Silisium styrer utherding i Al-Mg-Si og Al-Mg-Si-Cu …...Materialer og Kjemi 1 Silisium styrer...
Transcript of Silisium styrer utherding i Al-Mg-Si og Al-Mg-Si-Cu …...Materialer og Kjemi 1 Silisium styrer...
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