6. Metodyka badań
6.4. Badania metalograficzne
Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie świetlnym Zeiss Axio Observer Z1m, przy powiększeniu 100x, 200x, 500x, 1000x w jasnym polu widzenia. Zgłady metalograficzne trawiono nitalem (4% roztw. HNO3 w alk. etylowym). Prowadzono również obserwacje mikroskopowe za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego SCIOS-FEG, FEI, sterując napięciem przyspieszającym 15kV oraz detektora: SE (ETD). Analizę lokalnego składu chemicznego EDS w wybranym mikroobszarze wykonano za pomocą mikroanalizatora rentgenowskiego EDS, EDAX. Wyniki analizy metalograficznej pokazano na rysunkach 48-70.
a b
Rysunek 48. Mikrostruktura odlewu piaskowego AZ91P: a), b) różne powiększenia.
Obrazy przedstawione na rysunkach 48 - 49 ujawniają mikrostrukturę pierwotną odlewu piaskowego, przy czym obraz pokazany na rys 49a został zarejestrowany przez skaningowy mikroskop elektronowy (SEM). Krystalizacja tego typu odlewu zachodzi wolniej niż w przypadku pozostałych odlewów z uwagi na bilans cieplny w układzie ciekły stop-materiał formy. W niejednorodnej mikrostrukturze widoczna jest wyraźna mikrosegregacja dendrytyczna składników stopu. W trakcie krzepnięcia odlewu w formie piaskowej występuje niestabilny front krystalizacji co powoduje że składniki o mniejszej rozpuszczalności w roztworze α-Mg przemieszczają się dalej od frontu krystalizacji. Charakterystycznym składnikiem mikrostruktury odlewu ze stopu AZ91 jest wieloskładnikowa eutektyka α+β, której morfologia zależy zarówno od składu stopu (w tym stężenia Al), jak również prędkości krzepnięcia. W mikrostrukturze widoczne są wydzielenia nieciągłe fazy Mg17Al12 o morfologii płytkowej (rys. 49a) oraz masywne wydzielenia fazy preeutektycznej, która ze względu na obecność cynku może być identyfikowana za pomocą wzoru podawanego w literaturze [67] Mg17Al11,5Zn0,5, lub Mg17(Al, Zn)12. Według autora publikacji [67,68]
α-Mg
α-Mg
Al8Mn5
Faza typu Mg17Al11,5Zn0,5 α+Mg17Al12
płytkowa morfologia wydzieleń fazy Mg17Al12 z wyraźną anizotropią wzrostu może być spowodowana kierunkową korelacją orientacji krystalograficznych z fazą α. Na rysunkach 50 i 51 pokazano widma energetyczne w poszczególnych mikroobszarach.
a b
Rysunek 49. a) Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego zarejestrowana przez skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), b) mikroanaliza rentgenowska (EDS) (AZ91 P).
a b
Rysunek 50, a) Widmo energetyczne mikroobszaru 1, b) mikroobszaru 2 z rysunku 49b.
Rysunek 51. Widmo energetyczne mikroobszaru 5 z rysunku 49b.
Analiza widma energetycznego w mikroobszarze 1 pozwala przypuszczać, że obecna jest w nim faza typu Mg17Al12, w której występują również atomy Zn podstawione do podsieci Al, zatem prawdopodobnie jest to Mg17Al11,5Zn0,5.Z koleiosnowę stopu stanowi roztwór stały α-Mg, co potwierdzają wyniki mikroanalizy w mikroobszarze 2. Natomiast, w mikroobszarze 5 stwierdzono obecność eutektyki Mg+Mg17Al12.
MgK 80,66 80,69
AlK 16,32 14,71
Element Weight % Atomic %
AlK 8,50 7,72
Element Weight % Atomic %
MgK 91,50 92,28
ZnK 5,10 2,03
MgK 58,53 62,80
AlK 36,37 35,17
Na rysunkach 52-54 przedstawiono mikrostruktury odlewu wykonanego do formy metalowej (kokili). Mikrostruktura na rysunku 53 przedstawia odlew wykonany do formy metalowej z udziałem ciśnienia zewnętrznego – prasowanego w stanie ciekłym (squeeze casting), a na rysunku 54 odlew półciągły.
a b
Rysunek 52. Mikrostruktura odlewu kokilowego a), b) różne powiększenia (AZ91Kokila).
a b
Rysunek 53. Mikrostruktura odlewu squeeze casting a), b) różne powiększenia (AZ91S.Q.).
a b
Na podstawie analizy obrazów stwierdzono różny stopień dyspersji mikrostruktury pierwotnej. Mniejszą dyspersję obserwowano w przypadku mikrostruktury odlewu piaskowego przedstawionego wcześniej na rysunkach 48a i b. W odlewach widoczna jest mikrosegregacja dendrytyczna w roztworze stałym α-Mg oraz granice ziaren dendrytycznych. Stopień mikrosegregacji dendrytycznej w przypadku odlewów wykonanych w formach metalowych (rys. 52–54) jest inny niż w przypadku odlewu piaskowego (rys 48a, b). Rozdrobniona mikrostruktura ma bardziej jednorodny charakter. Wynika to z bilansu ciepła w układzie materiał formy – stop i z większej prędkości krzepnięcia. Miarą rozdrobnienia są wartości odległości ramion dendrytycznych I rzędu DAS (ang. Dendrite Arm Spacing) oraz II rzędu SDAS (ang. Secondary Dendrite Arms Spacing). Wartości tych parametrów są mniejsze w odlewach kokilowych.
Na rysunkach 55–57 widoczna jest mikrostruktura odlewu piaskowego wyciskanego metodą konwencjonalną ze stopniami przerobu: λ=16, 25 i 45. Zwraca uwagę wyraźnie włóknista struktura składająca się z elementów wydłużonych w kierunku wyciskania. Na obrazach zarejestrowanych w powiększeniu 1000x (rys. 55b) zaobserwowano obecność regularnych i równoosiowych ziarn pomiędzy silnie wydłużonymi pasmami drugiej fazy. Przypuszczalnie ziarna te są skutkiem rekrystalizacji dynamicznej mającej miejsce w trakcie odkształcania w podwyższonej temperaturze.
a b
Rysunek 55. Mikrostruktura odlewu piaskowego po wyciskaniu metodą konwencjonalną ze stopniem przerobu λ=16 a), b) przekrój wzdłużny (AZ91p).
a b
Rysunek 56. Mikrostruktura odlewu piaskowego po wyciskaniu metodą konwencjonalną ze stopniem przerobu λ=25, a), b) przekrój wzdłużny (AZ91p).
a b
Rysunek 57. Mikrostruktura odlewu piaskowego po wyciskaniu metodą konwencjonalną ze stopniem przerobu λ=45 a), b) przekrój wzdłużny (AZ91p).
Rysunek 57 przedstawia mikrostrukturę odlewu piaskowego wyciskanego metodą konwencjonalną ze stopniem przerobu λ=45. Obecne w niej pasma są krótsze i pofragmentowane, w porównaniu do widocznych na rysunkach 55-56 pasm ciągłych.
Ocenie jakościowej poddano mikrostrukturę próbki odlewu piaskowego wyciśniętego metodą KOBO ze stopniem przerobu: λ=16, 25, 44,4 i 100. Mikrostrukturę pokazano na rysunkach 58–61 oraz 65-66a. W wyniku odkształcenia plastycznego realizowanego w warunkach procesu wyciskania metodą KOBO mikrostruktura pierwotna uległa zmianie w mikrostrukturę pasmową ściśle związaną z kierunkiem wyciskania (ang. extrusion direction - ED). Anizotropowość struktury dotyczy zarówno roztworu stałego, jak również dwufazowej eutektyki i fazy preeutektycznej (powstała struktura pasmowa).
a b
Rysunek 58. Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=16 i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz, a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny (próbka XXIII 91 P P.6–obserwacje w środkowej części prasówki).
a b
Rysunek 59. Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=25, i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz, a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny (próbka XXII, 91 P P.4-obserwacje w środkowej części prasówki).
a b
Rysunek 60. Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=44,4 i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny (próbka XX, 91 P P.2- obserwacje w środkowej części prasówki).
Zarówno pasmowość mikrostruktury obserwowana w przekroju wzdłużnym, jak i zawirowania płynięcia widziana w przekroju poprzecznym towarzyszy silnemu rozdrobnieniu ziarna. Widać to szczególnie w momencie porównania średniej wielkości ziarna w strukturze odlewu piaskowego wyciskanego konwencjonalnie i odlewu piaskowego wyciskanego metodą KOBO z podobnym stopniem przerobu λ=44,4. Zmierzona metodą siecznych średnia wielkość ziarna wynosi odpowiednio 13,46μm i 2,08μm.
Mikroanaliza EDS próbki zaprezentowana na rysunkach 62 i 66b, pozwala ocenić, jak rozkładają się poszczególne elementy mikrostruktury pierwotnej, także po odkształceniu plastycznym. Na rysunkach 63-64 pokazano widma energetyczne w poszczególnych mikroobszarach stopu AZ91wyciskanego metodą KOBO z λ=44,4.
a b
Rysunek 61. Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=44,4 i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz, zarejestrowana
przez skaningowy mikroskop elektronowy (SEM): a), b) różne powiększenia (próbka 91 P P.2).
Rysunek 62. Mikroanaliza rentgenowska (EDS) próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=44,4 i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz
a b
Rysunek 63.a) Widma energetyczne mikroobszaru 1, b) mikroobszaru 3 z rysunku 62.
a b
Rysunek 64.a) Widma energetyczne mikroobszaru 4, b) mikroobszaru 5 z rysunku 62.
Na podstawie analizy widma energetycznego mikroobszaru 1 stwierdzono, że jest w nim obecna faza typu Mg17Al12, ale ze względu na obecność cynku może to być, tak jak w strukturze pierwotnej Mg17Al11,5Zn0,5, która w wyniku odkształcenia plastycznego sytuuje się w pasmach, ulega rozdrobnieniu i globularyzacji (rys. 61b). Analiza mikroobszaru 3 (rys. 63b) pozwala uznać ten element mikrostruktury za fazę Mg2Si (pozostałość po materiale formy). W obrazie pokazanym na rysunku 61a mikroobszar ten jest reprezentowany przez duży, regularny obiekt o nie zmienionej w wyniku odkształcenia morfologii. Wyniki analizy w mikroobszarach 4 i 5 wskazują na obecność w nich roztworu α-Mg (rys. 64 a, b).
a b
Rysunek 65. Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=100 i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz, a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny (próbka XXV, 91P. P.7- obserwacje w środkowej części prasówki).
AlK 8,85 8,04
Element Weight % Atomic %
MgK 91,15 91,96
ZnK 4,07 1,61
MgK 62,80 66,69
AlK 33,13 31,70
Element Weight % Atomic %
AlK 1,69 1,60
SiK 32,84 29,79
Element Weight % Atomic %
MgK 65,47 68,61
Element Weight % Atomic %
MgK 91,25 91,88
a b
Rysunek 66. a) Mikrostruktura próbki odlewu piaskowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=100 i częstotliwością obrotu matrycy f=6Hz, b) mikroanaliza
rentgenowska (EDS), (AZ91p XXV).
a b
Rysunek 67. a) Widmo energetyczne mikroobszaru 3,b) mikroobszaru 6 z rysunku 66b.
Zgodnie z analizą widma w mikroobszarach 3 i 6 pokazanych na rysunku 67a, b stwierdzono obecność fazy Mg17Al12, usytuowanej w pasmach (rys. 66).
Obrazy mikrostruktur pozostałych odlewów zaprezentowane zostały na rysunkach 68-70. Warto zwrócić uwagę na wspólną cechę wszystkich odlewów poddanych odkształceniu plastycznemu metodą KOBO. Niezależnie od stanu wyjściowego wlewka w przekroju poprzecznym zaobserwowano zawirowania płynięcia plastycznego. Wynikają one z dodatkowego cyklicznego obrotu matrycy.
Element Weight % Atomic %
ZnL 4,00 1,60
MgK 60,00 63,80
AlK 36,10 34,70
Element Weight % Atomic %
ZnL 3,98 1,57
MgK 62,50 66,27
a b
Rysunek 68. Mikrostruktura próbki odlewu kokilowego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=25 i częstotliwością obrotu matrycy f=3Hz a) przekrój
wzdłużny, b) przekrój poprzeczny (próbka VII, Kokila P.3).
a b
Rysunek 69. Mikrostruktura próbki odlewu squeeze casting: λ=25, f=3Hz a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny (VIII 91 S P.3).
a b
Rysunek 70. Mikrostruktura próbki odlewu półciągłego ze stopu magnezu AZ91 po wyciskaniu metodą KOBO ze stopniem przerobu: λ=25 i częstotliwością obrotu matrycy f=3Hz a) przekrój
Największy potencjał kształtowania struktury odlewniczej, metoda wyciskania KOBO wykazała względem próbki odlewu piaskowego. Ponieważ spośród wszystkich próbek jej mikrostruktura ma charakter najbardziej niejednorodny (uwypuklona mikrosegregacja dendrytyczna, porowatość, zanieczyszczenia), dlatego wybrano ją do porównawczych prób wyciskania konwencjonalnego, wyciskania metodą KOBO ze stopniem przerobu λ=100 oraz do badań nadplastyczności.