Vid kallvalsning av metall laminat, där hårda och mjuka metaller kombineras, uppstår komplexa deformeringseffekter beroende på metallenhetens struktur och egenskaper. Till exempel, när titanskikt används mellan kopparlager (Cu/Ti laminat), tenderar titanlagret att bli mer avlångt i rullriktningen. Det här beror på att det utvecklas en skjuvfriktionskraft som får titanlagret att uppföra sig som prover i dragprovning. Om den skjuvspänning som verkar på titanlagret överstiger en viss gräns, kommer titan att genomgå en nackenbildning, vilket kan leda till sprickbildning när antalet rullningpass ökar. Det är en deformationseffekt som gör titanlagret mer benäget att gå sönder och bli discontinuous, vilket kan observeras i strukturbilder.

Samtidigt kan den skjuvspänning som genereras i kontaktzonen mellan koppar- och titanlagren ge upphov till en kraftig skjuvdeformation vid gränssnittet. Detta leder till att kopparlagrets korn storlek förändras, vilket ger en kornrefinering, särskilt nära gränsen mellan titan och koppar. Kornstorleken minskar när man närmar sig gränssnittet, vilket skapar ett gradientmönster. För ytterligare rullning deformeras materialet mer och de ultrafin-kornade zonerna ökar i storlek, vilket leder till en förbättring av materialets mekaniska egenskaper.

En annan viktig aspekt av kallvalsning är att titanskiktet under rullning får förbättrad plastisitet. Under denna process verkar två kompressionsspänningar och en dragspänning på titanlagret, vilket gör att dess tjocklek minskar drastiskt från 25 μm till ungefär 200 nm, vilket motsvarar en plasticitetsökning på 125 gånger jämfört med vanliga valsförhållanden. Denna ökning i plasticitet är betydande, och det tyder på att titan kan formas mycket mer än tidigare antagit under rullningsförhållanden.

För Cu/Al laminat, som också genomgår kallvalsning, är en annan intressant deformationseffekt porositet i aluminiumlagret. Denna effekt observeras särskilt när aluminiumlagrets tjocklek varierar. När aluminiumlagrets tjocklek är mellan 16 μm och 130 μm bildas små nanoskala porer, som är fördelade både vid korngränserna och inuti kornen i materialet. Ju tunnare aluminiumlagret är, desto fler porer bildas. Detta kan utnyttjas för att skapa porösa aluminiumkompositer som kan användas för att tillverka mikrodela som skyddar elektriska enheter eller byggnader från elektromagnetisk störning.

Vid rullning av Cu/Al/Cu-laminat under höga reduktionsförhållanden kan man observera att de mekaniska egenskaperna mellan koppar och aluminium kan leda till olika reduktionshastigheter i lagren. Om man inte lyckas anpassa de här hastigheterna ordentligt, kan det orsaka sprickor eller brott i materialen, men om de behandlas korrekt kan detta resultera i ett bra gränssnitt mellan materialen utan märkbara defekter som håligheter eller sprickor.

För att optimera valsprocessen för bimetall laminat måste flera faktorer beaktas, inklusive det initiala förhållandet mellan tjockleken på de ingående lagren och hur de förlorar volym under valsning. Om det förekommer porer i det ena lagret, till exempel aluminium, kommer detta att påverka reduktionsförhållandet och kan ge ett mer poröst resultat i slutprodukten. När aluminiumlagret är för tunt, till exempel vid 16 μm, kommer mer än 15 % av aluminiumlagrets volym att bestå av nanoskala porer. Denna typ av struktur är användbar i vissa applikationer där en porös struktur är önskvärd.

En aspekt av kallvalsning som också måste beaktas är hur stressen fördelas i valsområdet. Vid inloppet till valsen utsätts aluminiumlagret för kompressionsstress, vilket inte leder till porbildning, medan i utloppszonen blir dragspänningen dominant och kan inducera porer i materialet. För att förstå denna process fullt ut måste man betrakta valsen som uppdelad i olika sektioner där skjuvning och friktionskrafter varierar beroende på om man befinner sig i den framåtgående eller bakåtgående glidzonen.

För att skapa hållbara och funktionella metallkompositer är det därför avgörande att noggrant reglera rullprocessens parametrar, såsom temperatur, reduktion och hastighet. Den här typen av tekniska insikter ger en djupare förståelse för hur olika metallkombinationer kan förbättras och optimeras för specifika användningsområden, från elektriska till mekaniska tillämpningar.

Hur cryorullning förbättrar de mekaniska egenskaperna hos AA1050/HEAp MMCs

Cryorullning är en process som har visat sig markant förbättra de mekaniska egenskaperna hos AA1050/HEAp metal matrix composites (MMC), särskilt när det gäller draghållfasthet och förlängning. När denna process tillämpas på AA1050-legeringar förstärks sambandet mellan aluminiummatrisen och HEAp (High Entropy Alloy Particles), vilket gör att dessa material får förbättrade mekaniska egenskaper jämfört med konventionella kallvalsade material.

Ett konkret exempel på detta kan ses i Fig. 5.6c, där cryorolled AA1050−3 wt% HEAp MMCs uppvisade en ultimate draghållfasthet på 195 MPa och en förlängning på 15,2 % vid 50 % deformation. För de kallvalsade motsvarigheterna var dessa siffror 169 MPa och 11,4 % vid samma deformation. Cryorolled material visade sig ha 15,4 % högre draghållfasthet och 33,3 % bättre förlängning än de kallvalsade motsvarigheterna. Detta visar på en betydande förbättring när cryorullning används i stället för traditionell kallvalsning, särskilt när massfraktionen av HEAp är 3 wt%.

En annan intressant observation är att när mängden HEAp var låg, var skillnaderna mellan de kallvalsade och cryorullade proverna små. Däremot, när massfraktionen av HEAp ökade till 3 wt%, blev förbättringarna av de mekaniska egenskaperna hos de cryorullade proverna mycket mer påtagliga. När mängden HEAp nådde 6 wt% visade de kallvalsade MMCs generellt sämre mekaniska egenskaper än de cryorullade med 3 wt% HEAp.

Mikrostrukturen hos de cryorullade materialen, som ses i Fig. 5.7, visar på ett antal intressanta fenomen. Förlängningen hos de cryorullade AA1050/HEAp MMCs var bättre än de kallvalsade. Frakturformerna för de cryorullade proverna visade ett betydligt större antal dimplar (små fördjupningar i ytan) än de kallvalsade, vilket förklarar den bättre förlängningen. Dessutom var tårkanterna och de quasi-klyvfraktur-egenskaperna som förekom i de kallvalsade proverna mycket mindre framträdande i de cryorullade proverna. Denna mikroskopiska skillnad i frakturmekanism bekräftar att cryorullade material är mer hållbara och har en bättre motståndskraft mot fraktur.

Det är också viktigt att notera att i de kallvalsade proverna observerades att HEAp-partiklarna föll av vid dragfraktur, vilket inte var fallet för de cryorullade materialen. Detta tyder på en starkare bindning mellan HEAp och Al-legeringens matris vid cryorullning, vilket gör att partiklarna hålls fast på ett effektivare sätt. Detta fenomen förklaras delvis av den volymkrympsprocess som sker vid cryorullning, som leder till en mer stabil och starkare bindning mellan matrisen och partiklarna.

Cryorullning innebär också att materialet genomgår en volymkrympsprocess vid mycket låga temperaturer, typiskt vid 77 K. Denna process leder till en minskning i materialets volym, vilket har en betydande inverkan på mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna. Krympningen är olika för Al-matrisen och HEAp-partiklarna, vilket resulterar i en starkare bindning mellan dessa två komponenter. I den kalla miljön är också Al-legeringen och HEA-partiklarna mer formbara, vilket gör att de kan deformeras mer effektivt och utan att skapa många defekter, något som är vanliga vid rumstemperatur.

Vid cryorullning sker en ackumulering av dislokationer och andra substrukturer, vilket förbättrar materialets hållfasthet. Dislokationerna ansamlas och bildar cellstrukturer, och vid högre deformationer bildas ännu mer finfördelade subgränser. Detta fenomen, känt som dislokationsförstärkning, spelar en central roll för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos cryorullade material.

Vid 50 % deformation var kornstorleken för AA1050/HEAp MMCs tillverkade genom kallvalsning 592 nm, medan kornstorleken för cryorullade prover var 340 nm, vilket innebär en minskning av kornstorleken med 42,6 %. Enligt Hall–Petch-formeln leder en minskad kornstorlek till högre styrka. Därför har de cryorullade materialen inte bara bättre hållfasthet, utan också en bättre förlängning och motståndskraft mot fraktur.

Cryorullning har också den fördelen att det genererar mindre defekter i materialet, vilket gör att förlängningen blir bättre. Den volymkrympsprocess som sker vid cryorullning skapar också interna spänningar som inducerar dislokationer, vilket ytterligare förbättrar materialets mekaniska egenskaper. Dessa mekanismer gör cryorullning till en effektiv metod för att förbättra egenskaperna hos AA1050/HEAp MMCs och andra material som är utsatta för hög deformation.

Hur kommer AI att förändra framtidens sjukvård?
Hur kan du effektivt presentera solenergi som den bästa lösningen för dina kunder?
Hur stödpunktprinciper påverkar precisionen i dimensionell mätning och deras tillämpning
Vad gör en bra lagkamrat i fotboll?
Hur AI och förändrade medier påverkar framtiden för tryckt berättande och vapenindustrin