az91鎂鋁合金中-hcpbcc相界面的研究

az91鎂鋁合金中-hcpbcc相界面的研究

由于鎂合金具有輕重、強(qiáng)度高、剛度高、減壓性能好、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的“綠色材料”。這是汽車工業(yè)材料的又大未能用。而FCC/BCC(面心立方/體心立方)和HCP/BCC(密排六方/體心立方)是金屬材料中2類常見的相界面,與前者相比,對后者的研究較少。HCP/BCC相界面是HCP?BCC相變的產(chǎn)物,已有的關(guān)于此類相界面微觀結(jié)構(gòu)的研究大多集中在Zr-Nb和Ti-Cr合金系中。關(guān)于Mg-Al合金中HCP/BCC相界面微觀結(jié)構(gòu)的研究很少。Porter等發(fā)現(xiàn)該界面上存在間距為4～10nm的線狀特征,認(rèn)為那是界面位錯(cuò)。文獻(xiàn)對AZ91合金中板條析出相的HCP/BCC相界面做過高分辨電鏡觀察,但未有明確的結(jié)論。作者曾詳細(xì)研究了AZ91鎂鋁合金中HCP→BCC相變生成的γ-Mg17Al12析出相(BCC結(jié)構(gòu))的形態(tài)、時(shí)效強(qiáng)化效果和晶體學(xué)特征,在本研究中采用常規(guī)和高分辨透射電子顯微鏡進(jìn)一步研究該析出相與富鎂基體間的HCP/BCC相界面微觀結(jié)構(gòu)。1透射電鏡ls采用挪威的AZ91鎂鋁合金,其成分為:9%Al,0.8%Zn,0.2%Mn,其余為Mg。將合金用電火花切割成0.9mm的薄片后密封在充有少量氬氣的耐熱玻璃管中,經(jīng)425℃,24h的固溶處理后水淬,然后在200℃的油爐中分別時(shí)效8h和48h(延長時(shí)效時(shí)間只是為了得到便于觀察的粗大析出相,其形態(tài)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及晶格常數(shù)未變;但時(shí)效超過24h后,時(shí)效硬度從峰值85HV緩慢下降)。用電解雙噴減薄儀制備透射電鏡試樣,電解液的成分為:氯化鋰5.3g,高氯酸鎂11.16g,甲醇500mL,2-丁氧基乙醇100mL,工作溫度-45℃,電流為0.15A。采用加速電壓分別為200kV和800kV的PhilipsCM20常規(guī)透射電鏡和JEOL高分辨透射電鏡進(jìn)行組織和相界面結(jié)構(gòu)觀察。2結(jié)果與分析2.1-mg17al12的相結(jié)構(gòu)200℃時(shí)效生成3種具有不同形態(tài)和晶體學(xué)特征的平衡γ-Mg17Al12析出相如表1、圖1所示。其中第1類占析出相總量的90%以上?；w是富鎂α-相,屬HCP結(jié)構(gòu),a=0.319nm,c=0.518nm;γ-Mg17Al12析出相是α-Mn型的BCC結(jié)構(gòu),a=1.05797nm,晶胞內(nèi)含有58個(gè)原子。電子衍射結(jié)果表明,3種γ-Mg17Al12析出相及其變體均具有相同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù);文獻(xiàn)已指出,即使在較低的時(shí)效溫度下,AZ91合金在析出相變的最初階段,也沒有發(fā)現(xiàn)γ-Mg17Al12析出相的過渡相或GP區(qū);該合金中惟一的析出相是平衡的γ-Mg17Al12。關(guān)于γ-Mg17Al12析出相的多變體和多重位向關(guān)系現(xiàn)象已在文獻(xiàn)中作了報(bào)道。由表1看出,第1類析出相以鎂基體的基面為慣習(xí)面,而第2、3類則以棱柱面為慣習(xí)面。雖然3種析出相都是條狀的,但其軸線位向不同:第1類與基面平行,第2類與基面正交,而第3類與基面斜交。雖然第2、3類的軸線夾角僅16°但是其軸線指數(shù)卻相差很遠(yuǎn),前者是γ//α,后者為γ16°→α。3種位向關(guān)系中,第2種(Crawley關(guān)系)的對稱性最好,但第1種(Burgers關(guān)系)由于是兩相中的密排晶面和密排晶向各自平行而具有最佳的匹配,而第3種(Porter關(guān)系)無論是對稱性還是匹配性都最差。圖1(a)是在基體的α位向下攝取的,其中3種析出相的軸線位向清楚可見。由于第1種析出相的軸線平行于基面(0001)α,所以在所謂“a軸”位向下(圖1(a))全部第1類析出相都彼此平行排列,雖然它們在所謂“c軸”位向下(圖1(b))取不同的方向(共6個(gè)方向)。圖1(b)中示出了第2種析出相的六邊形橫截面。2.2ge-系統(tǒng)界面moicae由于析出相顆粒較小,所以至少有一側(cè)(0001)α//(110)γ界面(慣習(xí)面)被嵌于基體內(nèi),產(chǎn)生晶體重合現(xiàn)象。因此,在α//γ電子束位向下進(jìn)行高分辨觀察時(shí),在晶體重合區(qū)域內(nèi),兩相中1對平行或近似平行、并且與入射電子束平行的晶面將產(chǎn)生Moire干涉條紋。這種干涉條紋妨礙了單相晶格像的顯示。圖2中右上方便是這樣的區(qū)域,其中較粗的條紋便是基體中的(1ˉ100)α與析出相中另一個(gè)與入射電子束平行、且與(1ˉ100)α也近似平行的晶面結(jié)對產(chǎn)生的Moire干涉條紋。文獻(xiàn)表明,第1類析出相的F2界面在α//γ位向下處于Edge-on狀態(tài),即與入射電子束平行;根據(jù)Moire干涉條紋的產(chǎn)生原理及其與界面位向的關(guān)系可知,上述Moire干涉條紋平行于該F2界面,從而顯示出該界面的真實(shí)位向。圖2中的干涉條紋與(1ˉ100)α晶格條紋的夾角為12.8°,表示F2偏離(1ˉ100)α12.8°,與實(shí)測結(jié)果一致;該干涉條紋的間距為1.875nm,也與計(jì)算值相符。圖3(a)所示是第1類析出相的(0001)α//(110)γ界面(慣習(xí)面)在[ˉ2110]α//[1ˉ11]γ位向下的高分辨像。計(jì)算表明,{330}γ晶面的衍射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于{110}γ和{220}γ晶面的衍射強(qiáng)度,所以圖3(a)顯示的是{330}γ而非{110}γ的晶格像。由圖3(a)看出,(0002)α與(330)γ嚴(yán)格平行(面間錯(cuò)配度4%),“剛性”貼近,即界面上未發(fā)生兩相原子面的馳豫現(xiàn)象。對接于該慣習(xí)面上的另外2組晶面,(01ˉ11)α//(033)γ和(0ˉ111)α//(30ˉ3)γ是等效的,面間錯(cuò)配度和面間夾角分別是2%和1.9°,配合得也非常好。因此,該界面的應(yīng)變能(界面能)較低。圖3(b)所示是在?ˉ2110?α位向下攝取的第1類析出相2個(gè)變體的高分辨像,它包括3個(gè)區(qū)域,上方是基體α,左下方和右下方分別是彼此對接著的2個(gè)析出相變體γ1和γ2。γ1的位向仍然是γ,而γ2的位向則靠近[1ˉ15]γ?但二者都與基體保持Burgers位向關(guān)系,且慣習(xí)面也都是(0002)α//(330)γ。γ1和γ2中形成了彼此平行的(330)γ晶格像;由于γ1被基體覆蓋而呈現(xiàn)Moire條紋,而γ2則沒有。γ1/α界面上示出了(0002)α與(330)γ晶面對接排列的情況,可見二者幾乎完全匹配,未見馳豫現(xiàn)象;而γ2/α界面,即(0002)α//(330)γ界面上則示出了這2個(gè)晶面與圖3(a)類似的“剛性”并列情況。2.3形態(tài)結(jié)構(gòu)界面匹配度圖4所示為第2類析出相的(01ˉ10)α//(ˉ110)γ界面(慣習(xí)面)在[2ˉ110]α//[11ˉ2]γ位向下的高分辨像。其中(0002)α與(222)γ在界面上對接,此(0002)α//(222)γ實(shí)際上是析出相六棱柱的端界面。(222)γ的面間距為0.305nm,(0002)α的面間距為0.261nm,所以7個(gè)(0002)α晶面間距約相當(dāng)于6個(gè)(222)γ晶面間距。圖4中標(biāo)出了7個(gè)這樣的間距。即在每6個(gè)(222)γ晶面距離內(nèi),便有一個(gè)多余的(0002)α晶面,界面上應(yīng)變(錯(cuò)配度)較大(15%)。為了降低其上的應(yīng)變,該界面發(fā)生馳豫,使應(yīng)變集中到多余原子面附近,形成界面錯(cuò)配度位錯(cuò),而在多余原子面之間則是匹配較好(共格程度較高)的區(qū)域。馳豫結(jié)果使整個(gè)界面成為部分共格相界面。圖4中箭頭所指部位原子面匹配較差,它們便是界面上應(yīng)變集中處,即錯(cuò)配度位錯(cuò)所在位置。此外,(011ˉ0)α//{3ˉ30}γ的面間錯(cuò)配度也達(dá)到11%?？梢?第2類析出相的界面匹配程度遠(yuǎn)比第1類的差,因此,其界面應(yīng)變能(界面能)也遠(yuǎn)比第1類的高。值得指出的是,雖然第3類析出相的慣習(xí)面與第2類的相同,即同為(011ˉ0)α//{3ˉ30}γ,但對接于其上的晶面(接近(0002)α//(115ˉ)γ)的面間錯(cuò)配度比第2類的還要差。另外,由于第3類析出相的數(shù)量很少(比第1,2類的都少),而且對此類析出相進(jìn)行高分辨電鏡觀察的幾何條件較苛刻,所以對該析出相界面的高分辨觀察比較困難。具體而言,對第2,3類析出相,僅當(dāng)界面(011ˉ0)α//{3ˉ30}γ與入射電子束平行時(shí)才能進(jìn)行高分辨圖像觀察;第2類析出相有3組這樣的界面,而第3類只有1組(表1),所以即使能遇上第3類析出相,其位向也不一定適合高分辨觀察。2.4+0第2類出相來源及其影響因素AZ91的時(shí)效強(qiáng)化效果不顯著,與占析出相總量90%以上的第1類析出相的形態(tài)和晶體學(xué)位向有關(guān)。一方面,這類析出相雖然較多,但顆粒比較粗大,其時(shí)效強(qiáng)化自然較差。更重要的是,這類析出相是分布在鎂的(0001)基面內(nèi)的,而鎂在常溫下的滑移面也是(0001)基面,因此這類析出相顆粒不能有效地阻礙位錯(cuò)在基面上的滑移,時(shí)效強(qiáng)化效果欠佳。相反,第2,3類析出相由于是與基面垂直或近似垂直的,所以有利于阻礙位錯(cuò)的基面滑移,即有利于時(shí)效強(qiáng)化,但是其數(shù)量卻太少。然而析出相的界面結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)特征均有利于第1類析出相的析出,而不利于第2,3類的析出。根據(jù)電鏡觀察和進(jìn)一步的計(jì)算發(fā)現(xiàn),第1類析出相以其軸線平行于相變不變線(相變應(yīng)變?yōu)?的晶向),相變應(yīng)變能較小;并且其應(yīng)變能(界面能)較小,所以其析出密度最大。第2類析出相雖然具有對稱性很好的Crawley位向關(guān)系,但其應(yīng)變能(界面能)較大,且其軸線不是相變不變線方向,所以其生成幾率遠(yuǎn)比第1類的小。第3類析出相的情況與第2類的相似,并且其位向關(guān)系的對稱性更差,所以其生成幾率比第2類的還要小。這些推論都與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致。因此,如何通過合金化和熱處理增加第2,3類析出相的析出密度并使之細(xì)化,同時(shí)抑制第1類析出相的析出,應(yīng)是提高這類合金時(shí)效強(qiáng)化效果的有效途徑之一,也是一個(gè)值得進(jìn)一步深入研究的課題。關(guān)于3種析出相與相變不變線關(guān)系的問題,文獻(xiàn)已作過相關(guān)的報(bào)道。文獻(xiàn)表明,HCP→BCC析出相的不變線都與基面(0001)平行,即那些受不變線應(yīng)變控制的板條狀析出相,其軸線在基面內(nèi)。第1類析出相即屬此。第2,3類析出相因其軸線是與基面正交或斜交的(見表1),因此目前看來都不符合不變線應(yīng)變原則。不過,作為理論探討的題目,作者正在考慮不同合金系中可能存在的相變不變線的多重性問題。3第2類所示相的慣習(xí)面1)第1類析出相的慣習(xí)面由彼此平行的{330}γ和(0002)α剛性并列而成,慣習(xí)面本身以及對接于其上的另2組主要晶面的面間錯(cuò)配度都很小(4%和2%),因此該慣習(xí)面是個(gè)低能量的界面。2)第2類析出相的慣習(xí)面(011ˉ0)α//(3ˉ30)γ上每6個(gè)(22