazują na złożone interakcje atomowe i defektowe, które decydują o właściwościach mechanicznych i wytrzymałości laminatów. W praktyce, kontrola czasu i temperatury wyżarzania, a także zrozumienie dyfuzji i zachowania defektów sieciowych, jest kluczowa dla optymalizacji mikrostruktury i uzyskania pożądanych cech materiałów.

Jak procesy walcowania wpływają na mechanizmy mikroukładu i wytrzymałość laminatów Al/Mg-Li?

Analiza mikroskopowa SEM-BSD i SEM-EDS po oddzieleniu warstw potwierdza, że połączenie między aluminium a Mg-Li w laminatach jest głównie mechaniczne. W laminatach HR + CR rozkład aluminium na powierzchni Mg-Li jest bardziej jednorodny i rozproszony, co przekłada się na stabilniejsze i mniej falujące krzywe odrywania. Z kolei laminaty HR + RTR wykazują nierównomierny rozkład, co powoduje większe fluktuacje podczas testów odrywania. To wskazuje na korzystny wpływ walcowania kriogenicznego na poprawę spójności wiązania warstw.

W aspekcie mikroskopowym, różnice w mikrostrukturze warstwy Mg-Li w laminatach powstałych w wyniku różnych temperatur walcowania są kluczowe dla ich właściwości mechanicznych. W warstwie Mg-Li zachodzą przemiany fazowe indukowane odkształceniem – przemiana z fazy β-Li do α-Mg w formie igiełkowatej lub masywnej. Podczas walcowania w temperaturze 473 K przemiana ta nie zachodzi, natomiast przy niższych temperaturach – 298 K oraz szczególnie 77 K – obserwuje się jej nasilony przebieg. Mechanizm przemiany jest powiązany z obniżeniem różnicy energii swobodnej Gibbs’a (ΔG) między fazami β-Li a α-Mg wraz z obniżeniem temperatury, co sprzyja dyfuzji atomowej i fazowej restrukturyzacji.

Faza β-Li jest fazą miękką, która jako pierwsza przenosi naprężenia podczas odkształcenia, a jej struktura sieci bcc umożliwia uruchomienie wielu układów poślizgowych, co przekłada się na korzystną plastyczność. W związku z tym, laminaty walcowane kriogenicznie wykazują większą wydłużalność w porównaniu do tych walcowanych w temperaturze pokojowej. Znaczenie ma również morfologia ziaren i ich tekstura, które wpływają na dystrybucję naprężeń i mechanizm odkształcenia, a tym samym na wytrzymałość i ciągliwość laminatów.

Wyniki badań pęknięć pod obciążeniem rozciągającym pokazują, że elongacja laminatów jest w dużej mierze zależna od plastyczności warstwy Mg-Li. Podczas gdy aluminium wykazuje zawsze przełom plastyczny z wyraźnym neckingiem, warstwa Mg-Li może wykazywać przełom kruchy lub plastyczny w zależności od metody walcowania. W laminatach HR + CR obserwuje się charakterystyczne dla wysokiej plastyczności niskie i stabilne tempo umocnienia plastycznego (etap IV na krzywej), co również sprzyja lepszej wytrzymałości na rozciąganie i większemu wydłużeniu.

W kontekście projektowania i optymalizacji materiałów warstwowych Al/Mg-Li, zrozumienie tych zależności jest kluczowe. Optymalizacja procesu walcowania, zwłaszcza stosowanie walcowania kriogenicznego, pozwala na uzyskanie korzystnej mikrostruktury, która łączy wysoką wytrzymałość z dobrą ciągliwością. Znajomość mechanizmów przemian fazowych, roli defektów i dynamiki dyfuzji atomowej pod wpływem temperatury i odkształcenia umożliwia przewidywanie właściwości końcowych laminatów oraz dostosowanie ich do wymagań aplikacyjnych.

Dodatkowo, ważne jest uwzględnienie, że mechaniczne wiązanie między warstwami nie jest jednorodne i jego charakterystyka może istotnie wpływać na integralność strukturalną i odporność na rozwarstwienie laminatów podczas eksploatacji. Równomierne rozproszenie elementów aluminium na powierzchni Mg-Li zwiększa odporność na odrywanie, co jest istotne w zastosowaniach wymagających trwałości połączeń wielowarstwowych. Ponadto, fakt, że różne fazy w warstwie Mg-Li mają odmienne właściwości plastyczne i mechaniczne, powinien być brany pod uwagę podczas modelowania zachowania laminatów w warunkach pracy, gdy występują zmienne obciążenia i temperatury.