有序合金中FCC→HCP相變溫度內(nèi)出現(xiàn)的缺陷

1、第35卷第1期1999年1月金屬學(xué)報(bào)ACTAMETALLURGICASINICAVol.35No.1January1999有序合金中FCCHCP相變溫度內(nèi)出現(xiàn)的缺陷陳奇志褚武揚(yáng)(北京科技大學(xué)材料物理系,北京100083)3顏慶云B.J.Duggan(香港大學(xué)機(jī)械工程系,香港)摘要利用TEM的高溫臺(tái)原位觀察了Fe3Ge的L12相在780(在700以上L12轉(zhuǎn)變?yōu)镈O19)出現(xiàn)缺陷的過(guò)程.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)首先形核的是外稟層錯(cuò),外稟層錯(cuò)比孤立的內(nèi)稟層錯(cuò)擴(kuò)展得快,并且擴(kuò)展得較寬,它們有可能長(zhǎng)大成為DO19相的核胚.Fe3Ge,FCC,HCP,外稟層錯(cuò),TEM關(guān)鍵詞中圖法分類號(hào)TG111.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)

2、0412-1961(1999)01-0001-05THEDEFECTSFORMEDBEFOREFCCHCPTRANSITIONINTHEINTERMETALLICCOMPOUNDFe3GeCHENQizhi,CHUWuyangDepartmentofMaterialsPhysics,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083A.H.W.Ngan,B.J.DugganDepartmentofMechanicalEngineering,TheUniversityofHongKong,HongKongCorrespondent:CHUW

3、uyang,professor,Tel:(010)62332906Manuscriptreceived1998-04-18,inrevisedform1998-09-14ABSTRACTThefaultingstagebeforeL12DO19transitionwasstudiedbyinsituheatingexperimentsinTEM.Manyextrinsicstackingfaultswereobservedinsitu.Theextrinsicstackingfaultsextendedfasterandbroaderthanintrinsicstackingfaultsat7

4、80.TheextrinsicstackingfaultswereidentifiedasembryosoftheproductDO19phase.KEYWORDSFe3Ge,FCC,HCP,extrinsicstackingfault,TEM在很多普通的無(wú)序合金中1-10,FCCHCP相變已有了較為深入、系統(tǒng)的研究.對(duì)于大多數(shù)無(wú)序合金,FCCHCP相變是通過(guò)內(nèi)稟層錯(cuò)的方式進(jìn)行的,即Shockley不全位錯(cuò)在FCC的111面上運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生ABC|BCABC堆垛(豎線代表層錯(cuò)面),層錯(cuò)面附近的相變(DO19結(jié)構(gòu))現(xiàn)象13.Ngan等人14在Fe3Ge的退火L12相中觀察到大量的內(nèi)稟層錯(cuò).因此有序合

5、金中的內(nèi)稟層錯(cuò)能否成為DO19的核胚,有序合金的FCCHCP相變動(dòng)力學(xué)與無(wú)序合金中的相變是否相同,O-C理論可否推廣到有序合金均需要加以驗(yàn)證,這正是堆垛次序BCBC是HCP結(jié)構(gòu)的堆垛方式,因此FCC結(jié)構(gòu)中的一個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)是一個(gè)HCP核胚.如果每隔一層111面產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò),則HCP核胚得以加厚,FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镠CP結(jié)構(gòu).Olsen和Cohen11在該相變機(jī)制基礎(chǔ)上提出了FCCHCP相變的核胚模型,并對(duì)臨界核胚尺寸做了定量計(jì)算(O-C理論).他們的結(jié)論在無(wú)序FCCHCP相變中得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)12.然而對(duì)于有序合金中的FCCHCP相變的研究還很少.有序合金Fe3Ge中也存在FCC(L12結(jié)構(gòu))HC

6、P3本研究工作的目的.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)所用的Fe3Ge在鈕扣感應(yīng)爐中熔煉(氬氣保護(hù)),反復(fù)熔煉若干次使合金成份宏觀均勻.X射線能譜(EDS)測(cè)試表明合金中Fe與Ge原子個(gè)數(shù)的比為31,背散射電子衍射(EBSD)測(cè)試合金結(jié)構(gòu)為DO19.DO19結(jié)構(gòu)的Fe3Ge在真空爐中,600保持30d,DO19相幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)12相.TEM樣品的制備方法同文獻(xiàn)14,原位高溫實(shí)驗(yàn)在JEM2000FX上完成,加速電壓為200kV,原位觀察溫度為780.本文采用的位錯(cuò)Burgers矢量定義與FS/RH規(guī)定相同.必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),文獻(xiàn)15中的Thompson規(guī)則(關(guān)于一個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)中二個(gè)偏位錯(cuò)分布次序的規(guī)律)國(guó)家自然科學(xué)基

7、金資助項(xiàng)目59771038收到初稿日期:1998-04-18,收到修改稿日期:1998-09-14作者簡(jiǎn)介:陳奇志,女,1963年生,副教授,博士2金屬學(xué)報(bào)35卷只適用于(1/6)112型偏位錯(cuò),對(duì)于(1/3)112偏位錯(cuò),Thompson規(guī)則應(yīng)為“:從Thompson四面體的外面,沿著位錯(cuò)線的正方向看,左面的偏位錯(cuò)是Roman-Greek,右面的偏位錯(cuò)是Greek-Roman.”根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬衍射襯度來(lái)鑒定位錯(cuò)的Burgers矢量和層錯(cuò)矢量,模擬程序?yàn)镠ead等人的TWODIS程序16.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1退火L12相中的缺陷600退火后的樣品中除了大量的內(nèi)稟層錯(cuò)外,還觀察到一些超位錯(cuò),如圖1所

8、示.圖1a是g /5g 弱束像,g =111,它未顯示出分解的襯度.圖1b是g =200條件下的雙束動(dòng)力學(xué)衍襯像,位錯(cuò)幾乎消襯,因此位錯(cuò)的Burgers矢量為±011或±011但圖1a排除了±011的可能,因此圖1中位錯(cuò)的Burgers矢量為±0111圖1中位錯(cuò)線方向確定如下:在圖1b中,位錯(cuò)線的投影方向?yàn)?00,位錯(cuò)線所處的一個(gè)面的法線方向(即與位錯(cuò)線投影方向垂直的方向)為020.在圖1a中,位錯(cuò)線的投影方向仍然為200,與位錯(cuò)線投影方向垂直的方向(即位錯(cuò)線所處的另一個(gè)面的法線方向)為022.于是位錯(cuò)線所在的兩個(gè)平面的交叉線±100就是位錯(cuò)線

9、方向.因此圖1中的位錯(cuò)是純?nèi)行臀诲e(cuò),這是圖1b中存在殘余襯度的原因.2.2780保溫時(shí)在L12相中發(fā)生的變化L12相被加熱至705,保溫?cái)?shù)小時(shí)后位錯(cuò)組態(tài)無(wú)任何變化.但當(dāng)在780(樣品臺(tái)的高溫極限為800)保溫時(shí),L12相的刃型位錯(cuò)或混合型位錯(cuò)(圖2a)發(fā)生取向變化,轉(zhuǎn)向純螺型位錯(cuò),即110方向,如圖2b所示.根據(jù)衍襯分析,圖2a中位于右側(cè)的兩列位錯(cuò)的Burgers矢量為±110,跡線分析表明它們分別位于兩個(gè)(001)面上.圖2b中位錯(cuò)線的彎曲是薄膜表面對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的拖曳所造成的.同時(shí),在樣品的其它位置發(fā)生層錯(cuò)形核現(xiàn)象,如圖2b中箭頭所示.原位觀察表明,位錯(cuò)完成取向變化后(由刃型或混合型

10、轉(zhuǎn)向純螺型)才會(huì)發(fā)生層錯(cuò)形核過(guò)程.2.3層錯(cuò)化的缺陷組態(tài)圖3為原位加熱實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的缺陷組態(tài)在不同雙束衍射條件下的形貌,樣品的膜面法線fn方向?yàn)?14.根據(jù)Gevers等人提出的明暗場(chǎng)襯度鑒定層錯(cuò)性質(zhì)的方法17,由圖3b可以看出,如果將g =020的矢量起點(diǎn)分別放在每個(gè)層錯(cuò)的中心,則g =020的矢量方向背向亮的側(cè)邊條紋,因此這些層錯(cuò)皆為外稟型(extrinsic)層錯(cuò).由圖3c,d可以看出,層錯(cuò)I的位移矢量RI為(1/3)111,層錯(cuò)II的位移矢量RII為(1/3)111,其正負(fù)號(hào)根據(jù)位移矢量和明場(chǎng)像操作反射的點(diǎn)積來(lái)確定17.對(duì)圖3中的缺陷拍攝5個(gè)帶軸方向的15個(gè)操作反射的衍射襯度圖,并對(duì)其進(jìn)

11、行計(jì)算機(jī)模擬.圖4給出分別對(duì)應(yīng)于圖3a,c,d缺陷的計(jì)算機(jī)模擬衍襯形貌,模擬條件見表1.根據(jù)模擬結(jié)果,該缺陷組態(tài)的晶體學(xué)信息總結(jié)在圖4d中.圖1L12相中預(yù)先存在的純?nèi)行臀诲e(cuò)Fig.1ThepureedgesuperdislocationsinannealedL12phase(a) g/5 gweakbeamimage,BD=011(b)brightimage,BD=001圖2780保溫過(guò)程中L12相中發(fā)生的變化Fig.2ThechangeofdislocationsinL12phaseannealedbefore(a)andduring(b)heatingat780,BD=1341期陳奇志等

12、:有序合金中FCCHCP相變溫度內(nèi)出現(xiàn)的缺陷3圖3780出現(xiàn)的一個(gè)缺陷在不同雙束條件下的衍襯形貌)undervariousdiffractionvectors,BD=001Fig.3TEMcontrastsofonesamedissociateddefect(formedat780(a)brightfieldimage, g=020(b)centerdarkfieldimage, g=020(c)brightfieldimage, g=220(d)brightfieldimage, g=220表1圖3中缺陷衍襯像的計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)Table1Parametersusedincomputingth

13、edislocationmicrographsinFig.3MicrophotoNo.Fig.3aFig.3cFig.3dDiffractionvector020220220Beamdirection107119115DeviationfromtheBraggcondition0.00.00.0Relativethickness8.06.05.7Apparentanomalousabsorption0.080.080.08Note:C11=38.23,C12=22.66,C44=10.28;Thefoilnormalfn=527.圖3的另一個(gè)重要現(xiàn)象是,外稟層錯(cuò)可以從完整點(diǎn)陣中直接形核.圖3b

14、右上角的層錯(cuò)I被一個(gè)偏位錯(cuò)圈包圍,其中一段偏位錯(cuò)已滑移到樣品的上表面,給出亮或暗的條紋襯度ST.根據(jù)這段襯度判斷該層錯(cuò)也是外稟層錯(cuò).顯然這個(gè)缺陷組態(tài)(一個(gè)偏位錯(cuò)圈包圍外稟層錯(cuò))是直接從完整點(diǎn)陣中形核的.這個(gè)現(xiàn)象在本文實(shí)驗(yàn)中并不是偶然發(fā)生的,而是與預(yù)先存在超位錯(cuò)發(fā)生分解同樣重要的過(guò)程.如圖1a中缺陷X就是從完整點(diǎn)陣中形成的.圖5為在原位加熱過(guò)程中生長(zhǎng)出來(lái)的另一缺陷.對(duì)這個(gè)缺陷也進(jìn)行了5個(gè)帶軸的15個(gè)操作反射的衍射襯度拍攝和計(jì)算機(jī)模擬.由于篇幅所限,本文只給出兩個(gè)可清楚顯示該缺陷組態(tài)立體構(gòu)型的照片(圖5a,b).圖5c為其立體示意圖,同時(shí)給出通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬鑒定出來(lái)的部分信息.一個(gè)外稟型層錯(cuò)可以看成

15、由兩個(gè)內(nèi)稟(intrinsic)層錯(cuò)堆垛構(gòu)成,但如果兩個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)堆垛時(shí)的重疊性不夠完全,就可以分辨出兩個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)(圖5b).總之,在780發(fā)生L12DO19轉(zhuǎn)變前,L12相中首先出現(xiàn)很多外稟型層錯(cuò).3討論在L12結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)的切變是(1/3)112如圖6所示,而在無(wú)序的FCC結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)的)112切變是(1/61(1/6)112切變使L12中的少量合金元素(如Fe3Ge中的Ge,Ni3Al中的Al)成為最近鄰原子,因此產(chǎn)生一個(gè)高能層錯(cuò),它們不能穩(wěn)定存在于L12結(jié)構(gòu)中.由圖)1126中實(shí)線箭頭可以看出,(1/3切變使A原子越過(guò)鄰層的B原子到達(dá)C位置,即內(nèi)稟層錯(cuò)的形成必須克服一

16、個(gè)很高的能量障礙.因此可以預(yù)見,盡管內(nèi)稟層錯(cuò)的最后狀態(tài)是低能狀態(tài),但其切變過(guò)程頗為困難.4金屬學(xué)報(bào)35卷圖4兩類位錯(cuò)的計(jì)算機(jī)模擬圖Fig.4Thesimulatedmicrographsoftwotypesofdislocations(a)simulationofFig.3a(b)simulationofFig.3c(c)simulationofFig.3d(d)sketchtoshowcrystallographicresultsofFig.3圖5780出現(xiàn)的另一缺陷組態(tài)Fig.5Afaulteddefectformedat780(a)brightfieldimage,BD=101(b)da

17、rkfieldimage,BD=001(c)asketchtoshowpartofcrystallographicresults,thesumoftheBurgersvectorsbeing(1/3)1211期陳奇志等:有序合金中FCCHCP相變溫度內(nèi)出現(xiàn)的缺陷5圖6L12結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)稟層錯(cuò)的切變示意圖Fig.6TheshearsketchtoproduceanintrinsicstackingfaultinL12structure,Geatom,Featom理論研究表明18-20,(1/3)112不全位錯(cuò)的芯部結(jié)構(gòu)是非平面的,在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,芯部結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的變化.理論計(jì)算表明,這種不

18、全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的Peierls-Nabarro阻力很大.文獻(xiàn)14的實(shí)驗(yàn)表明,Fe3Ge的(1/3)112不全位錯(cuò)具有較低的可動(dòng)性.且由于(1/3)112是(1/6)112的兩倍,故與普通無(wú)序FCCHCP相變相比,L12DO19相變過(guò)程將伴隨較大的形狀改變.因此,實(shí)際的相變過(guò)程必須采取某種微觀機(jī)制以減小相變阻力,外稟層錯(cuò)很可能就是這種微觀機(jī)制的具體體現(xiàn).外稟層錯(cuò)由兩個(gè)堆垛的內(nèi)稟層錯(cuò)構(gòu)成,當(dāng)兩個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)的切變是間隔一個(gè)原子層面時(shí),就構(gòu)成6個(gè)原子層的HCP結(jié)構(gòu),即ABABAB.因此外稟層錯(cuò)在結(jié)構(gòu)上有利于新相DO19的產(chǎn)生.另外,領(lǐng)先偏位錯(cuò)的可動(dòng)性在新相核胚的長(zhǎng)大過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用,而偏位錯(cuò)的可動(dòng)性則與

19、偏位錯(cuò)的芯部結(jié)構(gòu)有關(guān).本工作的實(shí)驗(yàn)觀察表明,構(gòu)成外稟層錯(cuò)的兩個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)的領(lǐng)先偏位錯(cuò)相隔很近,很難分辨出是由兩個(gè)偏位錯(cuò)構(gòu)成.兩個(gè)緊緊相鄰的偏位錯(cuò)勢(shì)必存在強(qiáng)烈的相互影響,以致改變偏位錯(cuò)的芯部結(jié)構(gòu),很可能正是這種芯部結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致有序結(jié)構(gòu)中FCCHCP的切變阻力,亦即L12DO19的相變阻力大大減小,以致相變得以進(jìn)行.上述分析在本文的實(shí)驗(yàn)中得到一定程度的證明.圖3,5所示的缺陷是在同一個(gè)樣品中,即在相同的熱處理?xiàng)l件下出現(xiàn)的.圖3中外稟層錯(cuò)擴(kuò)展得很寬;而在圖5中明顯分開的兩個(gè)梯桿位錯(cuò)表明,兩個(gè)(1/3)111內(nèi)稟層錯(cuò)也相隔較大距離.這說(shuō)明孤立的一個(gè)內(nèi)稟層錯(cuò)的領(lǐng)先偏位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是較困難的,也說(shuō)明外稟層錯(cuò)的

20、層錯(cuò)能要小于兩個(gè)孤立的內(nèi)稟層錯(cuò)的層錯(cuò)能之和.從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可以看出,有序合金與無(wú)序合金中FCCHCP相變機(jī)制不同,故O-C理論亦不適用于有序合金中的相變.相變微觀機(jī)制的不同將導(dǎo)致宏觀動(dòng)力學(xué)規(guī)律的不同,有關(guān)研究正在進(jìn)行中.4結(jié)論(1)在L12DO19的相變溫度范圍內(nèi),在新相生成前,L12相中預(yù)先存在的刃型位錯(cuò)或混合型位錯(cuò)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),成為純螺型位錯(cuò).(2)外稟層錯(cuò)或由純螺型位錯(cuò)分解而成,或從完整點(diǎn)陣中直接形核.(3)在780,外稟層錯(cuò)擴(kuò)展很寬,而孤立的內(nèi)稟層錯(cuò)擴(kuò)展很窄.參考文獻(xiàn)1KotvalPS,HoneycombeRWKActaMetall,1968;16:5972FujitaH,Ueda

21、S.ActaMetall,1972;20:7593NishiyamaZ.MartensiticTransformation.NewYork:AcademicPress,1978:2164OlsenGB,CohenM.MetallTrans,1976;7A:18975GartsteinE,RabinkinA.ActaMetall,1979;27:10536PandeyD,LeleS.ActaMetall,1986;34:4057HitzenbergerC,KarnthalerHP.PhilosMag,1991;64:1518YangJH,WaymanCM.ActaMetallMater,1992;40:20119PutauxJL,ChevailierJP.ActaMetallMater,1996;44:170110BrayDW,HowJM.itMetallMaterTrans,1996;27A:337111OlsenGB,CohenM.In:NabarroFRNed.,DislocationTheoryofMartensiteTransformations,Dislocations