Mikrostrukturen och diffusionsdynamiken vid bindningsgränssnittet i Cu/Al-laminat med ett SUS304-interlager har visat sig vara starkt beroende av interlagrets tjocklek. Vid undersökning av de bundna gränssnitten genom SEM-bilder och EDS-kartläggning framkom det att den interfaciala mikrostrukturen förändras markant beroende på tjockleken på SUS304-folien. I provet SR-0, där det inte fanns något SUS304-interlager, observerades serrerade Cu-Al intermetalliska föreningar (IMC) som var ojämnt fördelade över bindningsgränssnittet. I provet SR-30, där interlagrets tjocklek var större, framträdde två distinkta morfologier: den ena liknande den som sågs i SR-0 och den andra var jämnare och utan uppenbara IMC, vilket tyder på att när SUS304-fragmenten var närvarande bildades en relativt slät bindning utan synliga intermetalliska föreningar.

Under bearbetningen av Cu/Al-laminaten genom rullklädning bildas luckor i SUS304-folien på grund av dess begränsade plastiska deformation. Cu- och Al-atomer tränger in i dessa luckor och reagerar under en efterföljande mellanliggande ångspänningsprocess för att bilda Cu-Al IMC. Eftersom SUS304-folien och Cu-Al IMC:erna har lägre plastisk deformation, bryts de lättare ner och infogas i Cu- och Al-matriserna under andra rullbearbetningsstadier. Denna process skapar en heterogen struktur i gränssnittet, där fragment av SUS304 och Cu-Al IMC ofta finns insprängda i de underliggande matriserna.

Analysen av EDS-linjescanningar genom Cu/SUS304/Al-gränssnittet visade att ju större tjocklek på SUS304-interlagret, desto bredare blev de interfaszoner (ITZ). I SR-10 var ITZ bredden vid Al/SUS304-gränssnittet 1.36 μm, medan den i SR-30 var 2.24 μm. Tjockleken på SUS304-interlagret visade sig också ha en direkt inverkan på diffusionsprocesserna i gränssnittet, eftersom en tjockare SUS304-folie leder till mer utbredd diffusionsbeteende mellan de olika metallerna.

Vidare, under rullklädningen, minskar tjockleken på SUS304-interlagret beroende på de mekaniska belastningarna som appliceras. För varje ökning i SUS304-foljens tjocklek minskar interlagrets tjocklek mer markant. Detta leder till en större grad av skjuvdeformation som i sin tur främjar atomdiffusionen över bindningsgränsen. Fördelningen av element vid gränssnittet och de mekaniska egenskaperna i bindningen påverkas starkt av dessa skjuvdeformationskrav.

Mikrohårdhetsdata visade också att laminaten med ett SUS304-interlager på 30 μm hade den största mikrohårdheten, 466 HV, vilket berodde på en betydande arbetehärdning. Detta berodde på det stora deformationstrycket som tillämpades under rullning och på den större skjuvdeformationen i bindningsområdet. De övriga provens hårdhet var också mycket högre än hos materialet utan SUS304-interlager, vilket ytterligare förstärkte bindningens motståndskraft mot mekaniska påfrestningar.

Ytorna på proverna efter peeling visade olika deformationstyper beroende på tjockleken på SUS304-folien. I SR-10 var Cu-yta en jämn matris, medan i SR-30 uppstod tydliga veck och en starkare vidhäftning mellan SUS304-fragmenten och Cu-matriserna. Detta tyder på att när SUS304-foljens tjocklek var större, resulterade det i mer komplicerade ytstrukturer som speglade en starkare adhesion mellan lagren. De här observerade effekterna visar på en markant skillnad i materialens förmåga att deformeras, vilket är en viktig aspekt för förståelsen av bindningens mekaniska och strukturella egenskaper.

Det är avgörande att förstå att den bindande mekanismen i Cu/Al-laminat inte enbart beror på termiska effekter utan också på skjuvdeformation och det mekaniska arbetet som appliceras under tillverkningsprocessen. Diffusionsbarriärerna vid gränssnittet är av stor betydelse för att skapa starka och hållbara bindningar, och förmågan att manipulera dessa faktorer genom att justera tjockleken på interlagren är en central del av utvecklingen av dessa kompositmaterial. En annan viktig aspekt är hur de mekaniska egenskaperna hos varje komponent påverkar slutproduktens prestanda i praktiska tillämpningar, där både termiska och mekaniska belastningar kan påverka materialens långsiktiga hållbarhet.

Hur påverkar temperatur och rullningsegenskaper förhållandena hos Al/HEAp MMCs?

De mekaniska egenskaperna för Al/HEAp MMCs (Aluminium matrix composites med hydroxyapatit) förbättrades avsevärt med tillsatsen av HEAp, vilket gjorde det möjligt att uppnå högre hållfasthet vid kryogena temperaturer. I undersökningar som genomfördes under olika rullningsreduktioner visade det sig att de mekaniska egenskaperna hos dessa kompositer ökade med ett genomsnitt på 21 % under tre olika rullningstillstånd. Samtidigt observerades att sträckningen vid brott minskade när rullningsreduktionen ökade. För Al/HEAp MMCs med 3 vikts% HEAp sjönk brottsträckningen från 12,2 % vid 30 % rullning till 4,9 % vid 90 % rullning, vid rumstemperatur. Detta tyder på att även vid stora rullningsreduktioner bibehöll Al/HEAp MMCs en god duktilitet. Även om innehållet av HEAp-partiklar ökade, påverkade detta inte avsevärt brottsträckningen vid samma rullningsreduktion. För rullningsreduktioner på 60 % var brottsträckningen för 1,5 vikts%, 3 vikts% och 4,5 vikts% HEAp i Al/HEAp MMCs 12,3 %, 11,3 % och 10,0 % respektive, utan att någon betydande skillnad noterades beroende på partikelinnehållet.

Frakturmekanismen hos Al/HEAp MMCs blev mer uttalad vid kryogena temperaturer, där prov som utsattes för dragprov vid 173 K visade en ökad förmåga till plastisk deformation. Det visades att prov vid denna temperatur uppvisade större och djupare dimples (håligheter) vid fraktur jämfört med de som testades vid rumstemperatur. Dimples vid 173 K var mer djupt åtskilda av HEAp-partiklar, vilket tyder på förbättrad jämn deformation och en starkare förmåga till plastisk sträckning under kryogena förhållanden. Det framgår tydligt att den kryogena temperaturen gav Al/HEAp MMCs en överlägsen förmåga till deformation jämfört med rumstemperatur.

Mikrostrukturen hos Al/HEAp MMCs förändrades signifikant vid kryogena temperaturer, där förekomsten av låganguliga korngränser (LAGB) ökade i samband med en högre koncentration av dislokationer och mikroskala deformationer. Den ökade mängden LAGB vid kryogena temperaturer (173 K) kan förklaras av att den dynamiska återhämtningen av materialet hämmas vid dessa temperaturer, vilket leder till en ökning av substrukturer och en högre koncentration av låg-vinkels korngränser. Förhållandet mellan låga och höga vinklar i korngränser är av stor betydelse för att förstå materialets plastiska deformation, där det är känt att låga vinklar (LAGB) bidrar till bättre deformationsegenskaper.

De mekaniska deformationsegenskaperna vid olika temperaturer analyserades också genom att använda Schmid-faktorer och KAM-distribution (Kernel Average Misorientation). En högre Schmid-faktor i Al/HEAp MMCs vid kryogena temperaturer ledde till ökad förmåga för dessa prov att deformeras genom ett aktivt glidssystem. Studier av dislokationsstrukturer visade att prov vid 173 K hade högre dislokationstäthet än vid 298 K, vilket var i linje med de ökade sträckningsegenskaperna vid lägre temperaturer.

Ytterligare analys av de mikroskopiska bilderna visade att dislokationer, närvarande vid låg temperatur, ledde till en förmåga för Al/HEAp MMCs att uppnå högre draghållfasthet. TEM (Transmission Electron Microscopy)-bilder av prover vid 298 K och 173 K visade en betydande skillnad i dislokationslinjens koncentrationer, där prover vid 173 K visade en större koncentration av dislokationer och bildade dislokationsceller. Dessa dislokationer bidrog till att höja materialets draghållfasthet vid kryogena temperaturer.

Därmed kan man dra slutsatsen att Al/HEAp MMCs vid kryogena temperaturer uppvisar förbättrad förmåga till plastisk deformation och högre draghållfasthet jämfört med vid rumstemperatur. Kombinationen av lägre temperaturer och ökad rullningsreduktion verkar främja bildandet av substrukturer som bidrar till materialets förmåga att tåla deformation under stränga förhållanden. Al/HEAp MMCs visade sig vara särskilt lämpade för användning vid applikationer där cryogenic conditions spelar en avgörande roll för att optimera mekaniska egenskaper och hållbarhet.

Det är också viktigt att förstå att när man arbetar med kryogena temperaturer, är det inte bara de mekaniska egenskaperna som påverkas. En noggrant kontrollerad mikrostruktur är avgörande för att uppnå önskad hållfasthet och duktilitet. Att förstå och manipulera korngränser och dislokationsstrukturer vid dessa temperaturer är centralt för att kunna designa material som inte bara har hög hållfasthet men även lång livslängd vid extrema förhållanden.

Hur ARB-processen med cryorolling förbättrar de mekaniska egenskaperna hos Al/TiC AMCs

ARB-processen (Accumulation of Roll Bonding) kombinerad med cryorolling är en effektiv metod för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos Al/TiC AMCs (Aluminium/Titanium Carbide Composite Materials). Under dessa processer sker en signifikant förändring i materialens mikrostruktur, som i sin tur påverkar de mekaniska egenskaperna på ett positivt sätt. En av de främsta faktorerna bakom dessa förbättringar är distributionen av TiC-partiklarna i aluminiummatrisen och det resulterande förstärkningen av materialets mekaniska egenskaper.

Vid ARB-processen används en sekventiell metallbearbetningsteknik som inkluderar upprepad rullning av materialet. Detta orsakar en betydande reduktion i kornstorleken och ökar densiteten av dislokationer i metallen, vilket förbättrar materialets sträckgräns och draghållfasthet. Genom att kombinera ARB med cryorolling, som innebär en nedkylning av materialet under bearbetningen, uppnås ytterligare förfining av strukturen, vilket resulterar i ännu högre mekanisk hållfasthet och seghet. Det är i synnerhet effekten av TiC-partiklarna som spelar en avgörande roll i att hindra dislokationer, vilket ger ett större motstånd mot plastisk deformation.

Under processen observeras att antalet högvinkelkorngränser (HAGBs) ökar, vilket leder till att materialet får mer energi som gynnar både spridningen av TiC-partiklarna och bildandet av nya fällningar vid korngränserna. Denna förändring leder till en ytterligare förstärkning av materialet och ger det bättre motstånd mot mekanisk belastning. HAGBs har en fördel gentemot lågvinkelkorngränser (LAGBs) då de erbjuder större stabilitet och stärker materialet på ett mer effektivt sätt.

De mekaniska egenskaperna för Al/TiC AMCs förändras märkbart genom ARB och cryorolling-processerna. Vid varje cykel av ARB och cryorolling förbättras sträckgränsen och draghållfastheten. Exempelvis visade sig draghållfastheten för Al/TiC-kompositer vara 308 MPa efter cryorolling-3, vilket var 2,5 gånger högre än för det ursprungliga materialet. Samtidigt minskade förlängningen, vilket är ett vanligt fenomen vid bearbetning av material med förfinad kornstruktur, där den plastiska deformationen minskar. Dock, när cryorolling appliceras efter ARB, sker en återhämtning i förlängning, vilket gör att både draghållfasthet och seghet förbättras samtidigt.

Cryorolling-processen främjar också bildandet av sub-gränser, vilket ytterligare reducerar förmågan hos kornen att glida i relation till varandra. Detta gör att TiC-partiklarna fungerar som hinder för kornglidning, vilket ytterligare minskar deformerbarheten och därmed höjer hårdheten i materialet. Mikrohårdheten hos Al/TiC-kompositerna ökade från 41 HV till 88 HV efter att ha genomgått ARB och cryorolling. Detta resultat kan hänföras till den höga strain-hardening som sker vid interaktionen mellan dislokationerna och TiC-partiklarna under de inledande cyklerna av bearbetningen.

Materialets elasticitetsmodul förändras också under dessa processer, vilket ytterligare stödjer de mekaniska förbättringarna. För ren aluminium var elasticitetsmodulen cirka 68 GPa, medan den efter cryorolling-3 ökade till 84 GPa. För Al/TiC-kompositerna observerades också förbättringar av elasticitetsmodulen, vilket speglar en förbättrad strukturell integritet och en mer effektiv belastningsöverföring genom materialet.

En annan aspekt som påverkas av ARB och cryorolling är materialets förmåga att hantera brott. Frakturanalysen visar att för aluminium utan TiC-partiklar var dimplemönstren på brottytorna tydligt synliga, vilket är karakteristiskt för duktila brott. Däremot, i Al/TiC-kompositerna, var dessa dimples mindre framträdande och brottytorna visade tecken på mer spröda brott, vilket återspeglar en ökad draghållfasthet och minskad duktilitet.

Vidare visar analyser av sammansättningen av Al/TiC-kompositerna att det finns ett starkt samband mellan fördelningen av TiC-partiklar och de mekaniska egenskaperna. Ju mer enhetligt TiC-partiklarna är fördelade i Al-matrisen, desto högre blir den totala styrkan och hållbarheten hos kompositmaterialet. Detta tyder på att kontrollen av partikelstorlek och fördelning under bearbetningen är avgörande för att uppnå önskade materialegenskaper.

Det är också viktigt att förstå att bearbetningen av Al/TiC AMCs inte bara handlar om att förbättra de mekaniska egenskaperna utan också om att hantera de processrelaterade utmaningarna, såsom porositet och den korrekta fördelningen av TiC-partiklar. Porositet kan kraftigt påverka materialets egenskaper, eftersom den leder till lokaliserade svagheter som kan minska hållfastheten och förlängningen. Därför är det avgörande att optimera bearbetningsteknikerna för att minimera dessa defekter och uppnå ett högkvalitativt slutmaterial.

Hur påverkar cryorullning och ARB-processen mekaniska egenskaper hos hybridkompositer av Al/TiCp-SiCp?

Användningen av cryorullning i kombination med ARB-processen (Accumulation and Recrystallization by Bonding) i framställningen av aluminiumkompositer har visat sig resultera i förbättrade mekaniska egenskaper, särskilt i hybridkompositer som förstärkts med keramikpartiklar som SiCp (silicon carbide particles) och TiCp (titanium carbide particles). Vid en viktningsandel om 4.0 vikt.% SiCp och 2.0 vikt.% TiCp, och ytterligare en hybridkomposit med (2 + 4) vikt.% TiCp och SiCp, har analysen av mekaniska egenskaper visat på betydande förstärkning efter flera cryorullningscykler.

Det är tydligt att styrkan hos de hybridkompositer som behandlats med ARB och cryorullning överträffar den hos den icke-behandlade aluminiummaterialet. Särskilt anmärkningsvärt är att Al/TiCp-SiCp hybridkompositen uppnådde den högsta draghållfastheten på 361 MPa, vilket är mer än fem gånger högre än det ursprungliga materialets draghållfasthet på 70 MPa. Även avkastningsstyrkan för denna komposit var 310 MPa, vilket gör att den sticker ut i jämförelse med andra kompositer som också behandlades genom ARB och cryorullning. Kombinationen av SiCp och TiCp partiklar i aluminiummatrisen visade sig ge en märkbar förbättring av draghållfastheten, även om förlängningen av materialet minskade, vilket kan förklaras av plastiska instabiliteter som uppstår under bearbetningen.

En förklaring till denna förstärkning kan ses i två primära mekanismer: förstärkning genom plastisk deformation och kornförfining. Under de initiala ARB-cyklerna spelar sträckhärdning en avgörande roll för att öka materialets draghållfasthet. Men efter flera cryorullningscykler blir kornförfining den dominerande mekanismen för ytterligare förstärkning. Detta syns tydligt i närvaron av ett större antal ultrafina korn och snedvridna korngränser i materialet.

Vidare, vid undersökning av dragbrottytor med hjälp av SEM (scanning electron microscopy), kunde man observera att bindningen mellan de keramiska partiklarna och aluminiummatrisen var förbättrad efter bearbetning, vilket ytterligare bekräftade den positiva inverkan av cryorullning och ARB-behandlingarna på materialets mikrostruktur.

En annan viktig aspekt av dessa kompositer är hårdheten. Mikro-hårdheten i Al/TiCp-SiCp hybridkompositerna ökade avsevärt efter de initiala cyklerna av cryorullning. Detta kan till stor del tillskrivas den höga sträckhärdningshastigheten under de första cyklerna, där keramiska partiklar bidrar till dislokationsförstärkning och främjar kornförfining. Efter den tredje cykeln av cryorullning visades ett stabilt och signifikant högre värde av mikro-hårdhet, där den största hårdheten observerades i Al/SiCp-TiCp hybridkompositen, med ett värde på 92 Hv.

Även om hårdheten i dessa kompositer ökade under ARB-processen, så var det under de sista cryorullningscyklerna som hårdheten och elasticitetsmodulen förbättrades markant, särskilt för Al/SiCp-TiCp hybridkompositen. Elasticitetsmodulen, som är ett mått på materialets förmåga att motstå deformation under belastning, uppnådde de högsta värdena för Al/SiCp-TiCp-kompositen efter den tredje cykeln, med ett värde på 90 GPa.

Den mekaniska hållfastheten och hårdheten hos dessa kompositer bekräftades vidare genom beräkning av deras modulus för seghet, där Al/SiCp-TiCp hybridkompositen återigen visade sig vara den mest hållfasta. Seghetsmodulen, som beskriver materialets förmåga att motstå sprickbildning under långvarig belastning, var också störst för denna hybridkomposit.

När det gäller praktisk tillämpning är det viktigt att förstå att varje bearbetningscykel påverkar kompositens mikrostruktur och mekaniska egenskaper på olika sätt. Från de första cyklerna, där sträckhärdning spelar en större roll, till de senare cyklerna där kornförfining och sprickmotståndet ökar, är det avgörande att optimera antalet bearbetningscykler beroende på den önskade slutliga egenskapen hos kompositen.

För att ytterligare förbättra egenskaperna hos dessa kompositer kan det vara värt att undersöka andra metoder för att optimera bindningen mellan partiklar och matris, samt att studera hur dessa kompositer beter sig vid extrema temperaturer eller under långvarig belastning.

Vilka metoder används för att syntetisera tvådimensionella halvledarmaterial?
Vad betyder en spelare egentligen för klubben i fotbollens kommersiella värld?
Vilka katalysatorer är mest effektiva för vätgasproduktion vid superkritisk vattenförgasning?
Vad är cellulär senescens och hur påverkar den neurodegenerativa sjukdomar?
Vad är rätt funktion och hur förklaras normativiteten hos representationer i ett naturligt ramverk?