Hur rulltemperatur påverkar mekaniska egenskaper hos Cu/Al-laminat

När temperaturen under valsning ökar, förändras både mikroskopiska och makroskopiska egenskaper hos Cu/Al-laminat på ett komplext sätt. Diffusionslagrens tjocklek spelar en central roll i hur materialet reagerar på belastning, och dessa lagrar utvecklas i direkt relation till den valsningstemperatur som används. Vid en rulltemperatur på 400 °C uppnår diffusionslagrets volymfraktion 3,9 %, medan den vid 450 °C stiger till 12,7 %. Denna förändring är inte bara en funktion av temperatur utan också av den fysiska uppbyggnaden och styrkan hos lagergränserna i laminaten. Det är tydligt att påverkan från diffusionslagret på laminatens mekaniska egenskaper inte kan försummas när rulltemperaturen överstiger 450 °C, även om denna påverkan är marginell vid temperaturer under 400 °C.

Vid högre rulltemperaturer ökar också draghållfastheten i Cu/Al-laminaten. SEM-bilder av bristytorna från dragprov visar att vid 400 °C finns ett större antal djupare dimples, vilket tyder på högre duktilitet i materialen vid denna temperatur. Å andra sidan, när temperaturen är 350 °C, syns en mer uttalad avskalning mellan lagren, vilket innebär att bindningen mellan dem inte är lika stark. En ökning av rulltemperaturen till 500 °C leder istället till en bättre bindning mellan lagren, och effekten på draghållfastheten blir därmed mer markant.

Förutom de synliga förändringarna i microstrukturen påverkas även de mekaniska egenskaperna av kornstorleken i Cu- och Al-lagren. Ju finare kornstorlek, desto högre blir materialets sträckgräns. Detta är relaterat till dislokationernas rörelse och densitet under plastisk deformation, som beskrivs genom specifika matematiska modeller. Med högre temperaturer tenderar dislokationstätningen att minska, vilket främjar en större korntillväxt i metallarken, särskilt när valsning sker vid temperaturer över rumstemperatur.

Det är också viktigt att förstå att även om kornstorleken spelar en avgörande roll för sträckgränsen, är det förhållandet mellan diffusionens påverkan och bindningens kvalitet som i högre grad förklarar mekaniska egenskaper hos laminaten vid högre rulltemperaturer. Diffusionslagren som bildas mellan Cu och Al under valsprocessen innehåller intermetalliska föreningar som Al2Cu, AlCu och Al3Cu4, där mikrohårdheten hos dessa föreningar är mycket högre än den hos både Al- och Cu-lagren. Detta innebär att när diffusionslagrets tjocklek ökar, ökar också draghållfastheten hos laminaten.

När man hanterar Cu/Al-laminat måste man även beakta att mekaniska egenskaper kan variera beroende på antalet lager och val av bearbetningsparametrar. Flera forskare har rapporterat att när antalet lager ökar vid ARB-processen (Accumulation and Roll Bonding), sker en ökning i draghållfasthet, men att bindningsstyrkan och förlängningen kan först minska om antalet lager är för lågt. Den optimala processen innebär därför en balans mellan valsningstemperatur, lagerantal och specifika mekaniska behov.

För att verkligen förstå hur materialets strukturella och mekaniska egenskaper utvecklas vid olika temperaturer, är det också avgörande att ta hänsyn till hur diffusionen mellan de två metallerna förändras över tid och i relation till temperatur. Beroende på processen förvalsning och temperaturprofil kan olika typer av intermetalliska faser bildas, vilket direkt påverkar både hållfastheten och de långsiktiga egenskaperna hos Cu/Al-laminaten.

Hur tillsats av HEAp-partiklar påverkar mikrosstruktur och mekaniska egenskaper hos AA2024/HEAp MMCs

HEAp-partiklar har visat sig ha en betydande inverkan på både mikrosstrukturen och de mekaniska egenskaperna hos AA2024/HEAp MMCs. Under tillverkningsprocessen av dessa kompositer via traditionell gjutning infördes HEAp under smältprocessen av Al, följt av mekanisk omrörning för att uppnå en enhetlig fördelning av partiklarna. Resultatet blev en framgångsrik sammansättning där HEAp-tillsatsen ledde till en märkbar minskning av kornstorleken, vilket har en positiv effekt på materialets mekaniska egenskaper.

För att undersöka effekten av dessa tillsatser på de mekaniska egenskaperna, genomfördes provrullning vid olika temperaturer. Det visade sig att både draghållfastheten och töjningen hos kompositmaterialet förbättrades vid cryorullning (-100 °C), vilket resulterade i goda, övergripande materialegenskaper. Detta tyder på att cryorullning är en effektiv metod för att ytterligare stärka materialets struktur och funktion.

Mikrosstrukturens utveckling hos AA2024/HEAp MMCs avslöjade att tillsatsen av HEAp-partiklar ledde till betydande förändringar. Vid tillsats av 1 viktprocent HEAp minskade kornstorleken med hela 28%, och vid en tillsats på 3 viktprocent var minskningen mindre uttalad, men ändå märkbar. Scanning electron microscopy (SEM)-bilder visade en ökning av de kristallina faspartiklarna i materialet och en mer diffust fördelad struktur, särskilt i högenergiområden som korn- och subgränser. Denna strukturförändring kan förklara det förbättrade resultatet i de mekaniska testerna.

Tillägget av HEAp-partiklar har dessutom en inverkan på bildandet av kristallina faser under solidifikationen av AA2024/HEAp MMCs. Vid högre HEAp-innehåll minskade storleken på de kristallina faspartiklarna, vilket kan ha bidragit till den förbättrade hållfastheten i kompositmaterialet. Förändringar i den kemiska sammansättningen av dessa faspartiklar observerades också, med en minskning av kopparinnehållet i de kristallina faserna, där kobolt, järn och nickel ersatte koppar i viss utsträckning.

De mekaniska egenskaperna hos AA2024/HEAp MMCs var också beroende av efterbehandlingen. Vid naturlig och artificiell åldring efter rullning visade resultaten att hårdheten var högre för material som rullats vid rumstemperatur och cryorullning, jämfört med material som rullats vid högre temperaturer. Hårdheten ökade efter cryorullning, men draghållfastheten och töjningen minskade något, vilket kan bero på dislokationsåterhämtning under den termiska behandlingen.

Sammantaget visar resultaten att tillsats av HEAp i AA2024-aluminiumlegeringar har en stark inverkan på både mikrosstruktur och de mekaniska egenskaperna hos kompositmaterialen. Speciellt effekten på kornförfining och kristallbildning kan spela en avgörande roll för att förbättra styrkan och hållbarheten hos dessa material. De optimala effekterna verkar uppnås vid tillsatser mellan 1-3 viktprocent HEAp, där en balans mellan förbättrad mikrostruktur och mekaniska egenskaper uppnås.