中国有色金属学报
中国有色金属学报 2003,(01),15-20 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.01.002
AZ91镁铝合金中HCP/BCC相界面结构
肖晓玲 罗承萍 刘江文 吴东晓 聂建峰 Barry C Muddle
华南理工大学机械工程学院,华南理工大学机械工程学院,华南理工大学机械工程学院,华南理工大学机械工程学院,DepartmentofMaterialsEngineering,MonashUniversity,Clayton,DepartmentofMaterialsEngineering,MonashUniversity,Clayton 广州510641 ,广州510641 ,广州510641 ,广州510641 ,Victoria3168,Australia ,Victoria3168,Australia
摘 要：
采用常规和高分辨电镜研究了时效AZ91镁铝合金中 2种形态γ Mg17Al12 析出相的HCP/BCC相界面结构。发现第一类析出相的惯习面 (0 0 0 2 ) α∥ { 330 } γ 以及与其对接的另外 2组主要晶面的面间错配度都很小 (4%和2 % ) ,因此界面能较小 ;而第 2类析出相的惯习面 (0 110 ) α∥ (330 ) γ 以及与其对接的另一组主要晶面的面间错配度都较大 (11%和 15 % ) ,因此界面能较大。从界面能和相变应变两方面讨论了各类析出相析出密度差别的原因 ,提出了改变析出密度、提高镁铝合金时效强化效果的可能途径
关键词：
AZ91镁铝合金 ;γMg17Al12析出相 ;HCP/BCC相界面 ;透射电镜分析 ;
中图分类号： TG146.2
作者简介： 肖晓玲(1966),女,讲师,博士;
收稿日期： 2001-12-10
基金： 国家自然科学基金资助项目 (5 0 17110 2 7); 国家教育部博士点基金资助项目 (980 5 6111);
Structure of HCP/BCC interphase boundaries in AZ91 Mg-Al alloy
Abstract：
The HCP/BCC interphase boundaries between the Mg matrix and γ Mg 17 Al 12 precipitates for two kinds of precipitates produced in an aged AZ91 Mg Al alloy were characterized using both conventional and high resolution TEM. It is found that the planar misfit across the (0002) α ∥{330} γ habit plane of the first kind of precipitate is very low(<4%), thus forming a low (strain) energy interface, while that across the (0110) α ∥(330) γ habit plane of the second kind of precipitate is markedly high(15%), thus producing a high (strain) energy interface. The difference in precipitation density of various kinds of precipitate was interpretted in terms of the interfacial energy, and of the strain induced by the precipitation; and plausible ways of altering the relative densities of the precipitates so as to enhance the precipitation strengthening effect of the alloy were proposed.
Keyword：
AZ91 Mg Al alloy; γ Mg 17 Al 12 precipitate; HCP/BCC interphase boundary; TEM;
Received： 2001-12-10
由于镁合金具有质量轻、 比强度和比刚度高, 减震性能好以及易于回收等优点, 因此被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”
[1 ]
, 是很有前途的汽车工业材料。 而FCC /BCC (面心立方/体心立方)和HCP /BCC (密排六方/体心立方)是金属材料中2类常见的相界面, 与前者相比, 对后者的研究较少。 HCP /BCC 相界面是HCP ?BCC 相变的产物, 已有的关于此类相界面微观结构的研究大多集中在Zr -Nb
[2 ,3 ]
和Ti -Cr
[4 ,5 ]
合金系中。 关于Mg -Al 合金中HCP /BCC 相界面微观结构的研究很少。 Porter 等
[6 ]
发现该界面上存在间距为4～10 nm 的线状特征, 认为那是界面位错。 文献
[
7 ]
对AZ 91合金中板条析出相的HCP /BCC 相界面做过高分辨电镜观察, 但未有明确的结论。 作者曾详细研究了AZ 91镁铝合金中HCP →BCC 相变生成的γ-Mg 17 Al 12 析出相(BCC 结构)的形态、 时效强化效果和晶体学特征
[8 ,9 ]
, 在本研究中采用常规和高分辨透射电子显微镜进一步研究该析出相与富镁基体间的HCP /BCC 相界面微观结构。
1 实验
采用挪威的AZ 91镁铝合金, 其成分为: 9%Al , 0.8%Zn , 0.2%Mn , 其余为Mg 。
将合金用电火花切割成0.9 mm 的薄片后密封在充有少量氩气的耐热玻璃管中, 经425 ℃, 24 h 的固溶处理后水淬, 然后在200 ℃的油炉中分别时效8 h 和48 h (延长时效时间只是为了得到便于观察的粗大析出相, 其形态、 点阵结构及晶格常数未变; 但时效超过24 h 后, 时效硬度从峰值85 HV 缓慢下降)。 用电解双喷减薄仪制备透射电镜试样, 电解液的成分为:氯化锂5.3 g , 高氯酸镁11.16 g , 甲醇 500 mL , 2-丁氧基乙醇 100 mL , 工作温度-45 ℃, 电流为0.15 A 。 采用加速电压分别为200 kV 和800 kV 的Philips CM 20 常规透射电镜和JEOL 高分辨透射电镜进行组织和相界面结构观察。
2 结果与分析
2.1 γ-Mg17Al12析出相的形态和晶体学特征
200 ℃时效生成3种具有不同形态和晶体学特征的平衡γ -Mg17 Al12 析出相如表1、 图1所示。 其中第1类占析出相总量的90%以上。 基体是富镁α -相, 属HCP结构, a =0.319 nm, c =0.518 nm; γ -Mg17 Al12 析出相是α -Mn型的BCC结构, a =1.057 97 nm, 晶胞内含有58个原子。 电子衍射结果表明, 3种γ -Mg17 Al12 析出相及其变体均具有相同的点阵结构和点阵常数; 文献
[
10 ]
已指出, 即使在较低的时效温度下, AZ91合金在析出相变的最初阶段, 也没有发现γ -Mg17 Al12 析出相的过渡相或
GP区; 该合金中惟一的析出相是平衡的γ -Mg17 Al12 。 关于γ -Mg17 Al12 析出相的多变体和多重位向关系现象已在文献
[
8 ]
中作了报道。 由表1看出, 第1类析出相以镁基体的基面为惯习面, 而第2、 3类则以棱柱面为惯习面。 虽然3种析出相都是条状的, 但其轴线位向不同:第1类与基面平行, 第2类与基面正交, 而第3类与基面斜交。 虽然第2、 3类的轴线夹角仅16° 但是其轴线指数却相差很远, 前者是[111]γ
[
1 ]
α
[
1 ]
γ
[
1 ]
α
图1(a)是在基体的[1120]α
中3种析出相的轴线位向清楚可见。 由于第1种析出相的轴线平行于基面(0001)α a c
[8 ]
)。 图1(b)中示出了第2种析出相的六边形横截面。
2.2 第1类析出相的界面
由于析出相颗粒较小, 所以至少有一侧(0001)α γ
[
1 ]
α γ
( 1 1 ? 0 0 ) α
(
1
1
?
0
0
)
α
与析出相中另一个与入射电子束平行、 且与
( 1 1 ? 0 0 ) α
(
1
1
?
0
0
)
α
也近似平行的晶面结对产生的Moire 干涉条纹。 文献
[
7 ]
表明, 第1类析出相的F 2界面在
[
1 ]
α //[110]γ 位向下处于Edge -on 状态, 即与入射电子束平行; 根据Moire 干涉条纹的产生原理及其与界面位向的关系
[12 ]
可知, 上述Moire 干涉条纹平行于该F 2界面, 从而显示出该界面的真实位向。 图2中的干涉条纹与
( 1 1 ? 0 0 ) α
(
1
1
?
0
0
)
α
晶格条纹的夹角为12.8°, 表示F2 偏离
( 1 1 ? 0 0 ) α 1 2 . 8 °
(
1
1
?
0
0
)
α
1
2
.
8
°
, 与实测结果一致
[8 ]
; 该干涉条纹的间距为1.875 nm, 也与计算值相符。
表1 3类γ-Mg17Al12析出相的形态和晶体学特征[7]Table 1 Morphologies and crystallographies of 3 types ofγ-(Mg17Al12)precipitates[8]
Morphology
Orientation relationship(O.R.)
Habit plane
Precipitate axis
Ⅰ
Lath-shaped
Burgers O.R.:
( 0 0 0 1 ) α / / ( 1 1 0 ) γ [ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? 1 ] γ [ 0 1 1 ? 0 ] α / / [ 1 ? 1 2 ] γ
(
0
0
0
1
)
α
/
/
(
1
1
0
)
γ
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
1
]
γ
[
0
1
1
?
0
]
α
/
/
[
1
?
1
2
]
γ
(0001)α //(110)γ
Parallel to base plane (0001)α , and 18° apart from
[ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? 1 ] γ
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
1
]
γ
Hexagonal-
Crawley O.R.[11] :
( 0 0 0 1 ) α / / ( 1 1 1 ) γ [ 0 1 1 ? 0 ] α / / [ 1 ? 1 0 ] γ [ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? ? ? ? 2 ] γ
(
0
0
0
1
)
α
/
/
(
1
1
1
)
γ
[
0
1
1
?
0
]
α
/
/
[
1
?
1
0
]
γ
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
2
]
γ
{ 0 1 1 ? 0 } α / / { 1 1 0 } γ
{
0
1
1
?
0
}
α
/
/
{
1
1
0
}
γ
Perpendicular to base plane (0001)α α γ
Short rod-
Porter O.R.[6] :
( 0 0 0 1 ) α 1 ° → ( 1 1 5 ? ) γ
(
0
0
0
1
)
α
1
°
→
(
1
1
5
?
)
γ
[ 0 1 1 ? 0 ] α / / [ 1 ? 1 0 ] γ
[
0
1
1
?
0
]
α
/
/
[
1
?
1
0
]
γ
( 0 1 1 ? 0 ) α / / ( 1 ? 1 0 ) γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
(
1
?
1
0
)
γ
Parallel to [001]γ α
图1γ-Mg17Al12析出相的形态
Fig. 1 Morphologies of γ -Mg17 Al12 precipitates
(a)—Morphologies of three kinds of precipitates(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)formed by aging at200℃for 48 h,and viewed along[1120]α ;(b)—Morphologies of first(Ⅰ)and second(Ⅱ)precipitates produced by aging at
图2 第1类析出相在[1]α ∥[110]γ 位向下的高分辨电镜像
Fig. 2 HRTEM image of first precipitate (Ⅰ) viewed along
α γ
([0001]α lattice image is shown in bottom-left area,and thick Moire fringes produced due to overlapping matrix and precipitate are displayed in top-right area)
图3(a)所示是第1类析出相的(0001)α γ
[ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? 1 ] γ
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
1
]
γ
位向下的高分辨像。 计算表明, {330}γ 晶面的衍射强度远大于{110}γ 和{220}γ 晶面的衍射强度
[7 ,8 ]
, 所以图3(a )显示的是{330}γ 而非{110}γ 的晶格像。 由图3(a )看出, (0002)α 与(330)γ 严格平行(面间错配度4%), “刚性”贴近, 即界面上未发生两相原子面的驰豫现象。 对接于该惯习面上的另外2组晶面,
( 0 1 1 ? 1 ) α / / ( 0 3 3 ) γ
(
0
1
1
?
1
)
α
/
/
(
0
3
3
)
γ
和
( 0 1 ? 1 1 ) α / / ( 3 0 3 ? ) γ
(
0
1
?
1
1
)
α
/
/
(
3
0
3
?
)
γ
是等效的, 面间错配度和面间夹角分别是2%和1.9°, 配合得也非常好。 因此, 该界面的应变能(界面能)较低。
图3(b )所示是在
? 2 ? 1 1 0 ? α
?
2
?
1
1
0
?
α
位向下摄取的第1类析出相2个变体的高分辨像, 它包括3个区域, 上方是基体α , 左下方和右下方分别是彼此对接着的2个析出相变体γ 1 和γ 2 。 γ 1 的位向仍然是[111]γ γ 2 的位向则靠近
[ 1 1 ? 5 ] γ ?
[
1
1
?
5
]
γ
?
但二者都与基体保持Burgers 位向关系, 且惯习面也都是(0002)α γ γ 1 和γ 2 中形成了彼此平行的(330)γ γ 1 被基体覆盖而呈现Moire 条纹, 而γ 2 则没有。 γ 1 / α 界面上示出了(0002)α γ γ 2 /α 界面, 即(0002)α γ
2.3 第2类析出相的界面
图4所示为第2类析出相的
( 0 1 1 ? 0 ) α / / ( 1 ? 1 0 ) γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
(
1
?
1
0
)
γ
界面(惯习面)在
[ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? ? ? ? 2 ] γ
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
2
]
γ
位向下的高分辨像。 其中(0002)α γ α γ γ α α γ γ α
( 0 1 1 ? 0 ) α / / { 3 ? 3 0 } γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
{
3
?
3
0
}
γ
的面间错配度也达到11%。 可见, 第2类析出相的界面匹配程度远比第1类的差, 因此, 其界面应变能(界面能)也远比第1类的高。 值得指出的是, 虽然第3类析出相的惯习面与第2类的相同, 即同为
( 0 1 1 ? 0 ) α / / { 3 ? 3 0 } γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
{
3
?
3
0
}
γ
, 但对接于其上的晶面
( 接 近 ( 0 0 0 2 ) α / / ( 1 1 5 ? ) γ )
(
接
近
(
0
0
0
2
)
α
/
/
(
1
1
5
?
)
γ
)
的面间错配度比第2类的还要差。 另外, 由于第3类析出相的数量很少(比第1, 2类的都少), 而且对此类析出相进行高分辨电镜观察的几何条件较苛刻, 所以对该析出相界面的高分辨观察比较困难。 具体而言, 对第2, 3类析出相, 仅当界面
( 0 1 1 ? 0 ) α / / { 3 ? 3 0 } γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
{
3
?
3
0
}
γ
与入射电子束平行时才能进行高分辨图像观察; 第2类析出相有3组这样的界面, 而第3类只有1组(表1), 所以即使能遇上第3类析出相, 其位向也不一定适合高分辨观察。
图3 第1类析出相的α/γ界面的高分辨电镜像
Fig. 3 HRTEM images of α /γ interphase boundaries of the first kind of precipitate (a)—(0001)α γ
[ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? 1 ] γ ;
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
1
]
γ
;
(b)—Interfaces formed among matrix(α ) and two end-to-end butted particles (variants γ 1 , γ 2 ) of the first precipitates, viewed along
[ 2 ? 1 1 0 ] α ,
[
2
?
1
1
0
]
α
,
and Moire fringes formed within (γ 1 + α ) area due to crystal overlapping
图4 第2类析出相的(011?0)α//(1?10)γ (011?0)α//(1?10)γ界面在 [2?110]α//[11????2]γ [2?110]α//[11?2]γ位向下的高分辨电镜像
Fig. 4 HRTEM image of
( 0 1 1 ? 0 ) α / / ( 1 ? 1 0 ) γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
(
1
?
1
0
)
γ
interface of the second kind of precipitate (viewed along
[ 2 ? 1 1 0 ] α / / [ 1 1 ? ? ? ? 2 ] γ
[
2
?
1
1
0
]
α
/
/
[
1
1
?
2
]
γ
and showing regular interfacial misfit dislocation array formed due to strain relaxation across interface )
2.4界面结构、 析出密度与时效强化效果
AZ91的时效强化效果不显著, 与占析出相总量90%以上的第1类析出相的形态和晶体学位向有关
[8 ,10 ]
。 一方面, 这类析出相虽然较多, 但颗粒比较粗大, 其时效强化自然较差。 更重要的是, 这类析出相是分布在镁的(0001)基面内的, 而镁在常温下的滑移面也是(0001)基面, 因此这类析出相颗粒不能有效地阻碍位错在基面上的滑移, 时效强化效果欠佳。 相反, 第2, 3类析出相由于是与基面垂直或近似垂直的, 所以有利于阻碍位错的基面滑移, 即有利于时效强化, 但是其数量却太少。
然而析出相的界面结构和晶体学特征均有利于第1类析出相的析出, 而不利于第2, 3类的析出。 根据电镜观察和进一步的计算发现, 第1类析出相以其轴线平行于相变不变线(相变应变为0的晶向)
[8 ]
, 相变应变能较小; 并且其应变能(界面能)较小, 所以其析出密度最大。 第2类析出相虽然具有对称性很好的Crawley位向关系, 但其应变能(界面能)较大, 且其轴线不是相变不变线方向, 所以其生成几率远比第1类的小。 第3类析出相的情况与第2类的相似, 并且其位向关系的对称性更差, 所以其生成几率比第2类的还要小。 这些推论都与实验观察结果一致。 因此, 如何通过合金化和热处理增加第2, 3类析出相的析出密度并使之细化, 同时抑制第1类析出相的析出, 应是提高这类合金时效强化效果的有效途径之一, 也是一个值得进一步深入研究的课题
[8 ,9 ]
。
关于3种析出相与相变不变线关系的问题, 文献
[
8 ]
已作过相关的报道。 文献
[
13 ,
14 ]
表明, HCP→BCC析出相的不变线都与基面(0001)平行, 即那些受不变线应变控制的板条状析出相, 其轴线在基面内。 第1类析出相即属此。 第2, 3类析出相因其轴线是与基面正交或斜交的(见表1), 因此目前看来都不符合不变线应变原则。 不过, 作为理论探讨的题目, 作者正在考虑不同合金系中可能存在的相变不变线的多重性问题。
3 结论
1) 第1类析出相的惯习面由彼此平行的{330}γ α
2) 第2类析出相的惯习面
( 0 1 1 ? 0 ) α / / ( 3 ? 3 0 ) γ
(
0
1
1
?
0
)
α
/
/
(
3
?
3
0
)
γ
上每6个(222)γ 晶面与7个(0002)α 晶面对接, 界面发生驰豫; 惯习面本身、 以及对接于其上的主要晶面(0002)α //(222)γ 的面间错配度都较大(15%和11%), 因此该惯习面是个高能量的界面。
3) 由于第1类析出相惯习面的能量较低, 而第2, 3类析出相惯习面的能量较高, 加之第1类析出相的轴线平行于相变不变线, 导致前者的相变应变能比后二者的低。 结果, 强化效果较差的第1类析出相的析出密度远比强化效果较好的第2, 3类的高, 因此使该合金的时效强化效果降低。
参考文献
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