1Materialer og Kjemi

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

Sigmund J. Andersen1, Calin D. Marioara1

Randi Holmestad2

1Sintef Materialer og Kjemi og 2NTNU Institutt for Fysikk

2Materialer og Kjemi

Oversikt

I. Innledning:Det glemte 100-års jubileetUtherdingUtherding i AlMgSi(Cu) legeringer

II. Videre:Hvordan presipitatene ser utOversikt presipitatstruktur i Al-Mg-SiFellesfaktoren: SilisiumPresipitatene har superceller i SiHva med Al-Mg-Si-Cu?

III. Slutt:Hva betyr egentlig dette?Konklusjon

Noen spørsmål av praktisk karakter

Takk til:

3Materialer og Kjemi

Ibsens død.Longyearbyen.Maritim radio.Ranheim Musikkforening.Sacramento Jazz Jubilee.

Schlieffenplanen 1891-1906…

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

4Materialer og Kjemi

[2] Fra M. H. Jacobs TALAT lecture 1204http://www.aluminium.org/education/TALAT/1000/1200.htm

UtherdingI. Bråkjøl: 500 ºC -> RT (1-6 % legeringselementer)

-> tvungen overmetningII. Utherd: 50-200 ºC i 3-10 t ->ordning av løste elementer -> GP soner -> .. -> ..

-> 2-3 x styrkeøkning

5Materialer og Kjemi

Utherding i AlMgSi-legeringer ved 175oC

1t / 540oC + 4t / RT -> utherding

Si-rike leg. (konstant Mg+Si~1.3 vekt%) Mg-rike

Si/Mgøker

1.2524

Mg/Siøker

1.2524

GP β’’ β’ U1 U2 B’ GP β’’ β’ U1 U2 B’

6Materialer og Kjemi

SSSS --> clusters --> GP --> (GP+) β” --> β’ / U1 / U2 / B’ --> β, SiAl-Mg-Si

Al-Mg-Si-CuSSSS --> clusters -->GP (+β”)+L+S+C(+Q’)--> Q’ --> Q, (Si)

Cu=0 Cu

CuCu=0

RT 125º 175º 200º 300º

Utherdingsforløp: Koherent -> inkoherente presipitater

7Materialer og Kjemi

Hvordan ser presipitatene ut i TEM?

Typisk60xx T6

GPβ’’β’B’U2

Vanskelige å skille

8Materialer og Kjemi

Al-Mg-Si: 175oC GP/β’’

* 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.

A3_17t β”

1 nm

A3_13t

GP

1 nm

A3_3t

9Materialer og Kjemi

a

c

130

320Full koherens

Atomer på gitterplassFull koherens

Hjørneatom mellom Al-plasser

a

c

130

320

GP-sone β’’

Mg5Si6

10Materialer og Kjemi

Al-Mg-Si-Cu: 175oC 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.

11Materialer og Kjemi

Fase Form Formel Symmetri Enhetscelle (pm)

GP [3,4] Nål AlMg4Si6? C2/m a=1480, b=405, c=648, β=105.3°β’’ [5] Nål Mg5Si6 ? C2/m a=1516, b=405,c=674, β=105.3°β’ [6] Nål Mg1.8Si P63 a=b=715, c=405, γ=120°, c-modB’ [7] Nål/Bånd Mg9Al4Si7.2 P63/m a=1040, c=405, γ=120°, c-modU1 [8] Nål MgAl2Si2 P3m1 a=b=405, c=674, γ=120°U2 [9] Nål MgAlSi Pnma a=675, b=405, c=794β Plate/kube Mg2Si Fm3m a=635.4Si Plate Si Fd3m a=543.1

--

-

[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) 3283.[5] H. W. Zandbergen, S. J. Andersen, J. Jansen, Science 77 (1997) 1221.[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 90-9019927-6), (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) 224106.[9] S. J. Andersen, C. D. Marioara, A. G. Frøseth, R. Vissers, H. W. Zandbergen, Mat. Sci. Eng. A 390/1-2 (2005) 127.

Alle presipitatene inneholder ~ triangulære Si-plan !

Al-Mg-Si Atomær struktur av presipitatene

12Materialer og Kjemi

Fellesfaktoren silisium

Typisk retning for stor Si-partikkel i aluminium

5 nm

Si [110]

Al [001]

<111>

<100>

<010>

<310>

108.4°109.5°

<111>

U1

GP, β’’, β’, B’, U2

identisketriangulære

Si-plan

13Materialer og Kjemi

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.

14Materialer og Kjemi

Presipitater i AlMgSi er relatert til Si

<111> Si medprojiserteenhetsceller

I:β’II:U2III: B’stiplet: U1

A

B

C

A

665

1016

768

a0

I

II

III

384

15Materialer og Kjemi

MgAlSi

cc

aay0½

a b

Eksempel: U2

<111> Si

16Materialer og Kjemi

Hva med Al-Mg-Si-Cu systemet?

Q (Al-Mg-Si-Cu) og B’ (Al-Mg-Si)

a b

z0 ½

SiAl

Mg

Cu

<111> Si

17Materialer og Kjemi

ADF-Q’ ADF-L ADF-S

= Si

= Cu

TilstandA3Cu_72t

Hva med Al-Mg-Si-Cu systemet?Avbildning av Cu-atomene vha Annular Dark Field

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.

18Materialer og Kjemi

Hva betyr egentlig dette?

19Materialer og Kjemi

At alt ser ut til å starte med små Si-krystaller

50Å

Si presipitat i Al-1.3 Si17 t / 175 ºC

Si {111} || Al {100}, {310}

Al [001] <310>

Si [110]109.5°

[111]

[111]

<100>

<010>

20Materialer og Kjemi

GP, β’’, β’, B’, Q’, U2, …..

Presipitatenebruker Sisom fundament

Mest nåler

U1, vokser innover

Al-1.3%Si:~20% Si krystaller

orientert ‘riktig’

21Materialer og Kjemi

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.

Konklusjoner

22Materialer og Kjemi

Noen få spørsmål man kan stilleSmå Si-krystaller har spenningsfelt i Al-Si legeringer, og er i høyt antall. Hvorfor ingen nevneverdigutherdingseffekt?

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?

23Materialer og Kjemi

Takk til:

Arbeidet er gjort under NorLight programmet som er finansiert avHydro Aluminium AS,Elkem Aluminium i samband med Forskningsrådet.

Det Tekniske Universet i Delft, Nederland, ogUniversitetet 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: http://www.sintef.no/norlight/ProjectPortfolio/HeatTreatmentFundamentals/index.htm