鋁合金中粗大物相的鑒定

趙云龍

(遼寧裝備制造職業技術學院 科研處，遼寧 沈陽 110161)

鋁合金中粗大物相的鑒定

趙云龍

(遼寧裝備制造職業技術學院 科研處，遼寧 沈陽 110161)

摘要：闡述了利用電子衍射方法鑒定物相的特點和基本過程，并結合電子衍射標定常用軟件、透射電子顯微鏡能譜分析功能和系列傾轉技術，對鋁合金中出現的粗大物相進行了電子衍射分析和鑒定，最終確定了該粗大物相是合金在熔煉過程中出現的共晶金屬間化合物S-Al2CuMg相。

關鍵詞：鋁合金；物相；金屬間化合物；TEM；系列傾轉技術

物相就是物質中具有特定物理和化學性質的相。在一種物質中，同一元素可能以一種或多種化合物狀態存在，所以，特定物質的物相都是以元素的賦存狀態及某種物相(化合物)相對含量的特征而存在的。物相分析有多種分類方法，按采用的手段可將其分為物理物相鑒定方法和化學物相鑒定方法兩類。濕法化學分析法屬于化學鑒定法，顯微鏡鑒定、X射線物相分析和差熱分析等屬于物理分析法。

物相鑒定作為人們認識客觀自然世界的最基本方法之一，受到特別關注。近年來，隨著現代分析測試手段的發展，一些新的鑒定手段在物相鑒定過程中起到了重要的作用。其中，以利用transmission electron microscope(TEM)進行的電子衍射物相分析方法發展最為迅速。

電子衍射分析多數情況下是根據資料、工藝、成分及相圖，預知可能出現的相，再利用電子衍射及衍襯方法，確定某幾個相的存在及其形狀、大小和分布。其基本過程可以概括為：1)根據所研究合金的主要元素的含量、熔煉、熱處理和氣相沉淀等工藝，查閱相關文獻資料，確定合金可能形成的合金相、亞穩相和間隙相；2)收集研制合金的相關資料，特別是其中合金相的晶體結構、晶體學的數據，制作(hkl)與dhkl表，即晶體指數與晶面間距數據表；3)用X射線衍射法分析X射線衍射峰的相關規律，初步確定該合金可能出現的物相及晶體結構；4)了解電子衍射強度相關知識，因為有關晶體的點對稱、微觀對稱及原子坐標的情況都反映在晶體單胞對電子散射的結構因數中，并與記錄的衍射強度有關。

1試驗材料及過程

試驗用Al合金為商用2024鋁合金，經冷拔成形為管，厚度t=10 mm，直徑φ=200 mm，長度L=5 mm。樣品的工藝狀態為778 K條件下固溶處理、淬火、冷拔，變形量為2.5%，放置于室內數月進行自然時效處理。

對于塊體樣品，其透射電鏡樣品制備方法比較簡單，具體方法參見文獻[1]。制樣設備包括：Buehler 11-1280-250低速鋸、Gatan 623-40002 型樣品鑲嵌加熱臺、Gatan 656A型凹坑儀和Gatan 691型離子減薄儀。

為了保證研究樣品力學性能、顯微硬度與微觀結構的一致性，試驗中筆者對拉伸后的樣品進行了微觀結構觀察。為排除塑性變形對試樣的影響，除研究應力對微觀結構影響的樣品取自標距區域的變形部位，其他用于觀察的樣品均取自樣品的夾持部分。

將拉伸后試樣粘于玻璃片上，用低速鋸將拉伸試樣夾持部分切割成邊長為3 mm的正方形，然后在2000#水磨砂紙上機械研磨兩面至40 μm，再換用3000#水磨砂紙研磨至30 μm左右。用于研究拉伸對微觀結構影響的樣品，因其內部殘存大量應力，因而制樣時防止樣品變形是制樣的關鍵。常用制樣方法是將該樣品一面用3000#水磨砂紙研磨，再將該面粘于直徑為3 mm的鉬環上，研磨沒粘環的一面至40 μm；然后，利用Gatan微凹儀凹坑，凹至中部最薄區域厚度約為20 μm時將樣品取下，利用丙酮和酒精清洗樣品；最后，用離子薄化器進行減薄。為了減少氬離子轟擊時對樣品的損傷，利用Gatan691 型離子減薄儀雙槍減薄時，初始氬離子加速電壓為4.5 kV，入射角為5°；然后，逐步降低電壓并減小入射角；最后，調整加速電壓為3 kV，入射角為4°，減薄5 min。最后，一步對于去除非晶層作用很大，經過上述方法減薄后的樣品就可以直接用于TEM觀察。

透射電鏡觀察主要在TecnaiG2 Super-twin F30場發射分析型透射電鏡上進行，該電鏡的技術性能指標為：工作電壓為300 kV，點分辨率為0.20 nm，信息分辨率為0.11 nm，線分辨率為0.10 nm，物鏡球差系數為1.2 mm；雙傾操作是在Gatan低背底雙傾樣品臺上進行，其沿X、Y軸的傾轉角均為±40°；像記錄系統采用Gatan894 ultrascan1000型慢掃描CCD相機，分辨率為2 048×2 048；微區定性成分分析采用Gatan EDAX 探頭，能量分辨率為0.8 eV，EDXS的能量分辨率為130 eV；配備GIF系統的F30可以保證在很小的會聚角條件下拍攝照片，既保證了獲得所需的放大倍數，也能保證電鏡的充分發揮作用。

2結果與分析

樣品中出現的粗大物相的透射電子顯微照片如圖1所示。圖1a所示為粒子的暗場照片，從圖1a中可以看出，該粒子呈橢圓形，尺寸為～5 μm，內部有大量的位錯存在。對該粒子進行HAADF研究(見圖1b)發現其中含有較鋁元素原子序數高的元素。為了鑒別該粒子的類別，接下來對該粒子的化學成分進行EDS定性分析。

圖1　應變為0.2時第二相的形貌、成分和系列衍射照片

圖2所示為該粗大物相的化學成分定性分析結果。從圖2可以看出該粒子中只存在Al、Cu和Mg元素。根據譜線數值的大小可近似地看出，在該粒子中Al元素的含量最高，Cu和Mg元素的含量幾乎相當。

圖2　粗大物相的化學成分定性分析結果

為了鑒定該物相，采用系列傾轉技術，利用雙傾樣品臺拍攝了同一菊池帶下的3張能自洽的衍射譜照片(見圖3)。成分分析確認該粗大物相中只含有Al、Cu和Mg三種元素，利用所含元素進行可能物相范圍檢索。打開pcpdfwin軟件，在search菜單下按Elements→Select elements→Just(slow)的順序操作，并在檢索條件中輸入Al、Cu和Mg3種元素。檢索結果顯示，只含有Al、Cu和Mg元素的物相有Al2CuMg、Al5Cu6Mg2、Al6CuMg4、Al50Cu2Mg48、AlCuMg、Al47Mg32Cu7、Al7Cu3Mg6和Mg2Cu4Al5共8種。結合2024鋁合金熔煉過程相圖，確定出現的析出相的可能范圍縮減到Al2CuMg和Al6CuMg4兩種。

圖3　同一晶軸下的系列衍射照片

利用PDF卡片(見圖4)查取Al2CuMg的晶體學常數為：a=4.008 nm，b=9.248 nm，c=7.154 nm，屬正交晶系；Al6CuMg4相的晶體學參數為：a=18.79 nm，c=19.75nm，屬四方晶系。

圖4　PDF卡片上輸入已知元素進行可能物相檢索

選擇圖3中任意一幅電子衍射圖(本文以圖3a為例)中心透射斑點周圍不在同一條直線上的3個衍射斑，分別測量其與中心透射斑之間的距離，以及每兩者之間的夾角大小(見圖3a)。嘗試采用Al2CuMg相的晶體參數進行標定，并將所得數據填入晶面指數標定軟件中(見圖5)，計算出可能的組合。

圖5　利用晶體指數標定軟件計算可能的{hkl}1和{hkl}2矢量

利用晶體指數標定軟件計算可能的{hkl}1和{hkl}2矢量，并利用[uvw]=[hkl]1×[hkl]2計算出晶帶軸(標定的結果見圖3a)。用同樣的方法標定圖3b，并確定相應的晶帶軸指數(結果見圖3b)。

根據參考文獻[2]中式5-3，計算傾動樣品時晶體傾轉角度，實測值為24°，與理論值23.45°(見圖6)吻合得很好，說明上述標定正確，嘗試利用S-Al2CuMg標定成功；因此，確定該粗大物相為S-Al2CuMg相。如果嘗試利用S-Al2CuMg相無法成功標定該物相，則采用Al6CuMg4相關晶體學參數進行標定，直至正確自洽地標定為止。

圖6　利用Crycom計算晶帶軸夾角

3結語

利用常用的TEM計算分析標定軟件——晶體指數標定軟件和Crycom，對鋁合金中出現的粗大物相進行了鑒定。Crycom和晶體指數標定軟件的應用減少了標定過程中的繁雜計算，提高了標定效率，最終確定了該粗大物相為S-Al2CuMg共晶金屬間化合物。

參考文獻

[1] Ayache J. Sample preparation handbook for transmission electron microscopy[M]. USA: Springer，2010.

[2] 吳杏芳, 柳得櫓. 電子顯微分析實用方法[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1998.

責任編輯鄭練

Identification of Coarse Intermetallic Compounds in Aluminum Alloy

ZHAO Yunlong

(Department of Research, Liaoning Equipment Manufacture College of Vocational Technology, Shenyang 110161, China)

Abstract:The characteristics and the basic processes of phase identified by electron diffraction were described in the paper. Software of electron diffraction demarcate, transmission electron microscope energy spectrum analysis function and series tilting technology were used to analyze and identify coarse intermetallic compounds in aluminum alloy. Finally, those coarse intermetallic compounds were confirmed as eutectic metal compound S-Al2CuMg phase，which was introduced into the alloy during melting.

Key words:aluminum alloy, phase, intermetallic compounds, TEM, series tilting technology

收稿日期：2014-06-18

作者簡介：趙云龍(1976-)，男，博士，副教授，主要從事材料微觀電子顯微學、工程材料強化以及模具設計CAD/CAE等方面的研究。

中圖分類號：TG 146.2+1；TP 39

文獻標志碼：A