一种6XXX系铝合金微观组织演变的表征方法

一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法
技术领域
1.本发明涉及铝合金材料的微观组织演变表征技术领域，具体是一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法。


背景技术：

2.轻量化材料的开发和应用是实现汽车轻量化最直接有效的方法。铝合金作为轻量化材料，可为汽车减重30-60％，被国内外车企广泛采用。因此，铝合金越来越成为汽车制造商轻量化的首选材料。6xxx系铝合金，由于具有优异的成型性能、可加工性以及耐腐蚀性而成为汽车用零部件的首选铝合金材料。
3.从6xxx系铝合金的工业生产角度，均匀化热处理是必不可少的一道工序。al-mg-si-cu-mn-cr铝合金是其中一种6xxx系铝合金，铸态al-mg-si-cu-mn-cr铝合金基体中的第二相主要包含初生mg2si、α-al(femn)si富铁相及四元q相；此外存在大量元素偏析的现象，因而需对铸态合金进行均匀化热处理，其目的是消除铸态合金中元素微观偏析，将初生mg2si回溶基体，将大尺寸、连续分布α-al(femn)si转变为小尺寸、断续分布，改善材料的成型性能，在铝基体中形成弥散分布的纳米析出相α-al(mncr)si，提高合金抗再结晶能力等。传统上，分析均匀化热处理效果的表征手段主要是hf溶液腐蚀、epma或tem。其中，hf溶液腐蚀的方法因其高效快捷而在当前工业生产中广泛应用，但该方法存在表征精度差的问题；epma或tem表征方法虽能精确反应合金均匀化热处理前后的组织转变，但这些方法周期很长且成本很高，因而更多应用在科研分析中。
4.近来，许多研究将彩色腐蚀应用于铸铁和碳钢，阐释颜色变化与材料性能之间的关系，结果表明颜色的不同能够量化显示合金化学组分的变化。基于此，有必要发明一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法，通过应用新型腐蚀液对铸态和均匀化态al-mg-si-cu-mn合金进行彩色腐蚀，表征微观组织演变和相的转变，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有6xxx系铝合金微观组织演变的表征手段精度差、周期长、成本高的问题，提供了一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法。
6.本发明是采用如下技术方案实现的：
7.一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法，所述方法包括如下步骤：
8.步骤s1：彩色腐蚀液的配置：所述彩色腐蚀液是由如下质量份数的原料组成的：高锰酸钾5份，氢氧化钠1份，蒸馏水100份；
9.步骤s1.1：按照选定的质量份数称取高锰酸钾、氢氧化钠、蒸馏水；
10.步骤s1.2：在室温条件下，将高锰酸钾、氢氧化钠依次加入蒸馏水中，并搅拌，搅拌时间为足以使高锰酸钾、氢氧化钠充分溶解，得到彩色腐蚀液；
11.步骤s1.3：将步骤s1.2配制得到的彩色腐蚀液装入棕色广口瓶中，常温保存，备用；保存过程中应避免阳光直射；
12.步骤s2：处理6xxx系铝合金样品的其中一个表面，使得该表面达到金相观察条件；
13.步骤s3：将6xxx系铝合金样品放置于彩色腐蚀液中，静置4.5s～5.5s后取出，放置时使得6xxx系铝合金样品达到金相观察条件的表面与彩色腐蚀液充分接触；
14.该彩色腐蚀操作在通风橱内进行；
15.步骤s4：利用蒸馏水清洗6xxx系铝合金样品，以去除6xxx系铝合金样品表面的彩色腐蚀液；
16.步骤s5：利用金相显微镜观察6xxx系铝合金样品的微观组织，并拍摄。
17.优选的，步骤s2中所述的6xxx系铝合金样品是由如下质量百分比的原料组成的：0.8％～1.2％的mg，0.7％～1.3％的si，0.1％～0.6％的cu，0.3％～0.8％的mn，小于0.2％的fe，0.1％～0.4％的cr，小于等于0.1％的ti，余量为al。
18.优选的，步骤s2中所述的6xxx系铝合金样品为6xxx系铝合金的铸态样品或6xxx系铝合金的均匀化态样品。
19.所述均匀化态样品为铸态样品经均匀化热处理后得到的样品。作为优选的，6xxx系铝合金的铸态样品和6xxx系铝合金的均匀化态样品的尺寸均为20mm
×
20mm
×
10mm。
20.当6xxx系铝合金的铸态样品和6xxx系铝合金的均匀化态样品为同一样品时，6xxx系铝合金的铸态样品经步骤s5后，首先对其表面进行处理，以去除第一次彩色腐蚀形成的腐蚀层，而后在均匀化热处理后选取该均匀化态样品的其中一个表面进行处理，使得该表面达到金相观察条件，即可进行步骤s3～步骤s5，由此实现6xxx系铝合金的均匀化态样品的表征。
21.优选的，当步骤s2中所述的6xxx系铝合金样品为6xxx系铝合金的均匀化态样品时，取均匀化热处理前的样品进行步骤s3～步骤s5，并将均匀化热处理前的样品的微观组织与6xxx系铝合金的均匀化态样品的微观组织进行比较，由此对均匀化热处理的效果进行评价。
22.本发明所述金相观察条件与本领域技术人员公知的金相观察条件相一致，并采用本领域技术人员公知的技术手段使样品达到金相观察条件。
23.本发明提供了一种全新的6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法，与现有方法相比，具有如下有益效果：
24.(1)本发明通过应用新型腐蚀液对铸态和均匀化态al-mg-si-cu-mn合金进行彩色腐蚀，表征微观组织演变和相的转变。铸态al-mg-si-cu-mn合金第二相主要包括初生mg2si、α-al(femn)si和四元q相。经腐蚀后，铸态合金组织呈现典型枝晶形貌且第二相清晰可辨；晶粒内不同色差显示溶质元素存在微观偏析；q相主要分布在枝晶臂间而mg2si和α-al(femn)si相沿晶界分布；在晶粒心部能观察到凝固过程中al3ti形成的异质形核位置。
25.对均匀化态al-mg-si-cu-mn合金进行彩色腐蚀，能够观察到α-al(mncr)si弥散相和无沉淀析出带(dfz)，晶内无色差表明溶质元素微观偏析现象已基本消除，同时也能观察到初生mg2si和α-al(femn)si相的回溶。
26.因而，彩色腐蚀是一种揭示铸态al-mg-si-cu-mn合金均匀化热处理过程中微观结构演变和相转变的有效且可靠的辅助方法，为al-mg-si-cu-mn-cr铝合金高效工业生产提供了关键技术。
27.(2)本发明将严格控制腐蚀时间为4.5s～5.5s，防止欠腐蚀和过腐蚀现象的发生，
并在腐蚀完成后立即进行水洗，去除6xxx系铝合金样品表面的彩色腐蚀液。
28.(3)本发明能够快捷、高效表征铸态al-mg-si-cu-mn-cr铝合金经均匀化热处理后微观组织演变和弥散相及无沉淀析出带分布情况，和传统所采用的hf腐蚀液表征方法效果相比，本发明腐蚀表征方法提高了表征精度，避免使用高成本长周期的tem观察手段；此外借助本发明腐蚀方法能够确定晶粒形核质点位置。本发明符合高强度铝合金的发展方向，为工业生产和应用提供了高效精准的表征手段。
附图说明
29.图1是本发明实施例2中al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品腐蚀前(a)与腐蚀后(b)的金相显微镜照片；
30.图2是本发明实施例3中al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品腐蚀前扫描电镜下单个晶粒的照片(b)和腐蚀后的金相显微镜照片(a)；
31.图3是本发明实施例4中制备al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品时的热处理工艺图；
32.图4是本发明实施例4中al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品经hf溶液腐蚀(a)和实施例1制备的彩色腐蚀液腐蚀(b)后的金相显微镜照片；
33.图5是本发明实施例4中al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品基体中弥散相的透射电镜照片(a)和能谱分析结果图(b)。
具体实施方式
34.下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
35.实施例1
36.本实施例提供了一种彩色腐蚀液的配置方法，所述彩色腐蚀液是由如下质量份数的原料组成的：高锰酸钾5份，氢氧化钠1份，蒸馏水100份；所述配置方法包括如下步骤：
37.步骤s1：按照选定的质量份数称取高锰酸钾、氢氧化钠、蒸馏水；
38.步骤s2：在室温条件下，将高锰酸钾、氢氧化钠依次加入蒸馏水中，并搅拌，搅拌时间为足以使高锰酸钾、氢氧化钠充分溶解，得到彩色腐蚀液；
39.步骤s3：将步骤s2配制得到的彩色腐蚀液装入棕色广口瓶中，常温保存，备用；保存过程中应避免阳光直射。
40.实施例2
41.本实施例提供了一种al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织演变的表征方法，并将该方法腐蚀前与腐蚀后的表征精度进行了对比，具体方法包括如下步骤：
42.步骤s1：通过机加工的方法获得尺寸为20mm
×
20mm
×
10mm的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品；所述al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品由如下质量百分比的原料组成的：1.1％的mg，1.06％的si，0.35％的cu，0.48％的mn，小于0.2％的fe，0.3％的cr，小于等于0.1％的ti，余量为al；
43.步骤s2：处理al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的其中一个表面，使得该表面达到金相观察条件；
44.步骤s3：利用金相显微镜观察al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织，并
拍摄，得到的金相显微镜照片如附图1(a)所示；
45.步骤s4：利用扫描电镜分析al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的第二相组织；第二相的能谱分析结果如表1所示；
46.表1：铸态al-mg-si-cu-mn-cr铝合金第二相eds结果
[0047][0048]
步骤s5：在通风橱中进行彩色腐蚀实验，具体过程如下：将al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品放置于实施例1制备的彩色腐蚀液中，静置4.5s后取出，放置时使得al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品达到金相观察条件的表面与彩色腐蚀液充分接触；
[0049]
步骤s6：利用蒸馏水清洗，以去除al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品表面的彩色腐蚀液；
[0050]
步骤s7：利用金相显微镜观察腐蚀后的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织，并拍摄，得到的金相显微镜照片如附图1(b)所示；
[0051]
根据表1中第二相eds结果可知，铸态al-mg-si-cu-mn-cr铝合金基体中的第二相主要包含初生mg2si、α-al(femn)si富铁相及四元q相。对比附图1(a)与附图1(b)可知，附图1(a)中仅能观察到铸态al-mg-si-cu-mn-cr铝合金基体中的初生mg2si、α-al(femn)si富铁相及四元q相；附图1(a)并不能反映元素偏析的情况以及晶界的轮廓；附图1(b)中不同色差反映了基体中合金溶质元素存在微观偏析现象，且能够清晰观察到在第二相周围存在明显的溶质元素贫乏区域。
[0052]
实施例3
[0053]
本实施例提供了一种al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织演变的表征方法，并将该方法的表征精度与扫描电镜的表征精度进行了对比，具体包括如下步骤：
[0054]
步骤s1：通过机加工的方法获得尺寸为20mm
×
20mm
×
10mm的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品；所述al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品由如下质量百分比的原料组成的：0.82％的mg，0.71％的si，0.15％的cu，0.38％的mn，小于0.2％的fe，0.3％的cr，小于等于0.1％的ti，余量为al；
[0055]
步骤s2：处理al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的其中一个表面，使得该表面达到金相观察条件；
[0056]
步骤s3：利用扫描电镜观察、分析al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织，并拍摄，得到扫描电镜下单个晶粒的照片如附图2(b)所示；并应用eds对晶粒中心处进行元素分析，结果如表2所示；
[0057]
表2：晶粒晶核位置eds结果
[0058][0059]
表2中数据表明，表明腐蚀后铸态合金晶粒中心元素偏析成分为al3ti，是本合金
熔炼过程中加入的细化剂al5tib之后形成的形核点；
[0060]
步骤s4：在通风橱中进行彩色腐蚀实验，具体过程如下：将al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品放置于实施例1制备的彩色腐蚀液中，静置4.9s后取出，放置时使得al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品达到金相观察条件的表面与彩色腐蚀液充分接触；
[0061]
步骤s5：利用蒸馏水清洗，以去除al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品表面的彩色腐蚀液；
[0062]
步骤s6：利用金相显微镜观察腐蚀后的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织，并拍摄，得到的金相显微镜照片如附图2(a)所示。
[0063]
附图2(a)能够清晰观察到铸态合金单个晶粒内部的枝晶形貌和晶界的轮廓；此外观察到不同色差反映铸态合金溶质元素存在微观偏析，在铸态合金腐蚀后微观组织中观察到晶粒中心部位存在显著微观偏析。附图2(b)能够清晰观察到晶粒的晶界区域、晶内的枝晶形貌和晶核的位置等信息。对晶粒中心位置进行元素分析，确定其成分为al3ti，进一步验证在合金熔炼过程中加入的细化剂al5tib起到预期的细化效果。
[0064]
对比附图2(a)与附图2(b)可知，金相显微镜照片图2(a)与扫描电镜图2(b)的对晶粒内部元素偏析和晶界及晶核位置的高度一致性，证明本实施例对铸态合金微观组织信息表征的高效性和准确性。
[0065]
实施例4
[0066]
本实施例提供了一种al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品的微观组织演变的表征方法，并将该方法与hf溶液腐蚀法进行了对比，具体包括如下步骤：
[0067]
步骤s1：制备al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸碇，所述al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸碇由如下质量百分比的原料组成的：1.2％的mg，0.86％的si，0.1％的cu，0.58％的mn，小于0.2％的fe，0.13％的cr，小于等于0.1％的ti，余量为al；
[0068]
步骤s2：对al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸碇进行均匀化热处理，热处理工艺如附图3所示，具体步骤如下：
[0069]
步骤s2.1：第一级均匀化处理在300℃的温度下进行，均匀化保温时间为7h，热处理炉升温速率为3℃/min；
[0070]
步骤s2.2：对铸锭进行第二级均匀化处理，第二级均匀化的温度为550℃，均匀化保温时间为10h；
[0071]
步骤s2.3：第二级均匀化处理完成之后，铸锭在出炉5min内进行冷却，铸锭冷却速率为12℃/min，铸锭冷却完成后在室温下放置；
[0072]
步骤s3：通过机加工的方法获得两块尺寸为20mm
×
20mm
×
10mm的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品；
[0073]
步骤s4：分别对两块al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品的其中一个表面进行处理，使得该表面达到金相观察条件；
[0074]
步骤s5：取第一块al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品在通风橱中进行hf溶液腐蚀实验，具体过程如下：将al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品放置于体积分数为0.5％的hf溶液中进行腐蚀，腐蚀时间为8s，而后取出；
[0075]
步骤s6：用蒸馏水清洗，以去除步骤s5腐蚀后al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品表面的hf溶液；
[0076]
步骤s7：利用金相显微镜观察第一块al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品的微观组织(弥散相分布)，并拍摄，得到的金相显微镜照片如附图4(a)所示；
[0077]
步骤s8：取第二块al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品在通风橱中进行彩色腐蚀实验，具体过程如下：将al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品放置于实施例1制备的彩色腐蚀液中，静置5.5s后取出，放置时使得al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品达到金相观察条件的表面与彩色腐蚀液充分接触；
[0078]
步骤s9：利用蒸馏水清洗，以去除步骤s8腐蚀后的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品表面的彩色腐蚀液；
[0079]
步骤s10：利用金相显微镜观察腐蚀后的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的微观组织(弥散相分布)，并拍摄，得到的金相显微镜照片如附图4(b)所示；
[0080]
步骤s11：用tem来鉴定al-mg-si-cu-mn-cr铝合金均匀化态样品中观察到的弥散相的形态和组成，结果如附图5(a)、附图5(b)所示。
[0081]
从附图4(a)能够看出，经hf溶液腐蚀后，均匀化态合金微观组织中能够观察到金属间化合物相、高密度弥散相和无沉淀析出带，但两者对比不够明显，在进行弥散相及无沉淀析出带(dispersoids free zone,dfz)区域面积统计时，数据不够精确，对后期理论分析不利。另一方面，hf溶液腐蚀后的金相显微镜微观组织结果无法对均匀化热处理效果及元素偏析情况进行反馈，未能提供关于均质化热处理后合金的更多信息。
[0082]
从附图4(b)能够看出，经实施例1制备的彩色腐蚀液腐蚀后，一方面，均匀化态合金微观组织清晰，合金晶界清晰可见，这在附图4(a)中没有显示；同时铸态合金中的原生mg2si和q相未观察到，表面它们在合金均匀化热处理过程回溶到集体中。另一方面，能够快速且准确区分弥散相和无沉淀析出带(dispersoids free zone,dfz)，同时能够更加精确统计弥散相及dfz区域面积，为后期理论分析提供精确数据。相比于实施例2中得到的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的附图1(b)和实施例3中得到的al-mg-si-cu-mn-cr铝合金铸态样品的附图2(a)，均匀化态合金经实施例1制备的彩色腐蚀液腐蚀后的微观组织中不存在颜色差异，表明在均匀化热处理过程中合金元素经过扩散使得元素偏析现象得到消除。
[0083]
从附图5(a)可以看出，弥散相主要包括两种形状：板状(中间的两个箭头标记)和立方体(位于左侧、位于右侧的箭头标记)。对合金中弥散相的tem图像的定量分析，确定其平均等效直径为121
±
23nm。附图5(b)显示了弥散相的eds结果，根据形态观察和成分分析，弥散相被确定为α-al(mncr)si弥散相。
[0084]
实施例5
[0085]
一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法，所述方法包括如下步骤：
[0086]
步骤s1：彩色腐蚀液的配置：所述彩色腐蚀液是由如下质量份数的原料组成的：高锰酸钾5份，氢氧化钠1份，蒸馏水100份；
[0087]
步骤s1.1：按照选定的质量份数称取高锰酸钾、氢氧化钠、蒸馏水；
[0088]
步骤s1.2：将高锰酸钾、氢氧化钠依次加入蒸馏水中，并搅拌，搅拌时间为足以使高锰酸钾、氢氧化钠溶解，得到彩色腐蚀液；
[0089]
步骤s1.3：将步骤s1.2配制得到的彩色腐蚀液装入棕色广口瓶中，常温保存，备用；
[0090]
步骤s2：处理6xxx系铝合金样品的其中一个表面，使得该表面达到金相观察条件；所述的6xxx系铝合金样品是由如下质量百分比的原料组成的：0.8％的mg，0.7％的si，0.1％的cu，0.3％的mn，0.05％的fe，0.1％的cr，0.03％的ti，余量为al。所述6xxx系铝合金为工业半连铸方法制备得到含有上述合金组分的铝合金铸锭。
[0091]
步骤s3：将6xxx系铝合金样品放置于彩色腐蚀液中，静置5.0s后取出，放置时使得6xxx系铝合金样品达到金相观察条件的表面与彩色腐蚀液充分接触；
[0092]
步骤s4：利用蒸馏水清洗6xxx系铝合金样品，以去除6xxx系铝合金样品表面的彩色腐蚀液；
[0093]
步骤s5：利用金相显微镜观察6xxx系铝合金样品的微观组织，并拍摄。
[0094]
实施例6
[0095]
一种6xxx系铝合金微观组织演变的表征方法，所述方法包括如下步骤：
[0096]
步骤s1：彩色腐蚀液的配置：所述彩色腐蚀液是由如下质量份数的原料组成的：高锰酸钾5份，氢氧化钠1份，蒸馏水100份；
[0097]
步骤s1.1：按照选定的质量份数称取高锰酸钾、氢氧化钠、蒸馏水；
[0098]
步骤s1.2：将高锰酸钾、氢氧化钠依次加入蒸馏水中，并搅拌，搅拌时间为足以使高锰酸钾、氢氧化钠溶解，得到彩色腐蚀液；
[0099]
步骤s1.3：将步骤s1.2配制得到的彩色腐蚀液装入棕色广口瓶中，常温保存，备用；
[0100]
步骤s2：处理6xxx系铝合金样品的其中一个表面，使得该表面达到金相观察条件；所述的6xxx系铝合金样品是由如下质量百分比的原料组成的：1.2％的mg，1.3％的si，0.6％的cu，0.8％的mn，0.19％的fe，0.4％的cr，0.1％的ti，余量为al。
[0101]
步骤s3：将6xxx系铝合金样品放置于彩色腐蚀液中，静置5.2s后取出，放置时使得6xxx系铝合金样品达到金相观察条件的表面与彩色腐蚀液充分接触；
[0102]
步骤s4：利用蒸馏水清洗6xxx系铝合金样品，以去除6xxx系铝合金样品表面的彩色腐蚀液；
[0103]
步骤s5：利用金相显微镜观察6xxx系铝合金样品的微观组织，并拍摄。
[0104]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。