Silisium styrer utherding i Al-Mg-Si og Al-Mg-Si-Cu legeringer

Transkript

1 Silisium styrer utherding i Al-Mg-Si og Al-Mg-Si-Cu legeringer Sigmund J. Andersen 1, Calin D. Marioara 1 Randi Holmestad 2 1 Sintef og 2 NTNU Institutt for Fysikk 1

2 Oversikt I. Innledning: II. Videre: Det glemte 100-års jubileet Utherding Utherding i AlMgSi(Cu) legeringer III. Slutt: Hvordan presipitatene ser ut Oversikt presipitatstruktur i Al-Mg-Si Fellesfaktoren: Silisium Presipitatene har superceller i Si Hva med Al-Mg-Si-Cu? Hva betyr egentlig dette? Konklusjon Takk til: Noen spørsmål av praktisk karakter 2

3 Ibsens død. Longyearbyen. Maritim radio. Ranheim Musikkforening. Sacramento Jazz Jubilee. Schlieffenplanen Det glemte jubileum: Alfred Wilm sin oppdagelse av utherding [1] Duraluminium: Al-3.5Cu-0.5Mg med litt Si, Fe [1] A. Wilm Metallurgie 8 (1911) 225 3

4 Utherding I. Bråkjøl: 500 ºC -> RT (1-6 % legeringselementer) -> tvungen overmetning II. Utherd: ºC i 3-10 t ->ordning av løste elementer -> GP soner ->.. ->.. -> 2-3 x styrkeøkning [2] Fra M. H. Jacobs TALAT lecture

5 Utherding i AlMgSi-legeringer ved 175 o C Si-rike leg. (konstant Mg+Si~1.3 vekt%) Mg-rike Si/Mg øker Mg/Si øker GP β β U1 U2 B GP β β U1 U2 B 1t / 540 o C + 4t / RT -> utherding 5

6 Utherdingsforløp: Koherent -> inkoherente presipitater Al-Mg-Si RT 125º 175º 200º 300º SSSS --> clusters --> GP --> (GP+) β --> β / U1 / U2 / B --> β, Si Al-Mg-Si-Cu Cu=0 Cu SSSS --> clusters -->GP (+β )+L+S+C(+Q )--> Q --> Q, (Si) Cu=0 Cu 6

7 Hvordan ser presipitatene ut i TEM? Typisk 60xx T6 Vanskelige å skille GP β β B U2 7

8 Al-Mg-Si: 175 o C GP/β A3_17t A3_3t GP A3_13t β 1 nm 1 nm * Herdefasene i Al-Mg-Si er koherente GP- soner og β. * Si/Mg ~ 1 -> nesten alle presipitater er β. * Mg-rike legeringer: Færre og mindre stabile GP-soner. * Mange uordnede partikler når Si/Mg endres fra 1. 8

9 GP-sone β c Mg 5 Si 6 a c a 320 Full koherens Atomer på gitterplass 320 Full koherens Hjørneatom mellom Al-plasser 9

10 Al-Mg-Si-Cu: 175 o C GP/β (20 %) A3_Cu 4.5t A3_Cu 21t A12_Cu 21t * β : 20-30% ved maks hardhet (UTS). * Hovedfasene er andre nåler og plater. 10

11 Al-Mg-Si Atomær struktur av presipitatene Fase Form Formel Symmetri Enhetscelle (pm) GP [3,4] Nål AlMg 4 Si 6? C2/m a=1480, b=405, c=648, β=105.3 β [5] Nål Mg 5 Si 6? C2/m a=1516, b=405,c=674, β=105.3 β [6] Nål Mg 1.8 Si P6 3 a=b=715, c=405, γ=120, c-mod - B [7] Nål/Bånd Mg 9 Al 4 Si 7.2 P6 3 /m a=1040, c=405, γ=120, c-mod U1 [8] Nål MgAl 2 Si 2 P - 3m1 a=b=405, c=674, γ=120 U2 [9] Nål MgAlSi P nma - a=675, b=405, c=794 β Plate/kube Mg 2 Si F m3m a=635.4 Si Plate Si F d3m a=543.1 Alle presipitatene inneholder ~ triangulære Si-plan! [3] C. D. Marioara, S. J. Andersen, J. Jansen, H. W. Zandbergen, Acta Mater. 49 (2001) 321. [4] S. J. Andersen, H. W. Zandbergen, J. Jansen, C. Træholt, U. Tundal, O. Reiso, Acta Mater. 46 (1998) [5] H. W. Zandbergen, S. J. Andersen, J. Jansen, Science 77 (1997) [6] R. Vissers, M. A. van Huis, J. Jansen, H. W. Zandbergen, C. D. Marioara, S. J. Andersen, Quantitative Electron Nanodiffraction. Optimisations in Information Extraction, (René Vissers, Ph.d. Thesis, ISBN ), (2005) 85. [7] Ikke publisert ennå. [8] A. G. Frøseth, R. Høier, P.M. Derlet, S. J. Andersen, C. D. Marioara, Phys. Rev. B 67 (2003) [9] S. J. Andersen, C. D. Marioara, A. G. Frøseth, R. Vissers, H. W. Zandbergen, Mat. Sci. Eng. A 390/1-2 (2005)

12 Fellesfaktoren silisium Typisk retning for stor Si-partikkel i aluminium <010> <111> Si [110] U1 <310> <111> identiske triangulære Si-plan Al [001] <100> 5 nm GP, β, β, B, U2 12

13 Hva er spesielt med Si-partikkelen? Langs Al kvadratplan ser vi f.eks. Si triangulærplan. GP-soner og β Superceller kan finnes i både Al og Si-plan. 13

14 Presipitater i AlMgSi er relatert til Si A C B A I III II <111> Si med projiserte enhetsceller I:β II:U2 III: B stiplet: U1 a 0 14

15 Eksempel: U2 <111> Si a c y 0 ½ a c Mg Al Si a b 15

16 Hva med Al-Mg-Si-Cu systemet? Q (Al-Mg-Si-Cu) og B (Al-Mg-Si) z 0 ½ Al Si Mg a <111> Si b Cu 16

17 Hva med Al-Mg-Si-Cu systemet? Avbildning av Cu-atomene vha Annular Dark Field ADF-Q ADF-L ADF-S Tilstand A3Cu_72t = Si = Cu For kjente/ukjente presipitater ser Cu ut til å ordne seg på samme type triangulært gitter [10] H. S. Hasting, J. C. Walmsley, A. T. J. Van Helvoort, C. D. Marioara, S. J. Andersen, R. Holmestad, 'Z-contrast imaging of the arrangement of Cu in precipitates in 6XXX-series Aluminium alloys', (2006) Submitted Mars to Phil. Mag. L. 17

18 Hva betyr egentlig dette? 18

19 At alt ser ut til å starte med små Si-krystaller Al [001] <310> Si presipitat i Al-1.3 Si 17 t / 175 ºC Si {111} Al {100}, {310} Si [110] [111] <010> [111] <100> 50Å 19

20 Presipitatene bruker Si som fundament Mest nåler Al-1.3%Si: ~20% Si krystaller orientert riktig GP, β, β, B, Q, U2,.. U1, vokser innover 20

21 Konklusjoner De fleste presipitater lar seg nå forstå forholdsvis enkelt med hjelp av Si. Selv uordnete presipitater. Al-Mg-Si og Al-Mg-Si-Cu : Presipitatene har atomer ordnet på Si-plan som ligger likt i aluminium. Si-planene har lignende ordning som {111} planene i Si-diamantstrukturen. Si-planene har sammenfallende orientering med {111} plan til Si-krystaller i Al. Dette tyder på at små Si-krystaller eller ordnede områder kimdanner presipitatene. SSSS --> Si-rike områder med en ordning lignende diamantstruktur (kim). Noen av kimene er orientert gunstig og kimdanner GP-soner og β i Al-Mg-Si systemet, og flere andre faser i Al-Mg-Si-Cu systemet. Strukturene henger nøye sammen, og det er derfor ganske mulig at en type fase kan transformere inn i en annen. 21

22 Noen få spørsmål man kan stille Små Si-krystaller har spenningsfelt i Al-Si legeringer, og er i høyt antall. Hvorfor ingen nevneverdig utherdingseffekt? I Al-Si finner vi små Si-krystaller med ulik orientering. Bare ~1/5 med riktig retning. Hva gjør resten? Kan Si tenkes å kimdanne flere faser? AlMnSi og AlFeSi eller andre? Kan vi øke andelen av Si-kim som vi antar kimdanner presipitater? Mindre enn 50% av legeringselementene i AlMgSi legeringer (f.eks. 6082) brukes i β. Kan vi bruke resten og doble styrken? Hvorfor eventuelt ikke? Hvilken innflytelse har andre element på de antatte Si kim? Hva med større diamantelement Ge, Sn,..? Vil de gi færre eller flere kim / presipitater. Mer homogen mikrostruktur? Bedre korrosjonsegenskaper? B er relativt uinteressant, og gir ingen direkte styrke i AlMgSi. Cu stabiliserer og gjør denne fasen den viktigste i AlMgSiCu. Lar noen andre av fasene seg styre på lignende måte med andre element? Hva med andre legeringssystemer, Al-Mg-Zn, Al-Mg-Cu, Har enkeltelementer like viktige roller for utherding der som i AlMgSi-systemet? 22

23 Takk til: Arbeidet er gjort under NorLight programmet som er finansiert av Hydro Aluminium AS,Elkem Aluminium i samband med Forskningsrådet. Det Tekniske Universet i Delft, Nederland, og Universitetet i Rouen, Frankrike (Atomprobe) har vært og er viktige samarbeidspartnere. Spesiell takk til H. Hastings, J. Walmsley, A. T. J. van Helvoort for ADF bildene Mer informasjon: 23