Hur påverkar rullprocessen de mekaniska egenskaperna hos Al/Mg-Li laminat?

Under de studerade rullprocesserna för Al/Mg-Li laminat observerades tydliga skillnader i både mikrostruktur och mekaniska egenskaper beroende på den specifika rullmetoden som användes. Det framgick att tekniken för att genomföra rullprocesserna, specifikt om de genomfördes vid olika temperaturer och med varierande reduktionsgrad, hade en betydande inverkan på de slutliga egenskaperna hos laminaten.

Vid användning av HR (het rullning) tillsammans med RTR (regelbundna tillbakagångsrullningar) visade det sig att dislokationer som samlades vid korngränserna under CR (kontrollerad rullning) var betydligt fler än under RTR. Detta ökade dislokationsdensiteten bidrog till att förbättra de mekaniska egenskaperna hos materialet, med en ökad sträckgräns (UTS) och bättre motståndskraft mot sprickbildning. I synnerhet visade de laminat som rullades med CR bättre mekanisk låsning vid skiktegränserna, vilket resulterade i en mer stabil och hållbar struktur.

Vid undersökning av texturen hos β-Li-fasen i Mg-Li-lagret under olika rullprocesser, framkom det att CR-processen resulterade i starkare texturer, särskilt i α-fiber- och γ-fiberorienteringarna. För HR+RTR1-laminaten visades en försvagad {111} <112> textur i γ-fibern, medan HR+CR1-laminaten visade en betydligt starkare {001} <110> textur i φ2=0°-sektionen. Detta tyder på att CR-processen under de aktuella rullförhållandena aktiverade ett större antal dislokationsglidningar, vilket förbättrade laminatens hållfasthet.

Mikrohårdheten hos Mg-Li-lagret och Al-lagret varierade också beroende på rullprocessen. Under den ursprungliga heta rullningen ökade hårdheten i Mg-Li-lagret med cirka 30%, medan den i Al-lagret ökade med 75%. Efter den fortsatta rullningen med både RTR och CR, observerades att hårdheten i Al-lagret förändrades obetydligt, medan Mg-Li-lagret visade en ökning med cirka 50% i hårdhet vid användning av RTR. Däremot visade HR+CR-laminaten ingen märkbar förändring av mikrohårdheten.

Förutom de mekaniska egenskaperna är det viktigt att förstå att själva gränssnittet mellan de olika lagren – i detta fall mellan Al och Mg-Li – spelar en central roll i den övergripande hållfastheten hos laminaten. Delaminering vid gränssnittet kan försvaga strukturen, vilket gör att det är avgörande att kontrollera både processparametrarna och materialets mikrostruktur för att uppnå önskad prestanda.

Vidare är det viktigt att inte bara fokusera på UTS och förlängning som indikatorer på materialets prestanda utan att även beakta faktorer som sprickmotstånd och gränssnittets hållfasthet. De laminat som genomgår CR- eller RTR-processer kan ge olika resultat beroende på den specifika applikationen, och det är avgörande att förstå hur texturen och dislokationsdynamiken påverkar materialets långsiktiga beteende under verkliga användningsförhållanden.

Hur cryogena temperatur påverkar mekaniska egenskaper och duktilitet hos Al/HEAp MMCs

I cryogena temperaturer minskar atomavståndet i materialets gitter, vilket innebär att motståndet mot dislokationsrörelse (Peirls-Nabarro-spänning) ökar. Detta fenomen sker genom volymförminskning, vilket är en konsekvens av temperaturens påverkan på materialets struktur. När volymen minskar ökar de inre friktionskrafterna, vilket förhindrar dislokationer från att röra sig. Detta hindrar vanligtvis materialets deformationsprocesser och leder till en ytterligare ackumulering av dislokationer, vilket ger en högre dislokationstäthet och därmed en ökad styrka.

Denna fenomenförändring förklaras vidare av Peirls-Nabarro-formeln, där stressen som krävs för att förhindra dislokationsrörelse är beroende av temperatur och gitterparametrar. Enligt formeln påverkar temperaturen direkt den mekaniska styrkan hos Al/HEAp MMCs, vilket gör att materialet blir mer hållbart vid låga temperaturer. Denna effekt kan förklaras som ett resultat av det ökade motståndet mot dislokationsrörelse, vilket bidrar till materialets ökad hållfasthet.

Förutom ökad styrka under cryogeniska förhållanden, visade experimenten även på förbättrad duktilitet hos Al/HEAp MMCs. Detta bekräftades av molekyl-dynamiska simuleringar som jämförde sträckförlängning vid olika temperaturer. Vid cryogena temperaturer var volymfraktionen av mikrovakuoler betydligt lägre än vid rumstemperatur, vilket innebär att materialet hade större motståndskraft mot sprickbildning. Vid 173 K var de växande håligheterna (mikrovakuoler) i materialet färre och växte långsammare, vilket ledde till att materialet inte bröts lika snabbt. Detta resultat visar att Al/HEAp MMCs vid låga temperaturer hade en fördröjd och mer kontrollerad sprickbildning, vilket ökade deras töjbarhet.

Mikroskopiska analyser av dragbrott vid rumstemperatur och vid 173 K visade på olika sprickmorfologier. Vid rumstemperatur tenderade sprickorna att följa en rak linje, medan de vid cryogen temperatur hade en mer zickzackig form. Detta beror på den ökade mängden glidband och den högre vinkelvariationen i slipbilarna vid lägre temperaturer. Denna förändring i mikroskopisk struktur vid cryogen temperatur bidrog till materialets ökade förmåga att motstå sprickbildning och förbättrade deras töjbarhet jämfört med vid rumstemperatur.

Det är också viktigt att notera att deformationen vid cryogena temperaturer åtföljs av en lägre hastighet av atomär migration, vilket ytterligare begränsar dislokationsrörelser och förhindrar sprickbildning. Detta skapar en situation där materialet, trots att det genomgår plastisk deformation, förblir mer motståndskraftigt mot brott än vid rumstemperatur.

Det finns ett antal faktorer som måste tas i beaktande när man arbetar med Al/HEAp MMCs i cryogeniska miljöer. Förutom de mekaniska egenskaperna, som styrka och töjbarhet, spelar även termiska egenskaper en stor roll. I praktiska tillämpningar där dessa material utsätts för extremt låga temperaturer, är det avgörande att förstå hur materialet kommer att reagera på långvarig kylning och uppvärmning. Effektiviteten och hållbarheten hos dessa material beror på den specifika sammansättningen av Al/HEAp MMC och de applicerade temperaturcyklerna.

Hur påverkar SUS304-interlaget bindstyrkan och mikrosstruktur i Cu/Al-laminat vid varmrullning?

Cu/Al/Cu-laminat med ett tunt SUS304-interlager på 30 μm framställdes genom varmrullbindning. T2 Cu och AA1060 ark användes som startmaterial. Koppar- och aluminiumarken glödgades vid 873 K respektive 673 K under 2 timmar för att uppnå en fullt homogen grovkorningstruktur och skars sedan i samma storlek på 100 × 50 × 1 mm. Före rullbindning borstades koppar- och aluminiumarken för att ta bort ytoxid och föroreningar. Därefter staplades Cu, Al och SUS304-arken och fixades med aluminiumnitar. De staplade arken förvärmdes till 723 K under 1 minut och rullades sedan vid en hastighet av 1 m/min.

Peelingstyrkan för Cu/Al/Cu-laminaten med och utan SUS304-interlager under olika rullreduktioner visade på intressanta resultat. Vid en låg rullreduktion på 50 % uppvisade både W-50% och WO-50% nästan samma trend, där peelingstyrkan var nära noll. Detta tyder på att de olika metallerna inte var väl bundna vid denna reduktion. När rullreduktionen ökade till 70 %, visade W-70% och WO-70% helt olika trender. Peelingstyrkan för WO-70% förbättrades något till 2,9 N/mm, medan W-70% uppvisade en topp-vallform, med toppvärdet av peelingstyrkan på cirka 15,5 N/mm, vilket var fem gånger högre än för WO-70%. Vid 80 % rullreduktion ökade peelingstyrkan ytterligare, där toppen för W-80% var 17,8 N/mm och dalen var 4,8 N/mm.

Mikroskopiska bilder av Cu/Al/Cu-laminaten utan SUS304-interlager visade en rak och kontinuerlig gränsyta som bildades under rullbindningsprocessen. Ingen sprickbildning eller håligheter upptäcktes, även om rullreduktionen ökade. För Cu/Al/Cu-laminat med SUS304-interlager däremot, spräcktes SUS304-folien upp i små fragment som inbäddades i Cu/Al-matrisen och fördelades diskret vid gränssnittet mellan Cu och Al. Detta berodde på den begränsade deformabiliteten hos SUS304-folien under rullbindningen.

Tjockleksvariationer i SUS304-interlagret vid olika rullreduktioner visade på ett inflektionspunkt där tjockleken minskade linjärt vid högre reduktioner. Under den första fasen minskade inte tjockleken på interlagret avsevärt, vilket inte gav en effektiv ökning av bindstyrkan för Cu/Al/Cu-laminaten. Vid rullreduktion på 70 % och 80 % minskade dock tjockleken på interlagret till 22,8 mm respektive 19,5 mm, vilket orsakade en ökad deformation i Cu/Al-gränssnittet, vilket i sin tur resulterade i sprickbildning och nekning av SUS304-interlagret.

Ytterligare bilder från peeling-testen visade hur fragment av SUS304 spräcktes perpendikulärt längs rullningsriktningen. Med ökande rullreduktioner minskade vinkeln mellan SUS304-fragmenten och rullningsriktningen, och avståndet mellan dessa fragment ökade. Vid högre rullreduktioner (70 % och 80 %) upptäcktes interna sprickor som skapade lokala spänningar och förändrade bindningsstyrkan vid gränssnittet mellan Cu och Al.

Det är också av vikt att notera att det fanns ett samband mellan peelingstyrkan och morfologin hos de exponerade ytorna. På W-70% och W-80% prover motsvarade toppvärdena på peelingstyrkan de områden där SUS304-fragmenten var koncentrerade vid kanten, medan dalarna i styrkan sammanföll med områden där Cu/Al-lagren var direkt bundna.

För att förstå dessa samband mellan deformation, bindstyrka och mikrosstruktur är det viktigt att beakta både de mekaniska och materialvetenskapliga aspekterna. Deformationen hos det mjukare materialet, som Al, under trycket från rullbindningen, leder till att SUS304-interlagret genomgår sprickbildning och inbäddning i matrisen. Ju större rullreduktion, desto mer uttalad blir denna effekt, vilket resulterar i en mer fördelaktig bindning mellan Cu och Al.

Hur SUS304-interlagret påverkade bindningsstyrka och deformation i Cu/Al/Cu-laminat

Cu/Al/Cu-laminat med ett SUS304-interlager har visat sig ha specifika strukturella och mekaniska egenskaper när de utsätts för olika typer av deformation och behandlingar. En av de mest märkbara egenskaperna i laminat med SUS304-interlager är förekomsten av skjuvdeformationsregioner. Dessa regioner är särskilt tydliga vid gränssnittet mellan SUS304 och metallerna i matrisen, Cu och Al. I dessa områden förändras metallernas flöde, vilket leder till att shearband bildas, särskilt i närheten av kanterna på SUS304-fragmenten.

Dessa shearband spelar en avgörande roll för att förändra deformationens karaktär från en enhetlig till shear-lokaliserad deformation. Detta förändrar inte bara sättet materialet deformeras på utan leder också till en förfining av kornstorleken, vilket positivt påverkar bindningsstyrkan mellan de olika lagren. I ett experimentellt sammanhang, där metoden för att studera denna deformation innefattar att mäta energin vid gränssnitten, blev det tydligt att ökad shear-deformation leder till högre bindningsenergi vid interfacet, vilket förbättrar den övergripande bindningen mellan Cu, Al och SUS304.

Den överskridande effekten av shear-deformationen kan förklaras genom dess påverkan på stramningen av det så kallade strain hardening-lagret. Det sträckte sig över hela Cu/SUS304 och Al/SUS304-gränssnitten, där materialet inte bara förstärktes utan även tätade hål och förbättrade sprick-tåligheten. Detta ökar bindningsstyrkan genom att föra samman atomer från olika metaller och förbättrar mekaniska effekter som bidrar till den totala bindningsstyrkan.

Vid temperaturbehandling, såsom efterglödgning av Cu/Al/Cu-laminat med SUS304-interlager, observeras förändringar i både mekaniska egenskaper och strukturen vid interfacen. Ju högre temperatur, desto mer förändras de mekaniska egenskaperna, vilket leder till en ökning i brottförlängning men en minskning i draghållfasthet. För att förklara detta kan man se att den gradvisa upplösningen och omstruktureringen av materialet påverkar frakturens beteende vid olika temperaturer.

Vid olika upphettningstemperaturer, som 200°C till 400°C, har det också observerats att bildandet av intermetalliska föreningar (IMC) mellan Cu och Al är starkt begränsat av SUS304-interlagret. Detta visar att SUS304 fungerar som en barriär mot bildandet av IMC-lager som annars kan försämra bindningen mellan metallerna. De intermetalliska föreningarna uppträder endast när temperaturen når 300°C och 400°C, vilket ytterligare betonar SUS304:s roll som en skyddande barriär för att upprätthålla starka bindningar mellan de olika metallernas lager.

Det är viktigt att förstå att de mekaniska egenskaperna och strukturen av dessa laminat inte enbart bestäms av ett enda parameter, utan av en dynamisk interaktion mellan deformation, termisk behandling och strukturella förändringar på mikroskopisk nivå. Förutom de nämnda faktorerna, spelar även andra aspekter som metallernas diffusionshastighet och den specifika mikrostrukturen vid interfacen en roll i bindningens övergripande styrka och hållbarhet.