Aluminium metallography

Metallography of Aluminium

Подготовка алюминиевых образцов

Алюминиевые сплавы охватывают широкий спектр химических составов и поэтому широкий интервал величин твердости. Поэтому методики подготовки образцов для микроскопического исследования – микрошлифов – из различных алюминиевых сплавов могут значительно различаться.

Мягкие сплавы и нелегированный алюминий являются более трудными для механического полирования. Основными причинами этого являются [1]:
а) деформация, которая возникает при резке и шлифовании распространяется на большую глубину;
б) более вероятно внедрение абразивных частиц в металл при полировании;
в) твердые частицы вторичных фаз легко вырываются из мягкой алюминиевой матрицы при полировании.

У более твердых алюминиевых сплавов другие проблемы. Подготовка микрошлифов происходит легче, но у этих сплавов значительно больше различных фаз и их микроструктура значительно сложнее.

Как известно, алюминий и его сплавы подразделяются на две категории – литейные и деформируемые. Каждая из этих групп подразделяется в свою очередь на серии по главным легирующим элементам в их химическом составе. Подробнее см. Классификация алюминиевых сплавов.

Для всех этих алюминиевых сплавов применяются обычные методы подготовки шлифов и изучения под микроскопом. Вместе с тем, для различных серий и групп алюминиевых сплавов есть некоторые особенности, которые необходимо учитывать.

Процессы возврата и рекристаллизации в алюминиевых сплавах могут происходить при относительно низких температурах, около 150-300 ºС. Такие температуры могут легко возникать при операциях резки, шлифования и установки образца в оправку. Эти операции редко дают изменения в структуре, которая видна под световым микроскопом, они могут быть видны в электронный микроскоп.

Metallography of aluminum for quality control

for grain size determination and to determine microstructure defects on polished and etched specimens. In addition, specimens are often checked for impurities, such as oxides or zirconium aluminides.

Cast alloy aluminum is evaluated for shape, distribution of phases and possible porosity (Fig. 1). In wrought material, defects from the rolling and extrusion process are investigated and plating thicknesses measured (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4).

Fig. 1 – Aluminum-silicon cast, color etched with molybdic acid [2]

Fig. 2 – Aluminum alloy 2024, cast, showing eutectic precipitation on grain boundaries, unetched [2]

 

Fig. 3 – As Fig. 2, homogenized, unetched [2]

Fig. 4 – As Fig. 2, hot rolled, unetched

The metallographic challenges with aluminum

The metallographic challenges associated with aluminum and aluminum alloys change with the metal’s purity  [2]:

  • As purity increases, aluminum becomes softer and more susceptible to mechanical deformation and scratches. In high purity aluminum, grinding can cause deep deformation, while grinding and polishing abrasives, such as silicon carbide and diamond particles, can be pressed into the surface.
  • As alloying content increases, aluminum becomes harder. Cast alloys are relatively easy to prepare. However, the aluminum matrix must be well polished to avoid errors in structure interpretation.

Особенности металлографии технического алюминия

Структура технически чистого алюминия может наследовать свою структуру от литейного процесса или процесса холодной или горячей обработки (Figs. 5 and  6). Одной из проблем является то, что при наблюдении под световым микроскопом обычно отсутствует контрастная «картинка» – в чистом алюминии слишком мало структурных элементов. Это типичный случай, когда может помочь анодирование поверхности шлифа.

Микроструктуру нелегированного алюминия после холодной обработки лучше изучать с помощью электронной микроскопии. Тогда можно увидеть дислокации и зеренную структуру.


Fig. 5 – Alloy 1100-H18 sheet, cold rolled.
Note metal flow around insoluble particles of FeAI3 (black).
Particles are remnants of scriptlike constituents in the ingot that have been fragmented by working.
See also Fig. 6.
0,5% HF [3].


Fig. 6 – Alloy 1100-O sheet, cold rolled and annealed.
Recrystallized, equiaxed grains and insoluble particles of FeAl3 (black).
Size ond distribution of Fe-Al3 in the worked structure were unaffected by annealing
(see also Fig. 5).
0,5% HF [3]

Микроструктура деформируемых алюминиевых сплавов

Деформируемые алюминиевые сплавы имеют свое происхождение из литых слитков. После разливки и гомогенизации они получили соответствующую механическую и термическую обработку, которые изменили исходную литую структуру. Эти изменения относительно невелики для крупных изделий после горячей деформационной обработки, например, у кованых деталей, толстых плит или массивных прессованных профилей. Изменения становятся более заметными при увеличении коэффициента вытяжки и повышения степени горячей и холодной деформации, а также количества и типа термических обработок.

Наиболее видимые изменения микроструктуры деформируемых алюминиевых сплавов включают [1] (Figs. 7-10):

  • растворение растворимых фаз или их коалесценция для снижения их поверхностной энергии;
  • выделение компонентов сплава при повышенной температуре, которые находились в пересыщенном растворе;
  • механическая фрагментация хрупких интерметаллических фаз и их вытягивание вдоль главных направлений холодной или горячей обработки;
  • процессы возврата или рекристаллизации после холодной деформационной обработки.


Fig. 7 – Alloy 2024-O sheet.
Structure consists of light gray particles of insoluble (Cu,Fe,Mn)Al6,
large block particles of undissolved CuMgAl2,
and fine particles of CuMgA12 that precipitated during annealing.
25% HNO3 [3]


Fig. 8 – Alloy 6061-F plate, 38 mm thick, as hot rolled (91% reduction).
Longitudinal section from center of plate thickness. Particles are Fe3SiAl12 (gray, scriptlike) and Mg2Si (black).
See also Fig. 9 and 10.
0,5% HF [3]

Fig. 9 – Some alloy and condition as Fig. 8, but a longitudinal section from neat plate surface.
Porticles of Fe3SiAl12 and Mg2Si are more broken up and uniformly distributed than in Fig. 8 (midthickness).
See also Fig. 10.
0,5% HF [3]


Fig. 10 – Alloy 6061-F 6,4-mm sheet, hot rolled (reduced 98%); midthickness longitudinal section.
Fe3SiAl12 and Mg2Si particles more broken and dispersed than in Fig. 9.
Most Mg2Si will dissolve during solution treating.
0,5% HF [3]

Metallography of Aluminium

Источники:
1.  TALAT 1202
2.  struers.com/en/Knowledge/Materials/Aluminum
3.  Aluminum and Aluminum Alloys – ASM Handbook / ed. J. R. Davis