Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

Metalen worden zelden in hun ruwe, gegoten vorm gebruikt. Om ze sterk genoeg te maken voor vliegtuigen, auto's of gebouwen, moeten ingenieurs hun interne structuur veranderen. Stel je een blok metaal voor als een verzameling van kleine kristallen, of korrels, die tegen elkaar aan liggen. In een zacht, onbewerkt stuk aluminium zijn deze korrels relatief groot en losjes georganiseerd. Om het metaal harder en sterker te maken, gebruiken wetenschappers een techniek genaamd extreme plastische vervorming. Dit houdt in dat het metaal door een nauwe ruimte wordt geperst zonder de algehele vorm te veranderen, waarbij de interne korrels in feite worden samengeperst tot veel kleinere stukjes. Hoe kleiner de korrels, hoe sterker het metaal wordt, omdat de grenzen tussen hen fungeren als barrières die het materiaal ervan weerhouden gemakkelijk te buigen of te breken. Dit proces is cruciaal voor industrieën die lichtgewicht materialen nodig hebben die enorme spanningen kunnen weerstaan.

In een recente studie probeerden onderzoekers twee specifieke methoden van dit persproces te vergelijken om te zien welke methode beter werkt voor dunne aluminiumstrips. De twee methoden staan bekend als gelijk kanaal hoekpersen (equal-channel angular pressing) en gelijk kanaal multi-hoekpersen (equal-channel multi-angular pressing). Beiden houden in dat het metaal door een matrijs, of mal, wordt geduwd die doorlopende kanalen heeft. Het verschil ligt in het ontwerp: de ene methode gebruikt één snijpunt, terwijl de andere methode er twee gebruikt. Het team wilde weten welk ontwerp de fijnste, meest uniforme korrelstructuur zou creëren en het sterkste materiaal zou opleveren. Ze kozen voor een veelvoorkomend, commercieel zuiver aluminiumlegering, dat vaak wordt gebruikt voor isolatie en algemene productie, en onderwierpen dit aan deze processen tot wel drie keer om te zien hoe het metaal met elke passage veranderde.

De onderzoekers begonnen met aluminiumstrips die door ze in een oven te verwarmen waren verzacht, een stap die de interne korrels groot en uniform maakte. Vervolgens voerden ze deze strips door de twee verschillende persen bij kamertemperatuur. De eerste pers, de versie met een enkel kanaal, dwong het metaal door een scherpe bocht. De tweede pers, de multi-kanaal versie, leidde het metaal door twee opeenvolgende bochten. Na elke passage onderzocht het team het metaal onder krachtige microscopen en testte hoe veel kracht het kon weerstaan voordat het brak. Ze maten ook de weerstand van het metaal tegen krassen, een eigenschap die hardheid wordt genoemd, en keken naar het oppervlak van het metaal nadat het was gescheurd om te zien hoe het bezweek.

De resultaten toonden aan dat beide methoden erin slaagten de grote korrels af te breken tot veel kleinere korrels, maar dat zij dit op verschillende manieren en met verschillende mate van succes deden. De pers met een enkel kanaal bleek het meer agressieve instrument te zijn. Na drie passages verminderde het de korrelgrootte van een bereik tot acht micrometer naar een bereik van slechts 2,4 micrometer. Dit proces creëerde een mix van zeer fijne korrels en enkele ultra-fijne, bijna nanometerschaal korrels. Het metaal werd aanzienlijk sterker en harder. Het vermogen om trekkrachten te weerstaan, ook wel treksterkte genoemd, nam met bijna 94 procent toe, en de weerstand tegen blijvende buiging, of vloeigrens, steeg met ongeveer 21 procent. Het metaal werd ook harder aanvoelbaar, met een toename in hardheid van meer dan 63 procent in de richting van de persing.

De multi-kanaal pers verbeterde het metaal ook, maar de veranderingen waren minder dramatisch. Hoewel het de korrels verfijnde, bleef de uiteindelijke grootte groter, uitmondend in een bereik tot 5,5 micrometer na drie passages. Het metaal werd wel sterker, met een toename in treksterkte van ongeveer 129 procent en een toename in vloeigrens van ongeveer 31 procent, maar het hardende effect was niet zo intens als bij de single-channel methode. De hardheid van het metaal nam met ongeveer 54 procent toe in de richting van de pers, wat aanzienlijk was maar nog steeds lager was dan het resultaat van de single-channel methode. De onderzoekers observeerden dat het multi-kanaal proces soms leidde tot een iets grovere structuur in bepaalde gebieden, waarschijnlijk omdat het metaal een ander patroon van spanning ervoer terwijl het door de twee bochten bewoog.

Toen het team keek naar hoe het metaal brak, vonden ze duidelijk bewijs van deze interne veranderingen. Het oorspronkelijke, zachte aluminium brak met grote, diepe putjes op het oppervlak, een teken dat het zich gemakkelijk uitrekte en vervormde voordat het knapte. Naarmate het metaal werd bewerkt, werden deze putjes kleiner en minder diep. Deze verschuiving gaf aan dat het metaal sterker maar minder flexibel was geworden. Het door de single-channel pers bewerkte metaal vertoonde de meest significante reductie in putgrootte, wat bevestigde dat de interne structuur ervan het meest drastisch was veranderd. Het team merkte op dat hoewel het metaal veel sterker werd, het ook wat van zijn vermogen om uit te rekken verloor, een veelvoorkomende afruil bij dit type versterking.

De studie concludeerde dat hoewel beide technieken effectief zijn voor het verfijnen van de structuur van aluminiumstrips, de single-channel methode superieur is voor het bereiken van maximale hardheid en sterkte in dit specifieke materiaal. De single-channel pers creëerde een meer uniforme en fijnere korrelstructuur, wat leidde tot een meer uitgesproken versterkingseffect. De multi-kanaal pers, hoewel nog steeds voordelig, produceerde een iets grover resultaat. Deze bevindingen bieden een duidelijke richtlijn voor fabrikanten: als het doel is om dunne aluminiumstrips zo sterk en hard mogelijk te maken, is de single-channel persroute de meest efficiënte keuze. Het onderzoek benadrukt hoe de specifieke geometrie van een gereedschap de uiteindelijke kwaliteit van een materiaal kan bepalen, wat een precieze manier biedt om metalen op maat te maken voor veeleisende industriële toepassingen.