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D. Tolnai:
"3D characterization of microstructure evolution of cast AlMgSi alloys by synchrotron tomography";
Supervisor, Reviewer: G. Requena, A. Borbély; E308, 2011; oral examination: 08-28-2011.

Cast AlMgSi alloys are well established for automotive and aerospace industry.
These alloys are multiphase materials containing a rigid eutectic phase of Mg2Si embedded
in the ductile -Al matrix. This system acts like a composite material where
the internal architecture of the eutectic phase plays a vital role in the macroscopic
behaviour. Extensive studies have been performed before to reveal the relation between
the morphology of the eutectic microstructure and the mechanical properties
of the material. Through the internal architecture, which can be modi ed by varying
the casting conditions or applying heat treatments, the mechanical properties of the
material can be tailored. To follow and quantify the changes in the microstructure
the application of a non destructive 3D imaging technique is necessary.
The aim of this work is to study the evolution of the microstructure of two cast
AlMgSi alloys: an AlMg7.3Si3.5 alloy, with an Mg:Si ratio above the stoichiometric
Mg2Si ratio and an AlMg4.7Si8 with an Mg:Si ratio below the stoichiometric Mg2Si
ratio. The development of the -Al dendrites and of the eutectic structure have
been followed and quanti ed by synchrotron tomography during in situ solidi cation
tests. The transformation of the eutectic Mg2Si morphology during solution heat
treatment was investigated by ex situ synchrotron tomography. The quantitative
results of the morphological changes are correlated with the changes in the elevated
temperature strength and hardness of the investigated materials.
The solidi cation of the alloys has been investigated by in situ synchrotron tomography
during continuous cooling from liquid to solid state in order to follow
the solidi cation sequence and thus study qualitatively and quantitatively the morphological
evolution of the solidifying phases. The analysis of the tomographies
shows that the dendritic growth of both alloys is characterized by a coarsening of
the secondary dendritic arms ending up in a droplet-like shape at the eutectic temperature.
This means that during solidi cation the smaller secondary dendrite arms
disappear, while the larger ones continue to grow resulting in the coalescence of the
secondary dendritic arms. The onset of the eutectic solidi cation takes place at the
interface in the liquid between -Al secondary dendritic arms. The volume fraction
of the eutectic Mg2Si particles increases during solidi cation, with a growth rate of
the largest Mg2Si particle higher than the average. The level of interconnectivity
of the eutectic Mg2Si phase shows a monotonic increase while the growing particles
coalesce. The solidi cation sequences of the phases are determined based on in situ
imaging and the Di erential Scanning Calorimetry results and are correlated with
thermodynamical simulations.
The evolution of the microstructure during solution heat treatment at 540 C was
investigated by means of Scanning Electron Microscopy and ex situ synchrotron
tomography. The eutectic Mg2Si phase, which presents a highly interconnected
structure in the case of both materials in as-cast condition, undergoes signi cant
morphological changes during solution heat treatment. This transformation is characterized
by a disintegration of the interconnected seaweed-like structure followed
by a spheroidisation of the disintegrated fractions of the eutectic branches. The
ternary eutectic Si resulting from the Si-surplus in AlMg4.7Si8 undergoes similar
changes. The morphological evolution during solution treatment is correlated with
results from elevated temperature compression tests at 300 C and room temperature
hardness tests. The eleveated temperature strength and the hardness of the
investigated alloys decrease during solution heat treatment as a consequence of the
loss of interconnectivity of the eutectic Mg2Si structure.

Der erstarrungsprozess der Legierungen wurde während des gesamten Abkühlvorganges vom flüssigen bis zum vollständig erstarrten Zustand mittels in situ synchrotron Tomographie analysiert. So konnte die Abfolge der Erstarrungsvorgänge
und die morphologische Entwicklung der erstarrenden Phasen lückenlos studiert werden.
Analysen der Tomographievolumen zeigen, dass das dendritische Wachstum
beider Legierungen durch eine Vergröberung der sekundären dendritischen Arme
charakterisiert ist, und diese Arme an der eutektischen Temperatur schlieÿlich eine
Tropenform annehmen. Während der Erstarrung verschwinden kleinere sekundäre
dendritische Arme während gröÿere kontinuierlich wachsen und sich letztlich vereinigen.
Die eutektische Erstarrung beginnt an der Grenz äche zwischen Schmelze und
den -Al sekundären dendritischen Armen. Der Volumenanteil eutektischer Mg2Si
Partikel steigt während der Erstarrung, wobei die Wachstumsrate der gröÿten Mg2Si
Partikel überdurchschnittlich hoch ist. Auÿerdem steigt während der Vereinigung
der wachsenden Partikel die Interkonnektivität der eutektischen Mg2Si Phase monoton.
Die Erstarrungsfolge der Phasen wurde aus Ergebnissen der in situ Bildaufnahmen
und Di erential Scanning Kalorimetrie ermittelt und mit thermodynamischen
Simulationen abgeglichen.
Die Entwicklung der Mikrostruktur während des Lösungsglühens bei einer Temperatur
von 540 C wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und ex situ Synchrotron
Tomographie untersucht. Im Gusszustand besitzt die eutektische Mg2Si
Phase bei beiden Legierungen eine hohe Interkonnektivität. Während des Lö-
sungsglühens erfährt die eutektische Mg2Si Phase jedoch signi kante morphologische
Umwandlungen in Form eines Zerfalles der interkonnektiven korallenartigen Struktur
gefolgt von einer Sphäroidisierung der Zerfallsprodukte. Ähnliche Umwandlungen
erfährt das tertiäre eutektische Si, das aufgrund des Si-Überschusses in der
AlMg4.7Si8 Legierung entsteht. Die morphologische Umwandlung während des Lö-
sungsglühens wurde mit Ergebnissen von Warmkompressionsversuchen bei 300 C
und Härteprüfungen bei Raumtemperatur abgeglichen. Die Härte und Warmfestigkeit
der untersuchten Legierungen sinken während dem Lösungsglühen als Folge
des Verlustes an Interkonnektivität der eutektischen Mg2Si Struktur.