Effect of Natural Ageing on an Al-Cu-Mg-Si Alloy: A Transmission Electron Microscopy Study

Abstract

Effekten av naturlig elding på utfelling av presipitater i en udeformert Al-Cu-Mg-Si legering ble undersøkt ved ulike teknikker i transmisjonselektronmikroskopi (TEM). Målet med studiet var å relatere presipitatstatistikk, morfologi og krystallstruktur med legeringens makroskopiske egenskaper, mer spesifikt hardheten. Liknende studier har blitt gjort på denne legeringen tidligere, men da på deformerte materialer. Varmebehandling ble gjennomfort med og uten naturlig elding (lagring ved romtemperatur). To prøver ble lagret ved romtemperatur i 20 timer før de ble plassert i en ovn for kunstig eldning, mens to prøver var plassert i ovnen direkte. Den kunstig eldningstiden var enten 6 timer (undereldet) eller 48 timer (utherdet til maks styrke) for disse prøvene. Disse fire tilstandene ble undersøkt med TEM. Lysfeltsavbildning, mørkefeltsavbilding og konvergent elektrondiffraksjonsavbildning ble brukt for å samle presipitatstatistikk og studere morfologien til presipitatene. Høyopplost TEM (HRTEM), høyvinkel annulær mørkefeltsveipetransmisjonselektronmikroskopi (HAADF-STEM), og sveipepresesjonselektrondiffraksjon (SPED) ble brukt for å undersøke krystallstrukturen i presipitatene. SPED ble også brukt for å kartlegge tøyning i materialet rundt presipitatene.

Det ble vist at tilstandene med naturlig elding hadde lavere hardhet. Dette er kjent som den negative effekten av naturlig elding og det var spesielt tydelig i de undereldede tilstandene. Dette ble relatert til en lavere volumfraksjon av presipitatene, i tillegg til lavere antallstetthet og kortere lengder. Størrelsesforholdet av tversnittsarealet til presipitatene ble målt og resultatene viste at tilstandene med naturlig elding hadde mer plankeformede presipitater, mens tilstandene uten naturlig elding hadde mer sylinderformede presipitateter. I tillegg ble det i tilstandene med naturlig elding funnet at størrelsesforholdet økte når tversnittsarealet økte. Resultatene fra faseidentifikasjon med HRTEM, HAADF-STEM og SPED viste at L fasen dominerte i tilstandene som ble utherdet til maks styrke, bortsett fra to β’’ presipitater som ble funnet ved nærmere analyse av SPED-dataene. Kartlegging av tøyning viste en tydelig forskjell i tøyningsfeltene rundt L fasen og β’’ fasen.

The effect of different natural ageing times on precipitate evolution in an undeformed Al-Cu-Mg-Si alloy has been investigated by a variety of transmission electron microscopy (TEM) techniques. The study aimed to relate precipitate quantification, morphology, and crystal structure to the alloy’s macroscopic properties, specifically its hardness. Similar research on this alloy has been done before but in that case with deformation. Heat treatments with and without natural ageing were conducted. Two samples were stored at RT for 20 hours before being placed in an oven for artificial ageing, while two samples were directly aged. The artificial ageing times for these samples were either 48 hours (peak-age) or 6 hours (underaged). These four conditions were investigated by TEM. Bright field, dark field and convergent beam electron diffraction imaging were used to collect precipitate statistics and study their morphology. High resolution TEM (HRTEM), high angle annular dark field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM), and scanning precession electron diffraction (SPED) were utilized to investigate precipitate crystal structures. SPED was also used for strain mapping.

It was found that the naturally aged samples exhibited a reduced hardness, also known as the negative effect of natural ageing, and this was especially prominent in the underaged conditions. This was related to a decreased volume fraction, number density and length of the precipitates. The aspect ratio of precipitate cross-sections was measured and the results showed that the naturally aged conditions had more lath-shaped precipitates, while the directly aged conditions had more rod-shaped precipitates. Moreover, it was discovered for the naturally aged conditions that the aspect ratio increased as the cross-section area increased. Phase identification with HRTEM, HAADF-STEM and SPED showed that most of the precipitates in the peak-aged conditions were the L phase, except for two β’’ precipitates found with non-negative matrix factorization. The strain maps showed a clear difference in the strain fields surrounding the L phase and the β’’ phase.