Микроструктура деформируемых алюминиевых сплавов

 

Как известно, деформируемые алюминиевые сплавы делятся на восемь основных серий сплавов по их главным легирующим элементам. Поэтому каждая такая серия будет иметь свои особенности микроструктуры. Другое деление алюминиевых сплавов относится к их способности к термической обработке (серии 2000, 6000, 7000) или деформационному упрочнению – нагартовке (1000, 3000, 5000). Это также имеет отражение в микроструктуре сплавов.

1000 cерия

В микроструктуре этой серии обычно находят фазы алюминий-железо и алюминий-железо-кремний. Это связано с тем, что железо и кремний имеют низкую растворимость в алюминии и являются примесными элементами. Поэтому в этом металле с помощью травления 0,5 %-ным раствором плавиковой кислоты легко выявляют такие фазы как FeAl₃, Fe₃SiAl или Fe₂Si₂Al₉. Если интерес представляет структура зерен алюминия, то применяют анодирование с помощью реагента Баркера [1].

Figure 1 – Aluminium 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. 2.
0.5% HF.
Original magnification: 500x [2]

Figure 2 – Aluminium alloy 1100-O sheet, cold rolled and annealed.
Recrystallized, equiaxed grains and insoluble particles of FeAl₃ (black).
Size and distribution of FeAl₃ in the worked structure were
unaffected by annealing (see also Fig. 1).
0,5% HF.
Original magnification: 500x [2]

3000 серия

Эти сплавы имеют главным легирующим элементом марганец. Поэтому они содержат такие фазы, как (Mn,Fe)Al₆ или (Mn,Fe)₃SiAl₁₂, которые выявляются травлением в 10 %-ном растворе фосфорной кислоты H₃PO₄. Для выявления зеренной структуры, полученной холодной обработкой или отжигом, применяют анодирование [1].

Figure 3 – Aluminium aloy 3003-O sheet, annealed.
Longitudinal section shows recrystallized grains.
Grain elongation indicates rolling direction,
but not the crystallographic orientation within each grain.
Polarized light. Barker’s reagent.
Original magnification: 100x [2]

Figure 4 – Same alloy and condition as for Fig. 3, but shown at a higher magnification.
Dispersion of insoluble particles of (Fe,Mn)Al, (large) and
aluminum-mangenese-silicon (both large and small) was not changed by annealing.
0.5% HF.
Original magnification: 750x [2]

4000 серия

Большинство из этих сплавов имею большое содержание кремния и применяются как материалы для сварки и пайки, когда они переплавляются. Литейными фазами являются обычно кремний Si и частицы Fe₂Si₂Al₉. При термической обработке кремний коалесционирует, тогда как железосодержащие фазы остаются без изменений. Эти частицы вытравливаются 0,5 %-ным раствором плавиковой кислоты.

Figure 5 – Aluminium alloy 4043 as-cast ingot with Fe₂Si₂Al₉ (light) and
silicon (dark) in dendrite interstices.
0,5% hydrofluoric acid. Original magnification: 455x.
(Kaiser Aluminum & Chemical Corp.) [3]

Figure 6 – Aluminium alloy 4043 homogenized ingot.
Shows rounding and coalescence of the silicon constituent and .
the insoluble iron-rich phase remaining unchanged.
0,5% hydrofluoric acid. Original magnification: 445x .
(Kaiser Aluminum & Chemical Corp.) [3]

5000 серия

Магний – главный элемент в этих сплавах. Он имеет в алюминии значительную растворимость. При избыточном содержании может присутствовать в виде частиц эвтектики Mg₂Al₃. После холодной прокатки и отжига их можно находить на границах зерен, а после холодной обработки они могут выделяться в виде деформационных полос. В обоих случаях структура выявляется травлением в 10 %-ной фосфорной кислоте H₃PO₄. Поскольку в сплавах этой серии хром является частой добавкой, то соединение Cr₂Mg₃Al₁₈ может появляться в виде мелких дисперсоидов.

Figure 7 – Aliminium alloy 5457-O plate 1O-mm thick, longitudinal section.
Annealed at 345 ºC. Polarized light. The grains are equiaxed.
See also Fig. 6, 7, and 8. Barker’s reagent.
Original magnification: 100x [2]

Figure 8 – Effect of cold rolling on alloy 5457-O plate,
originally 1O-mm thick, annealed at 345 ºC.
Polarized light. See Fig. 5 for annealed structure.
Barker’s reagent. Original magnification: 100x
10% reduction [2]

Figure 9 – Same as for Figure 6. 40% reduction [2].

Figure 10 – Same as for Figure 6. 80% reduction [2].

6000 серия

Это семейство сплавов термически упрочняется за счет выделения частиц Mg₂Si. Травление микроструктуры производят 0,5 %-ным раствором плавиковой кислоты. Травление выявляет нерастворимые  железосодержащие фазы типа Fe₃SiAl₁₂ и Fe₂Si₂Al₉, а также грубые выделения Mg₂Si. Начальную стадию выделения можно видеть только в электронный микроскоп.

Figure 11 – 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. 10 and 11.
0,5% HF. Original magnification: 250x [2]

Figure 12 – Some alloy and temper as Fig. 9,
but a longitudinal section from neat plate surface.
Porticles of Fe₃SiAl₁₂ and Mg₂Si are more broken up and
uniformly distributed than in Fig. 9 (midthickness).
See also Fig. 10. 0,5% HF. Original magnification: 250x [2]

Figure 13 – 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. 10.
Most Mg₂Si will dissolve during solution treating.
0,5% HF. Original magnification: 250x [2]

2000 серия

В полном объеме микроструктуры этих сплавов можно видеть только в электронный микроскоп. Они имеют весьма сложную структуру из-за большого количества добавок, которые применяют для повышения прочности, коррозионной стойкости или контроля размера зерна. Поэтому микроструктура этих сплавов многофазная, особенно в литом состоянии. Травление шлифов ведут в 10 %-ном растворе фосфорной кислоты. Характерные фазы – Al₂CuMg и Al₇Cu₂Fe. При содержании меди 3,5-5 % их можно видеть в световой микроскоп при травлении реагентом Келлера.

Figure 14 – Alloy 2024-T3 sheet, solution heat treated at 495 ºC and
quenched in cold water. Longitudinal section.
Dark particles are CuMgAI₂, Cu₂MnAl₂₀, and Cu₂FeAl₇.
Keller’s reagent. See also Fig. 13. Original magnification: 500x [2]

Figure 15 – Same alloy and solution heat treatment as Fig. 12,
but quenched in boiling water.
The lower quenching rate resulted in
precipitation of CuMgAI₂ at grain boundaries.
Keller’s reagent. Original magnification: 500x [2]

Figure 16 – Same alloy and solution heat treatment as Fig. 12,
but cooled in an air blast.
The lower cooling rate resulted in
increased precipitotion of CuMgAI₂ at grain boundaries.
Keller’s reagent. Original magnification: 500x

Figure 17 – Same alloy and solution heat treatment as Fig. 12,
but cooled in still air.
The slow cooling resulted in intragranular and
grain-boundary precipitation of CuMgAI₂.
Keller’s reagent. Original magnification: 500x [2]

7000 серия

Эта серия алюминиевых сплавов содержит цинк, магний и медь в качестве главных легирующих элементов, а также добавки хрома, циркония, марганца, а также железа и кремния. Поэтому число составляющих и фаз в микроструктуре довольно велико. Для из выявления применяют реагент Келлера. Зеренную структуру вытравливают 10 %-ным раствором фосфорной кислоты.

Figure 18 – Alloy 7075-O sheet, annealed.
The fine particles of MgZn₂ (dark) were precipitated
at lower temperature during heating to or cooling from the annealing temperature.
The insoluble particles of FeAl₃ (light gray, outlined)
were not affected by the annealing treatment.
25% HNO₃. Original magnification: 500x.

Figure 19 – Alloy 7075-T7352 forging, solution heat treated,
cold reduced, and artificially aged.
Particles are insoluble (Fe,Mn)Al₆ (dark gray).
Some unresolved Mg₂Si may be present.
This is normal structure. Keller’s reagent.
Original magnification: 250x [2]

Источники:

1. TALAT 1202

2. Aluminum and Aluminum Alloys  – ASM Speciality Handbook – 1993

3. Aluminum: Properties and Physical Metallurgy / ed. by John E. Hatch – ASM International – 1984