Hur påverkar mellanliggande temperaturer och materialkombinationer det mekaniska sambandet mellan koppar och aluminium?

Vid produktion av laminat av koppar och aluminium är processen för kallvalsning och mellanliggande temperaturer avgörande för att uppnå önskade mekaniska egenskaper och hållfasthet. Experiment som involverar olika mellanliggande temperaturer, såsom 350 °C, 450 °C och 550 °C, har visat hur variationer i dessa faktorer kan förändra bindningsstyrkan mellan materialen. Den viktigaste observationen är att en måttlig temperatur på 450 °C resulterar i en optimal bindning, vilket ger bästa resultat i både draghållfasthet och plastisk deformation.

Vid 550 °C, däremot, får man en tjockare intermetallisk fas CuAl som har en mer spröd karaktär. Denna fas skapar en ökad styvhet, vilket inte är önskvärt för hållfasta och plastiskt deformerbara laminat. Trots att ytterligare kallvalsning kan minska diffusionslagrets bredd och främja fasomvandlingen till CuAl2, leder det kvarvarande CuAl-lagret till en försämrad bindningsstyrka och en minskad draghållfasthet.

Ytterligare undersökningar har visat att det finns ett direkt samband mellan tjockleken på det intermetalliska lagret och draghållfastheten hos laminaten. För tunna lager är bindningen inte tillräckligt stark, medan för tjocka lager leder till sprödhet och ökad risk för brott vid belastning. Därmed är det av största vikt att noggrant kontrollera både mellanliggande temperaturer och valsningsparametrar för att optimera de mekaniska egenskaperna hos Cu/Al laminaten.

För att ytterligare förbättra hållfastheten hos Cu/Al laminaten kan användning av mellanliggande material som SUS304 också vara av intresse. Genom att undersöka effekterna av SUS304:s tjocklek på de mekaniska egenskaperna av Cu/Al/SUS304 laminat visades det att interfacial övergångszon (ITZ) bildas vid gränsen mellan aluminium och SUS304, medan koppar och SUS304 skapar en solid lösning (SS). Detta innebär att valet av interlayer kan också ha en avgörande inverkan på bindningens hållfasthet.

Det är också viktigt att förstå att olika intermetalliska faser inte bara påverkar bindningens styrka utan även de mekaniska egenskaperna såsom seghet och deformationsförmåga. För att uppnå en hållbar och flexibel laminerad struktur är det avgörande att hitta en balans mellan intermetalliska föreningar som inte är för spröda och inte heller för mjuka.

Hur cryorullning förbättrar hållfastheten och separationsstyrkan hos Al/Ti/Al-laminat

När Al/Ti/Al-laminat rullas under konventionella förhållanden, sker en svår plastisk deformation på ytan av både Ti- och Al-lagren. Detta beror på skillnader i deras plastiska deformabilitet samt friktionen mellan de två materialen. Sprickor bildas ofta på Ti-lagerets yta på grund av dess begränsade deformabilitet, vilket leder till att Al pressas in i dessa sprickor under rullningskraften. Detta fenomen leder till mekanisk låsning mellan lagren, vilket utgör den första fasen av bindningsbildningen mellan Al och Ti.

När rullningstemperaturen minskas, som vid cryorullning, sker en ytterligare förbättring av sprickbildning och mekanisk låsning. Det lägre rullningstemperaturen gör att Ti-lagret får ännu svårare att deformeras, vilket leder till ett ökat antal sprickor som växer i storlek. Detta gör att mer Al pressas in i sprickorna och ökar den mekaniska låsningsstyrkan, vilket i sin tur förbättrar laminatens hållfasthet. Denna mekanism är särskilt viktig för att förbättra bindningsstyrkan vid låga temperaturer.

En annan fördel med cryorullning är kornförfiningen, där materialet upplever en minskning av kornstorleken, vilket leder till en ökad hållfasthet. När det gäller Al/Ti/Al-laminat har cryorullning visat sig resultera i högre mikrohårdhet hos både Ti- och Al-lager jämfört med konventionell kall- eller varmrullning. Kornförfining genom cryorullning leder till en ökad mängd dislokationer och hindrar dynamisk återhämtning, vilket bidrar till att stärka materialet ytterligare.

Cryorullning förbättrar också den metallurgiska bindningen mellan Al och Ti-lagren. Under rullningsprocessen sker en diffusprocess vid gränssnittet mellan de två materialen, vilket leder till bildandet av ett intermetalliskt diffusion-lager. Detta lager förbättrar bindningen mellan lagren genom lösningsförstärkning, och styrkan hos gränssnittet ökar när diffusionlagrets bredd ökar. Diffusionshastigheten beror på både atomernas koncentration och temperatur, där en högre temperatur leder till ökad diffusionshastighet. Men det är också viktigt att förstå att för hög temperatur kan leda till bildandet av Kirkendall-porer, vilket kan minska bindningsstyrkan vid gränssnittet.

De mekaniska egenskaperna hos laminaten förbättras ytterligare genom att cryorullning resulterar i en större bindningsstyrka mellan Ti och Al. Den ökade styrkan i Al-lagret gör att materialet bättre kan motstå transversala belastningar, vilket i sin tur förbättrar den totala peelingstyrkan hos laminaten. Förståelsen för hur olika processer, som temperaturkontroll och materialbehandling, påverkar diffusionen och mekanisk låsning vid gränssnittet är avgörande för att optimera dessa egenskaper.

Förutom de grundläggande deformationsegenskaperna och brottmoderna är kornstorleken en annan viktig faktor som påverkar laminatens hållfasthet. Cryorullning förhindrar den dynamiska återhämtningsprocessen och gör att dislokationer samlas, vilket leder till kornförfining och förbättrad hållfasthet och duktilitet hos både Al- och Ti-lager. Denna process gör att laminaten får en högre draghållfasthet och töjning, vilket innebär att cryorullning av metalliska laminat erbjuder en kraftfull metod för att förbättra både styrka och plastiska egenskaper.

Det är också viktigt att förstå hur materialets sammansättning och de specifika bearbetningsvillkoren påverkar de slutliga egenskaperna. För optimal prestation bör man noggrant kontrollera både temperaturen under rullning och de mekaniska parametrarna som styr kornförfining och atomdiffusion vid gränssnittet.

Hur påverkar bearbetningstemperaturen sprödhet och duktilitet hos Al/Mg-Li-laminat?

I laminaten HR + RTR1, där den magnesium-litium (Mg-Li) lager uppvisade en relativt slät spröd fraktur med sprickor och kvasi-sprickmönster, observerades att det aluminium (Al) lager som ingår i kompositen visade en duktil brott med större dimples på brottytan. Detta skiljde sig avsevärt från HR + RTR2 laminat, där Mg-Li-lagret visade en stor spröd spricka och endast några få dimples var synliga i Al-lagret. Sammantaget visade HR + RTR2 laminaten ett sprödare frakturmode. I kontrast visade HR + CR1 laminaten en annan typ av sprickstruktur, där dimples var mer enhetligt fördelade i Mg-Li-lagret, och djupare och större dimples fanns i Al-lagret. Detta indikerade en mer uttalad duktilitet och ett mer hållbart material i förhållande till de övriga testerna.

Mikrostrukturell analys, särskilt genom SEM-BSD och SEM-EDS bilder, visar att Al-lagrets bindning till Mg-Li-lagret är av mekanisk natur snarare än kemisk diffusion. När laminaten rullas vid låga temperaturer (CR-processer) skapas en mer homogen mekanisk bindning mellan lagren, vilket resulterar i mindre fluktuationer i avskiljningskurvorna och en mer hållbar struktur. Vid varmrullning (RTR) däremot, där Al-lagret har en mer oregelbunden fördelning i Mg-Li-lagret, uppstår större variationer och mer komplexa sprickmönster vid avskiljning, vilket kan leda till sämre prestanda och hållbarhet.

Det är också viktigt att notera hur fasomvandlingar i Mg-Li-lagret sker beroende på rulltemperaturen. Vid lägre temperaturer, såsom vid 77 K och 298 K, sker en fasomvandling från β-Li-fasen till α-Mg-fasen under högre deformationsnivåer. Denna fasomvandling är resultatet av minskad Gibbs fri energi och ökad atomdiffusion vid lägre temperaturer. För laminaten bearbetade vid högre temperaturer (HR + HR1) observerades inga fasomvandlingar, vilket sannolikt beror på att den kemiska drivkraften för fasövergången inte var tillräcklig vid högre temperaturer.

Sammanfattningsvis är det uppenbart att både bearbetningstemperaturen och de resulterande mikrostrukturella förändringarna spelar en central roll för materialets mekaniska egenskaper. För att optimera hållbarheten och duktiliteten hos Al/Mg-Li-laminat, är det nödvändigt att förstå dessa mekanismer och anpassa bearbetningsförhållandena därefter.

Vidare är det avgörande att förstå hur fasomvandlingarna påverkar laminatens plastiska egenskaper. Eftersom β-Li-fasen är mjukare och föredrar att ta på sig deformeringstrycket under deformationsprocessen, ger denna fas förmåga att uppnå god duktilitet. Därför, för att uppnå högsta möjliga hållfasthet och sträckbarhet i Al/Mg-Li-laminaten, bör produktionen beakta inte bara det mekaniska sammanhanget mellan lagren utan också de fasomvandlingar som uppstår vid olika bearbetningstemperaturer.

Hur Kryogena Rullningsprocesser Påverkar Mekaniska Egenskaper i Kompositer

Vid analysen av laminater och deras mekaniska egenskaper är det tydligt att olika rullningsprocesser, såsom kryorullning, har en avgörande inverkan på materialets plastiska deformation och hållfasthet. I studier av Mg-Li legeringar, som kombinerar de hårda α-Mg-faserna och de mjuka β-Li-faserna, är det den proportionella fördelningen av dessa faser som spelar en central roll i materialets förmåga att deformeras plastiskt. Specifikt, när dessa laminater utsätts för olika rullningstemperaturer, kan man observera en betydande skillnad i mikrostukturer och, därmed, de mekaniska egenskaperna hos materialet.

När det gäller den totala plastiska deformationen av Mg-Li legeringar, har mängden mjuk fas (β-Li) en stor påverkan. En högre andel β-Li-fas i laminater med HR+CR (Hot Rolling + Cold Rolling) ger upphov till en minskning av fasövergångarna som orsakas av strain-induced transformationer. Detta leder till en ökning av materialets duktilitet genom att fler slip-system aktiveras i β-Li-fasen. Samtidigt bibehåller den hårda α-Mg-fasen sin förmåga att stå emot deformation, vilket resulterar i att laminaterna kan deformeras mer än de skulle om de enbart bestod av en enda fas.

Jämfört med laminater som genomgått HR+RTR (Hot Rolling + Recrystallization Treatment) är förhållandena av de hårda faserna mycket högre. Detta resulterar i större korn av den hårda fasen, vilket gör materialet mer benäget att utveckla sprickor vid gränserna mellan faserna. I detta fall är strain-kompatibiliteten mellan faserna inte optimal, vilket leder till en snabbare sprickbildning och en generell minskning av duktiliteten. Det är denna diskrepans mellan α-Mg och β-Li faserna som gör att HR+RTR-laminater tenderar att spricka snabbare och vid lägre påfrestningar.

En annan faktor som spelar en viktig roll i materialets mekaniska egenskaper är kornstorleken hos de olika faserna. I laminater rullade vid olika temperaturer, observeras att kornstorleken hos α-Mg-fasen i HR+RTR1 är större än i HR+CR1, vilket påverkar dess förmåga att genomgå plastisk deformation. Vid lägre rulltemperaturer, som i fallet med HR+CR, är dock både α-Mg och β-Li faserna mer förfinade, vilket leder till en mer homogen fördelning av deformationen.

För att förstå effekten av rullningstemperaturerna på dessa material är det viktigt att också ta hänsyn till hur temperatur och deformation påverkar interfacen mellan lager av olika metaller, som i fallet med Cu/Al/Cu-laminater. Här visar det sig att mekaniska egenskaper som draghållfasthet och maximal brottdeformation förbättras när materialet utsätts för kryorullning vid lägre temperaturer, som −100 °C och −190 °C, jämfört med vid högre temperaturer. Detta beror på den förfinade kornstrukturen och de förbättrade bindningarna mellan metallerna, vilket gör det möjligt för laminater att bibehålla högre styrka och bättre duktilitet.

För laminater som har genomgått kryorullning observeras en signifikant förbättring i mekaniska egenskaper, särskilt vid lägre temperaturer. Det är dock också viktigt att notera att förändringar i mikrostukturer och bindningar mellan olika metaller, såsom AlCu intermetalliska lager, kan påverka deformationsegenskaperna på lång sikt. Den icke-uniforma deformationen hos material som genomgått kryorullning vid låga temperaturer är mindre än hos de som genomgått kallrullning eller varm-rullning, vilket gör kryorullning till ett lovande alternativ för att skapa kompositer med både hög draghållfasthet och förmåga att motstå brott.