Hur påverkar kylvalsning mikrostuktur och mekaniska egenskaper i Cu/brons-laminat?

I teorin om övergångstillstånd, där den σ-beroende termiska aktiveringsenergin Q(σ) för nukleation av DT (nano-tvinnar) är 0,62 eV vid rumstemperatur (298 K) och 0,16 eV vid flytande kvävetemperatur (77 K), kan denna beräknas med formeln: (4.11). Här är kB Boltzmann-konstanten (1,38 × 10–23 J/K), T är deformations temperaturen, f0 är den typiska experimentella frekvensen (10¹¹ s⁻¹) och f är den termiska aktiveringsfrekvensen för DT (satt till 1 s⁻¹). Vidare kan en minskning av deformations temperaturen ytterligare minska SFE (skjuvfelenergin) i mässing, vilket påtagligt ökar bildandet av nano-tvinnar och hindrar dislokationsglidning.

Deformationens påverkan på det mikrostrukturella beteendet är tydlig i experiment där deformationslinjer samlas runt tvillinggränser (Fig. 4.69j). Detta leder till lokal stresskoncentration och nukleation av skjuvbands. I kylvalsade prover syns fler skjuvbands än i prover valsade vid rumstemperatur. Dessa skjuvbands är inte bara mindre termiskt stabila utan också kraftfulla nukleationssiter för rekristalliserade korn, vilket starkt påverkar mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos de glödgade proverna.

När det gäller mässingslagret observeras en partiell rekristallisation (Fig. 4.70b och e). Statisk rekristallisation bildar korn med låg densitet av geometriskt nödvändiga dislokationer (GND) på bekostnad av deformerade strukturer (Fig. 4.70c och f). Rekristallisationsfraktionen för mässingslagret i A-RTR-provet är 42,2 %, mycket lägre än 54,2 % i A-CR-provet (Fig. 4.70g och h). De många skjuvbands som bildas vid kylvalsningen främjar kraftigt nukleationen av rekristalliserade korn, vilket bidrar till mässingens duktilitet. Intressant nog är det genomsnittliga kornstorleken för de rekristalliserade kornen (690 nm) i mässingslagret av A-RTR-provet nästan lika stort som de oförändrade kornen (670 nm), medan de rekristalliserade kornen (603 nm) i A-CR-provet är mycket större än de oförändrade (252 nm), vilket skapar en mer heterogen struktur i mässing.

Vidare, fler tvillingar i A-CR-provet bidrar uppenbarligen till att förbättra arbets-härdningsförmågan i mässingslagret, vilket kan förklaras genom twinning-induced plasticity (TWIP)-effekten. Figur 4.71a och b visar de representativa Cu/Brass-gränssnitten i A-RTR och A-CR, vilket avslöjar en övergång från grovkornig (CG) koppar till nanostrukturerad (NS) mässing.

Kylvalsning resulterar i att koppar/mässings-gränssnittet formas i fyra stadier, enligt Bay-teorin. Först bryts oxidationfilmen och arbets-härdningslagret på ytan av koppar- och mässingsplåtar under den enorma valsningspressen. För det andra görs ytan som bryts ut så att grundmetallen exponeras. För det tredje pressas grundmetallerna in i sprickorna i oxidationfilmen och arbets-härdningslagret. Slutligen aktiveras de olika metallatomerna vid gränssnittet för att bilda metallurgiskt bindning. Här, de rekristalliserade kornen i kopparlagret är mycket större och uppvisar färre dislokationer än i mässingslagret.

Från modellen för dislokationsskärrkälla kan de ledge som bildas vid Cu/Brass-gränssnittet fungera som källor för dislokationer, vilka definieras som gränssnitts-affekt-zon (IAZ). Antalet dislokationer (n) som induceras av gränssnittsledge kan uttryckas som: (4.12). Det är klart att ju bredare IAZ, desto fler dislokationer induceras. Bredden på IAZ i A-CR-provet är mycket större än i A-RTR-provet, vilket resulterar i en ökad mängd emitterade dislokationer kring gränssnittet.

När det gäller de mekaniska egenskaperna, som visas i Figur 4.72a, är det uppenbart att kylvalsning av Cu/brons-laminat resulterar i ökad draghållfasthet (UTS). Efter glödgning är UTS och enhetlig förlängning för A-RTR-provet 409 MPa respektive 7,7 %, medan dessa värden för A-CR-provet är 456 MPa och 8,2 %, vilket innebär en synergistisk förbättring.

Hur Cryorolling Förbättrar Al/HEAp MMCs: Mikrostruktur och Mekaniska Egenskaper

Tillverkning av Al/HEAp MMCs (metall-matrix-kompositer) är ett område av stor forskning inom materialteknik, och den senaste utvecklingen kring cryorolling har visat sig vara en lovande metod för att förbättra deras mikrostruktur och mekaniska egenskaper. När det gäller dessa kompositer är det välkänt att de mekaniska egenskaperna, såsom hårdhet och hållfasthet, kan förbättras genom att använda olika bearbetningsmetoder, men det är cryorolling som har visat sig ha särskilt stora fördelar när det gäller att stärka förbindelserna mellan materialets komponenter.

För Al/HEAp MMCs, som är baserade på AA1050-aluminiumlegering och högtlegerade HEAp (High Entropy Alloys), finns det ett problem med defekter som ofta uppstår vid rums-temperaturbearbetning. Enligt forskning som genomförts av Li et al. har dessa kompositer visat sig ha en utmärkt interfacial bindning vid högre temperaturer, men när de deformeras vid rumstemperatur är det vanligt att mikrobrister som mikrofrakturer uppstår, vilket försämrar bindningen mellan HEAp och Al-matrisen. Dessutom kan den termiska utvidgningskoefficienten hos HEAp och Al vara olika, vilket också kan leda till mikrohål.

För att lösa dessa problem har det föreslagits att utveckla nya tekniker som kan stärka Al/HEAp MMCs ytterligare. Asymmetrisk valsning (AR) är en sådan metod som har visat sig minska valskraften och förbättra både plåtformning och de mekaniska egenskaperna. En mer avancerad metod är asymmetrisk cryorolling (ACR), en process som kombinerar fördelarna med både AR och cryorolling. Cryorolling, där materialet bearbetas vid mycket låga temperaturer (t.ex. vid 77 K), förhindrar dynamisk återhämtning och möjliggör en högre ackumulering av dislokationer, vilket i sin tur leder till en finare kornstruktur och därmed högre draghållfasthet.

För Al/HEAp MMCs är det ännu inte helt klart hur cryorolling påverkar de mekaniska egenskaperna genom att förbättra bindningen mellan HEAp och Al-matrisen. I experiment där AA1050/HEAp MMCs tillverkades genom stir-casting och efterföljande valsning, både vid rumstemperatur och cryorolling, visades det att cryorolling resulterade i mindre defekter och högre mekaniska egenskaper. Exempelvis observerades att mikrohårdheten hos AA1050/HEAp MMCs ökade avsevärt efter cryorolling, och mekaniska tester visade att de draghållfastheten i materialet förbättrades med upp till 75% jämfört med kalla valsning.

Mikrostrukturen hos AA1050/HEAp kompositen ändrades signifikant beroende på bearbetningstekniken. Efter kallvalsning, oavsett deformationsgrad, observerades ett ökat antal mikrohål i materialet, vilket tyder på att mekanisk deformation vid rumstemperatur kan orsaka mikroskador. Däremot, efter cryorolling vid 77 K, förhindrades dessa defekter effektivt, och den globala strukturen blev mer homogen. Dessutom blev HEAp-reinforcementsfasen mer fördelad och sträckt under cryorolling-processen.

Hårdheten och draghållfastheten hos AA1050/HEAp MMCs ökade signifikant när massfraktionen av HEAp tillsattes, där en ökning av mikrohårdheten med upp till 163% observerades efter tillsats av 6 vikt% HEAp. Resultaten från dragprovning visade också att den ultimata draghållfastheten för AA1050 ökade från 65 MPa till 115 MPa när 3 vikt% HEAp tillsattes. Den största förbättringen av hållfastheten uppnåddes genom cryorolling, där mikrohårdheten var högre än vid kallvalsning, även under samma deformationsförhållanden.

Det är emellertid också viktigt att förstå att det finns en gräns för hur mycket HEAp som kan tillsättas innan fördelarna avtar. Vid 6 vikt% HEAp var förbättringarna inte lika markanta som vid lägre koncentrationer, vilket antyder att ytterligare studier behövs för att optimera kompositionen och bearbetningstekniken för att få ut de bästa mekaniska egenskaperna.

Det är också av betydelse att påpeka att den cryorolled kompositens mekaniska egenskaper inte bara beror på bearbetningstekniken, utan även på val av matrismaterial och de specifika egenskaperna hos de förstärkningsfaser som används. Den förbättrade bindningen mellan HEAp och Al, tillsammans med den finare kornstrukturen och den minskade defektbildningen, gör att cryorolling kan bli en kraftfull metod för att utveckla nästa generation av Al-baserade kompositer med högre hållfasthet och bättre formbarhet.

Hur förbättrar asymmetrisk cryorullning de mekaniska egenskaperna hos Al/HEAp MMCs?

Liknande förbättringar observerades i draghållfastheten (UTS). UTS för Al/HEAp MMCs var initialt 115 MPa och ökade till 207 MPa för AR-prover, för att sedan nå 231 MPa för ACR-behandlade prover vid en valsreduktion på 80%. Efter 95% valsreduktion ökade UTS från 223 MPa för AR-prover till 253 MPa för ACR-prover, vilket innebär en ökning med cirka 13,5%. Töjningen för Al/HEAp MMCs var 4,3% för AR-prover och 7% för ACR-prover. Dessa resultat indikerar att både styrka och töjning förbättras avsevärt genom ACR.

Vid analys av dragbrottets morfologi för 3 viktprocent Al/HEAp MMCs med olika valsreduktioner efter AR och ACR, kan man observera att vid 50% valsreduktion visade AR-prover några dimples på dragytan. Däremot kunde man se en större mängd dimples med större dimensioner i ACR-proverna. Vid 80% valsreduktion visade AR-prover en mer utpräglad brottkarakteristik med större sprickytor och färre dimples, medan ACR-proverna uppvisade ett blandat brottläge med större och djupare dimples, vilket reflekterade deras bättre töjningsegenskaper. Vid 95% valsreduktion visade AR-prover nästan inga synliga dimples på dragytan, vilket tyder på sprickbrott, medan ACR-prover fortfarande visade ett visst antal dimples, vilket indikerade en viss duktilitet.

Vid ACR behandlas materialet vid en temperatur som är mycket lägre än vid AR, vilket innebär en större volymminskning hos Al-matrisen. Denna effekt leder till en tätare bindning mellan Al-matrisen och HEAp, vilket minskar risken för defekter. Dessutom är duktiliteten hos både Al och HEAp vid låga temperaturer högre än vid rumstemperatur, vilket ytterligare minskar defekter och bidrar till bättre töjningsegenskaper under dragprovning.

Ytterligare förstärkning av de mekaniska egenskaperna hos ACR-bearbetade Al/HEAp MMCs kan tillskrivas flera faktorer. Förutom minskade defekter, spelar mekanismer som CTE-mismatchförstärkning (förstärkning på grund av skillnader i termiska deformationskoefficienter mellan Al och HEAp), finare kornförstärkning och Orowan-förstärkning en viktig roll. CTE-mismatchförstärkning uppstår på grund av skillnader i termiska expansionsegenskaper mellan Al och HEAp, vilket genererar plastiska spänningar i materialet och leder till en ökad dislokationstäthet. Denna ökade dislokationstäthet är fördelaktig för materialets styrka. Dessutom leder kornförfining vid kryogena temperaturer till ökad motståndskraft mot dislokationsglidning, vilket också bidrar till att förbättra styrkan hos kompositen.