Hur påverkar olika glödgnings- och rullbearbetningstemperaturer den mekaniska egenskapen och strukturella utvecklingen hos Cu/Al-laminat?

Cu-matrixen, som observeras i Fig. 2.50a, beror huvudsakligen på den ofullständiga symmetrin hos SUS304-interlagret under rullning och bindningsprocessen. Under dragprovning leder stresskoncentrationen nära fragmenten av SUS304-interlagret till att ena sidan av Cu-matrixen brister tidigare än andra matrismaterial. Efter glödgning vid 200 °C har plastisiteten hos Cu-Al-matrixen genomgått en partiell återhämtning. Förekomsten av nystartade nekningfenomen i brottytan på provet, som visas i Fig. 2.50c, är tydlig. Fragmenten av SUS304-interlagret är inbäddade i gränssnittet av Cu-Al-matrixen. Efter glödgning vid 300 °C, när plastisiteten hos Cu-Al-matrixen ytterligare återhämtar sig, ökar skärpan på nekningens vinkel. En annan märkbar funktion är framträdandet av intakta fragment av SUS304-interlagret på brottytan med en betydligt bredare bredd än den hos den nekade Cu-Al-matrixen, som visas i Fig. 2.50e. Detta beror huvudsakligen på att under sträckningen deformeras SUS304-fragmenten, med sin högre hållfasthet jämfört med den glödgade Cu-Al-matrixen, främst koncentrerat i Cu-Al-matrixen. Vidare har SUS304-interlagret bundits tätt till matrixen. På brottytan verkar Al-matrixen vara ”sliten” när lagren separeras på grund av nekning, och några fragment av SUS304-interlagret förblir tätt bundna till Al-matrixen. I det lokalt förstoring av området vid gränssnittet av brottytan i Fig. 2.50f kan man observera ett stort antal tätt fördelade dimples i matrixen, vilket indikerar god plastisitet hos matrixen efter glödgning vid 300 °C. Dessutom kan man i området för direkt kontakt mellan Cu och aluminium observera partiella strippliknande brott av Cu-Al IMC på brottytan, med brottinriktningen parallell med dragriktningen. När glödgningstemperaturen ökar till 400 °C, uppvisar Cu-Al-matrixen god plastisitet. Brottytan visar fortfarande nekningens morfologi i Cu-Al-matrixen, men vid denna punkt är fragmenten av SUS304-interlagret inte längre synliga på brottytan (Fig. 2.50g). I den förstoring av gränssnittet (Fig. 2.50h) kan man observera ett stort antal Cu-Al IMC på den direktkontaktade regionen mellan Cu och Al. Brotten av Cu-Al IMC kan inträffa både parallellt och vinkelrätt mot rullriktningen, där brott vinkelrätt mot rullriktningen är de mest framträdande.

Det mekaniska beteendet hos Cu/Al-laminaten vid dessa högre rullningstemperaturer är överraskande och förklaringen till dessa fenomen återfinns i den mikroskopiska strukturevolutionen som sker vid hög temperatur. Mikroskopiska analyser, såsom optiska och SEM-bilder, visade på att mikroskopstrukturen förändrades beroende på rullningstemperaturen. I låga temperaturer som 350 °C visade laminaten finare kornstruktur och bättre hållfasthet, men med mindre duktilitet. När temperaturen ökade, blev kornstorleken större, och de strukturella lagren mellan Cu och Al blev tydligare. Under ARB-processen på 400 °C och högre blev difusionslagren mellan Cu och Al tydligare och ökade i tjocklek.

Det är viktigt att förstå att rullningstemperaturen inte bara påverkar de mekaniska egenskaperna direkt, utan också strukturella förändringar i materialet som kan påverka dess långsiktiga prestanda och hållbarhet. Denna strukturella utveckling är avgörande för att optimera prestanda i praktiska tillämpningar där Cu/Al-laminat används. Förutom att analysera de direkta mekaniska testerna, bör man överväga hur denna mikrostrukturevolution påverkar materialets livslängd under olika driftförhållanden, särskilt vid förändrade temperaturer eller belastningar.

Hur påverkar reduktionsförhållandet gränssnittsbonding i material?

Gränssnittsbonding, det vill säga den sammansmältning som sker mellan ytor vid plastisk deformation, påverkas av en rad olika faktorer. En viktig parameter är reduktionsförhållandet, som definieras som den procentuella minskningen i tvärsnittsarean av materialet under deformation. Studien av SEM-mikrografer från materialprov efter kompressionsdeformation vid olika reduktionsförhållanden ger insikt i hur denna parameter påverkar kvalitén på gränssnittsbondingen.

När reduktionsförhållandet är noll, som illustrerat i figur 2.3a, förblir gränssnittszonen i stort sett oförändrad och disconnected, även om en liten deformation inträffar under hållprocessen. Detta beror på att temperaturen runt gränssnitten inte är enhetlig på grund av den ojämlika termiska resistensen i gränssnittszonen vid uppvärmning, vilket inducerar en viss grad av bonding i specifika områden. Eftersom det normala avståndet mellan gränssnitten är för stort för att atomer ska kunna hoppa direkt över avståndet, syns inte bonding i de flesta områden.

När reduktionsförhållandet ökar till 10%, som visas i figur 2.3b, expanderar bondingområdet i gränssnittszonen, även om graden av bonding är låg. Vid denna deformationstrycksmängd kommer först de upphöjda ytorna på gränssnitten i kontakt, vilket ökar kontaktflatan och därmed ökar graden av bonding genom en kombination av atomär diffusion och temperaturgradienter. Trots denna ökning av kontaktytan förblir vissa större hål synliga i gränssnittszonen.

Vid högre reduktionsförhållanden, som 20% och 30% (se figur 2.3c och d), minskar storleken på dessa hål, och gränssnittsbondingens kvalitet förbättras avsevärt. På 40% reduktion (figur 2.3e) är det svårt att hitta kvarvarande hål i gränssnittszonen, även om den övergångszon där mikrostrukturen skiljer sig från matrisen fortfarande är synlig. Vid denna nivå har kornstorleken i övergångszonen blivit mindre än i resten av materialet. När reduktionsförhållandet når 50%, liknar kornstorleken i gränssnittszonen den i den övriga matrisen, och mikrostrukturen är inte längre enbart ferritisk.

Relationen mellan antalet kvarvarande hål i gränssnittszonen och reduktionsförhållandet beskrivs tydligt av en matematisk funktion (figur 2.4), där det framgår att när reduktionsförhållandet ökar, minskar antalet kvarvarande hål och övergångszonen mellan gränssnittet och matrisen gradvis försvinner. En större reduktion innebär också en ökad deformation av de upphöjda gränssnitten, vilket i sin tur ökar kontaktytan och förbättrar atomär diffusion, vilket påskyndar bildandet av bindningar.

En annan viktig faktor som påverkar gränssnittsbondingen är antalet deformationspass. Figur 2.5 visar hur antalet hål förändras vid olika antal deformationspass med en konstant total reduktion på 50%. När deformationen sker i fem pass (10% per pass) förblir många små hål kvar, medan de minskar i antal och storlek när antalet pass minskas. Det ses att antalet kvarvarande hål minskar med färre pass, vilket resulterar i en bättre bondinggrad.

Vidare påverkas gränssnittsbondingen också av deformationshastigheten. Figur 2.7 visar hur olika hastigheter, från 15 s−1 till 0,01 s−1, förändrar gränssnittets struktur. Vid högre deformationshastigheter (15 s−1) är hålen stora och linjärt fördelade, medan vid lägre hastigheter minskar antalet hål och gränssnittsbondingen förbättras. När hastigheten är låg, som vid 0,01 s−1, försvinner de synliga hålen helt och gränssnittsbondingen är som högst.

Graden av gränssnittsbonding beror inte bara på den direkta deformationen utan även på rekristallisationen som sker i gränssnittszonen. När hastigheten är låg hinner atomerna diffundera tillräckligt för att eliminera hål i gränssnittet. Vid högre hastigheter, där atomdiffusionen inte hinner ikapp, ökar antalet hål och bondingkvaliteten försämras. Det är också viktigt att förstå att den kortare hålltiden vid högre hastigheter innebär att atomär diffusion inte hinner ske ordentligt, vilket är en avgörande faktor för att säkerställa god bonding.

Vidare forskning visar att det finns en direkt relation mellan antalet kvarvarande hål och olika parametrar som reduktionsförhållande, antal deformationspass och deformationshastighet. För att uppnå bästa möjliga gränssnittsbonding krävs en balanserad kontroll av dessa faktorer. Detta innebär inte bara att optimera deformationen utan också att noggrant styra temperaturen, deformationens hastighet och antalet pass för att säkerställa en jämn och effektiv process.