Микроструктурный анализ алюминиевых сплавов

Промышленные алюминиевые сплавы – это многокомпонентные и многофазные системы. Расшифровка фазового состава таких сплавов может потребовать последовательного применения серии индикаторных травителей, дающих характерную окраску разных фаз.

Наиболее широко используемыми травителями алюминиевых сплавов является 1%-й раствор HF в воде и реактив Келлера – смесь 5%-х водных растворов кислот HCl, HNO₃ и HF в объемном соотношении 1 : 1 : 2.

Для повышения прочности большинство алюминиевых сплавов подвергают закалке и старению. При нагреве под закалку происходит растворение всех или отдельных избыточных фаз, называемых фазами-упрочнителями. При последующем ускоренном охлаждении эти фазы не успевают выделиться, в результате фиксируется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии.

В сплаве Х (рис. 1) при температуре нагрева под закалку t_зак. a-раствор является ненасыщенным. При охлаждении до температуры t₁ (точка a) он становится насыщенным и далее, если охлаждение достаточно медленное (с печью, например), то из него выделяется b-фаза (b_II). Эта фаза отличается от исходного a-раствора повышенным содержанием компонента В, и поэтому ее выделение требует диффузии этого компонента в a-фазе к центрам выделения.

Рис. 1. Схема к объяснению закалки и старения алюминиевых сплавов

Если b-фаза успевает полностью выделиться, то состав исходного раствора изменяется, в соответствии с диаграммой состояния, по линии ab. При комнатной температуре отожженный сплав в равновесном состоянии должен содержать две фазы: насыщенный a-раствор состава точки b и вторичные выделения b-фазы (b_II).

При быстром охлаждении с температуры t_зак. (в воде, например) диффузионное выделение b-фазы не успевает произойти, и после такой термообработки (закалки) сплав содержит при комнатной температуре только одну a-фазу. В a-фазе закаленного сплава сохраняется все то количество компонента B, которое было в ней при температуре закалки: концентрация a-раствора изображается точкой c и, следовательно, a-раствор является пересыщенным (состав насыщенного раствора – точка b).

Пересыщенный раствор в закаленном сплаве неустойчив и при температурах ниже точки a стремится избавиться от избытка растворенного компонента B. При старении закаленного сплава, в зависимости от температуры и продолжительности процесса, в пересыщенном растворе образуются участки, обогащенные легирующими элементами (зоны Гинье-Престона), дисперсные частицы промежуточных метастабильных фаз или выделяются стабильные фазы.

Упрочнение сплава происходит в результате закалки (благодаря образованию пересыщенного раствора) и, главным образом, при старении на стадиях образования зон и метастабильных фаз (дисперсионное твердение). На этих стадиях старения из-за высокой дисперсности продуктов распада микроструктура состаренного алюминиевого сплава под световым микроскопом обычно такая же, как и у закаленного сплава; выделения видны в электронном микроскопе.

Алюминиевые сплавы по технологии изготовления подразделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы

Область составов деформируемых сплавов простирается от алюминия до сплавов вблизи точки предельной растворимости (рис. 2). Эффект упрочнения как при закалке, так и при старении, тем больше, чем выше пересыщенность твердого раствора. Поэтому максимальной прочностью обладают сплавы, состав которых близок к точке предельной растворимости при эвтектической температуре (точке с).

Рис. 2. Области составов деформируемых и литейных алюминиевых сплавов

В литом состоянии главная структурная составляющая деформируемых сплавов – дендриты раствора a на базе алюминия. Под микроскопом обычно видны границы светлых дендритных ячеек, являющихся сечениями ветвей дендритов алюминиевого раствора. По этим границам располагаются двойные, тройные и более сложные эвтектики и фазы перитектического происхождения. Эвтектики в деформируемых сплавах появляются обычно из-за неравновесной кристаллизации (см. пунктирные линии на рис. 2). Во многих сплавах эвтектики, объемная доля которых мала, вырождены: по границам дендритных ячеек видны включения интерметаллидов эвтектического происхождения.

К избыточным фазам, образованным основными легирующими элементами и алюминием, относятся Mg₂Si, q(CuAl₂), S(Al₂CuMg), b(Al₃Mg₂), h(MgZn₂) и T(Al₂Mg₃Zn₃).

Силицид Mg₂Si встречается особенно часто, т.к. большинство сплавов содержат Mg в качестве легирующего элемента и примеси (реже – легирующего элемента) Si , причем Mg обладает большим сродством к Si. Силицид магния в эвтектике a+Mg₂Si имеет ярко выраженную скелетную форму. Если эвтектика вырождена, то видны тонкие, с ответвлениями кристаллы Mg₂Si черного цвета. Идентифицировать силицид Mg₂Si весьма просто, т.к. он в отличие от подавляющего большинства других фаз, невидимых или имеющих светлые оттенки на нетравленом шлифе, сильно травится при мокрой полировке, приобретая цвета от голубого до черного (в зависимости от степени окисления).

Большинство сплавов содержат в качестве легирующей добавки Mn и неизбежные примеси Fe и Si. Поэтому в структуре слитков можно встретить граненые, ромбовидные светлые кристаллы Al₆Mn с «выеденной» сердцевиной, слегка темноватые иголки FeAl₃ и, особенно часто, сложную составляющую переменного состава (Al,Fe,Mn,Si). Эта составляющая встречается в характерной форме «китайского шрифта» или в виде пластин с неправильными очертаниями.

Структуры отожженных и закаленных деформированных полуфабрикатов из разных сплавов более однообразны по сравнению со структурами слитков. Все они состоят из разноосных или вытянутых зерен алюминиевого раствора и мелких включений избыточных фаз. К последним относятся остатки фаз-упрочнителей, не полностью перешедших в алюминиевый раствор при гомогенизации слитков и нагреве под закалку полуфабрикатов, и включения (часто строчечные) нерастворимых в твердом Al железосодержащих и других фаз. Эти включения обычно не имеют характерных форм, наблюдаемых в литых сплавах, т.к. они дробятся при обработке давлением. Отдельные нерастворимые фазы не дробятся и сохраняют присущую им форму граненых включений. Идентификация фаз, имеющих на травленом шлифе вид мелких точечных включений, весьма затруднена. Легко идентифицировать лишь включения Mg₂Si, т.к. они выделяются на светлом фоне нетравленого шлифа своим темным (до черного) цветом.

Деформируемые сплавы подразделяются на термически неупрочняемые(не подвергаемые закалке и отпуску) и термически упрочняемые.