Fe3Al合金形变诱导有序显微组织变化及合金元素的作用（Ⅰ）

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.02.007 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 Fe,A1合金形变诱导有序显微组织 变化及合金元素的作用（①）* 陈国良黄原定孙祖庆杨王玥 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要研究了F,A!基金属间化合物合金的室温变形和高温蜥变特点.结果表明，Fe,Al合金室温 形变将发生诱导无序化现象.蠕变过程中不仅发生形变诱导无序化现象，而且发生蠕变加速有序 转变现象，形变诱导有序显微结构变化将谈化原始结构对蟋变断裂寿命的影响. 关键词金属间化合物，铁铝化合物，蠕变，有序化，形变诱导有序无序化 中图分类号TG135.4 有序合金中塑性变形对长程有序有破坏作用，如，A!合金经冷轧40%后长程有序度降 到0.7，进一步冷轧，长程有序度可以降低到0.2(95%冷轧).机械合金化时激烈的塑性变形同 样可以使长程有序度下降，甚至完全无序化.塑性变形使合金无序化在热力学上呈不稳定状 态，以后在退火过程中可以发生有序的回复现象，长程有序度增加.对，A]合金的原位动态 TEM观察表明，从滑移带前端到后部，反相畴(APB)能逐步变小，超位错对的间距逐渐增大， 最后甚至增大到几乎不再保持超位错对的形态，这说明塑性变形确使局部区域发生有序显微 变化并对随后的位错运动产生影响).TAI合金中形变会导致界面结构的重大变化，甚至发 生形变诱导有序相转变2~.Fe,A!合金在不同温度及成分区间可以出现bcc态，无序态、B2 结构及DO,结构，在塑性变形过程中发生有序显微变化的可能性比较大.有序合金的这种 塑性变形基本行为与有序金属间化合物在不同程度上表现出来的脆性有何关系，这是一个值 得探讨的问题.特别是当把目光从长程有序转向局部的有序变化，考虑它对位错运动及裂纹 的影响时，这个问题就变得更有意义.本文着重研究F,A!合金在室温形变与高温蠕变变形 中发生的有序显微变化现象，并从这个观点出发来研究合金元素的作用. 1试验方法 所用的F,Al合金采用高纯原材料经真空感应冶炼而成，锭质量为5kg.合金以 Fe+28%AI(原子分数)为基础成分，含铬合金的铬含量（原子分数）为5%，Fe,Al+CrZrMoNbB 合金是Fe,Al+Cr合金加少量Mo,Nb,Zr和B.铸锭在1000℃退火24h,再经850~」000℃ 1997-01-10收稿 第一作者。男64岁教授 ·国家自然科学基金资助项目

第1 9 卷 第2期 1 9 9 7 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f Sc i e n e e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g V o l . 19 N o . 2 A P r . 19 7 Fe 3 AI 合金形变诱导有序显微组 织 变化及合金元素的作用 (I ) * 陈 国 良 黄原 定 孙祖庆 杨 王 明 北 京科 技 大 学新 金 属材 料 国 家 重 点实验室 , 北京 10 00 8 3 摘要 研究 了 eF 飞 lA 基金 属 间化合物合金的室温变形和 高温蠕变特点 · 结果表明 , eF 3月 合金室温 形 变将发生诱 导无序化现 象 . 蠕变过 程中不 仅发生 形 变诱 导无序化现象 , 而 且发生 蠕变 加速有序 转变 现象 , 形变诱 导有序显微结构变化将淡化原始结构对蠕变断裂寿命的影响 . 关键 词 金属 间化合物 , 铁铝化合物 , 蠕变 , 有序化 , 形变诱 导有序 无序化 中图分类号 T G 135 . 4 有 序合 金 中塑性 变形 对 长程 有序 有破 坏 作用 , 如预 3 AI 合 金经 冷轧 40 % 后 长程 有序 度 降 到 0 . 7 , 进 一步 冷 轧 , 长程 有 序度 可 以 降低到 0 . 2 ( 9 5% 冷 轧) . 机械 合 金化 时激 烈 的 塑性 变形 同 样可 以 使长程 有序 度 下 降 , 甚至 完全 无 序 化 . 塑 性 变形 使 合金 无序 化 在 热力 学 上呈 不稳 定 状 态 , 以 后 在退 火 过程 中可 以 发生 有 序 的回复 现象 , 长程有 序 度增 加 . 对 两 飞 lA 合 金 的 原位 动态 T E M 观 察表 明 , 从 滑 移带前端 到 后部 , 反相 畴 (A P )B 能逐 步变 小 , 超位 错 对的间距逐 渐增 大 , 最后 甚 至增 大到 几 乎不再 保持 超 位错 对的 形态 , 这说 明塑性变 形 确使局部 区 域 发生 有序 显微 变 化 并对 随 后 的位 错 运 动产 生 影 响[ ’ 1 . IT AI 合金 中形 变 会导致 界 面结 构 的重 大 变化 , 甚 至 发 生 形 变诱导 有序 相 转 变〔, 一 `」 · eF 3 IA 合 金 在 不 同温 度及 成 分 区 间 可 以 出现 be c 态 、 无序 态 、 B Z 结构 及 OD 3 结 构 {5] , 在 塑 性 变形 过 程 中发 生有 序 显 微变 化 的可 能 性 比较 大 · 有 序 合 金 的这 种 塑性 变 形基 本行 为 与有 序金 属 间化 合物在 不 同程 度上 表现 出来 的脆 性有 何 关系 , 这 是 一个值 得 探讨的 问题 . 特 别 是 当把 目光从 长 程 有序 转 向局 部 的有 序 变化 , 考 虑 它 对位 错运 动及 裂 纹 的影 响 时 , 这个 问题 就 变 得 更有 意 义 · 本文 着 重研 究 eF : lA 合金 在 室温 形 变 与 高温 蠕变 变 形 中发 生的有 序显微 变化 现象 , 并 从这 个观 点 出发来 研究 合金 元 素的 作用 . 1 试验方法 所 用 的 eF 3 AI 合 金 采 用 高 纯 原 材 料 经 真空 感 应 冶 炼 而 成 , 锭 质 量 为 5 k g · 合 金 以 eF +2 8 % lA ( 原 子 分数 ) 为基 础成分 , 含 铬合 金 的铬 含量 (原子 分 数 ) 为 5 % , eF 3 AI + C rz r M o Nb B 合 金是 eF 3A I + C r 合 金加 少 量 M o , Nb , z r 和 B · 铸 锭在 1 o 0 0 0C 退火 2 4 h , 再 经 8 50 一 1 o o o aC 19 9 7 一 01 一 10 收稿 第一作者 男 6 4 岁 教授 * 国 家 自然科学基 金资助项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 02. 007

·152· 北京科技大学学报 1997年第2期 热轧到5mm厚板、再室温轧到2mm厚的薄板. 拉伸试验用试样的有效部分尺寸为1.5mm×3mm×2mm,烯变试样的有效部分尺寸 为1.5mm×4mm×2mm,试样沿轧制方向切取，经不同热处理后，试样在空气中拉伸，拉伸 试验机型号为Instron4507,夹头运动速度为2mm/min,蠕变试验在600℃，200MPa条件下 进行. 用光学显微镜、透射电镜研究组织及位错结构，双喷液为5%HCO,+95%甲醇溶液，双 喷时温度为-28℃，双喷时电压为10~15V. 2试验结果 2.1室温塑性变形诱导无序化 DO,结构的F©，Al合金统室温拉伸到不同变形量后进行滑移线、位错组态及反相晦界分 析.图1为试样表面的滑移线形貌：当变形量为1.5%时，滑移具有面滑移的特点，滑移线平 直：当变形量增加到33%时，出现交叉的滑移线，某些地区的滑移线有转向的特点，表明当 变形量大时可以产生第2个滑移系滑移及交滑移.图2为不全位错运动形成的反相畴界形貌 交滑移 200μm 200m 留1FcA试样表面的滑移线形使(a)e=15%,b)c=33% a) 320nm 170nm 图2不全位错运动形成的反相聘界形晚()=1.5%.b)=33%

Vol.19 No.2 陈国良等：F,AI合金形变诱导有岸显微组织变化及合金元素的作用D ·153· 图2(a)为小变形量时的形变APB,它是平直的、 表1位错柏氏矢量的标定 当变形量增加时，如图2(b),形变APB产生某种 b 操作反射矢量？ 程度的波折、也说明有可能交滑移，但总的来 拍氏矢量(200)(110)(020)(01I)(110) 看，交滑移现象不很明显 对Fe,Al合金变形过程中的位错组态进行 1/2<II1> 0 1 TEM分析，得到的结果示于图3.对比Fe,Al合 1/1<i11> 0 0 注：1表示位错可见，0表示位带不可见 金文献中四分位错组态和二分位错对的形态， 可以看出，在未变形的试样中可以看到有少量短的位错对，多为四分位错组态，经少量变形后 (1.5%)的试样中却看到很多二分位错组态，随着变形量的增加(3.3%)，二分位错进一步分解 为单位位错，并出现位错缠结和位错墙.为了确认位错的性质，对形变位错的柏氏久量及滑移 面进行了测定，确定主要为12<111】]位错，滑移面为110)，具体分析结果见表1. 320nm 400nm 图3Fe,AI合金变形过程中的位错组态 ()未变形，(b)=15,%.(c)e=33,% 2.2蠕变诱导显微有序变化 作者曾对Fe,A1二元合金在600℃，200MPa条件下的孀变进行了分析，认为是攀移和回 复型蠕变).图4为B2结构F,A1基合金孀变断裂后的纵断面组织.可以看出已产生明显的 蠕变变形，不但在断口处晶粒形状已发生明显变化，在离开断口的地方也有明显的锯齿状晶 界，局部地方甚至产生亚晶及再结晶晶粒.这说明在铺变变形时已产生明显的攀移、晶界滑动 和迁移等回复过程.图5为B2结构Fe,A1基合金锈变断裂后的TEM位错组态，可以看到位 错胞，位错对和位错碎片等.弱束分析证明它存在大量的二分位错.前节已证明F,A1合金经 不大的形变后(1.5%)，四分位错就可以分解为二分位错，进一步变形(33%)就变为不成对的 位错运动.在媚变条件下，虽然孀变变形量远大于3%一4%，但位错并未变为不成对的位错 运动，仍是二分位错运动.这一现象应该看成是蠕变时变形和回复两个过程对合金有序的综 合影响.图6是一个Fe,A+CrZrMoNbB合金经600℃，200MPa蠕变断裂后的位错组态.可以

·154 北京科技大学学报 1997年第2期 看出它是一个四分位错组态，选区衍射也证明为DO,结构.虽然烯变试样的原始组织为B2结 构，但在局部地区媚变促进B2结构转变为DO]稳定结构.由于该合金的DO,→B2转变温度高 于600℃，因此尽管原始组织为B2结构，在蠕变过程中不但可以保持原始B2结构甚至在某 些地区进一步转变为更稳定的DO,结构， 2004 200Hm 图4B2结构F4合金罐变试样断表后的纵断面组织()断口处，(b)断口附近 200nm 130nm 图5FeAI合金经600℃，200MP 图6FeAl+CrZrMoNbB合金经600C. 蠕变断裂后的位错组 200MPa蝠变断裂后的位错组态 上述试验结果说明，在回复型锡变过程中可以发生2个相反的过程：一个是形变诱导无 序化，另一个是铺变诱导重新有序化，主要是锅变加速恢复到稳定的有序结构.蠕变过程一方 面是进行城变变形和诱导无序化过程，另一方面义是形变回复和形变加速有序回复过程，2个 过程同时进行互相影响.根据合金化程度和回复型烯变条件不同，2个过程的激烈程度不 同.有时，蠕变变形反会使有序化程度增加，得到比原始结构更稳定的有序结构

Vol.19 No.2 陈国良等：FA1合金形变诱导有序显微组织变化及合金元素的作用() ·155· 3讨论 Fe,AI合金是bcc衍生相，具有B2及DO,2种有序结构，高温下也可以变为bcc无序相.B2 结构可以有二分位错，中间有1/2<111)APB连接.对于DO,结构可以有四分位错和二分位错 2种，它们又包括1/4<1I1>APB和I/2<1II>APB,即前者是最近邻APB(NNAPB),后者是次近 邻APB(NNNAPB)4.当形变时，在外加应力的作用下四分位错可以分解为二分位错，以后二 分位错又可以分解为不成对的位错运动.Leamey曾计算得到四分位错分解为二分位错所需 的外力约为180MP,二分位错继续分解为不成对单位位错运动所需的外力约为450MPa) 本工作借助于TEM弱束技术测量了四分位错及二分位错的间距，由此得到E和 瓦wP分别为53×10-7~76×10-7J/cm和43×10-7~57×10-7Jcm2.把APB能代人 式(1)和式(2)就可计算位错分解所需的切应力： TAPB(i)=r/b (1) a=<m>TAPB(i) (2) 式中，TAPg()为切应力，r,为EAP阳或ENNNAPB柏氏矢量，G为外加应力，<P为平均取向 因子，一般为2.计算结果指出，四分位错分解为二分位错约需外力172~228MP,二分位错 分解为不成对单位位错所需外力为423~607MPa.这一结果与Leamey的计算结果一致，其 中Fe3Al合金屈服应力一般为300MPa.所以，DO结构的Fe3Al合金在外力作用下，在变形开 始初期四分位错就有可能分解为二分位错运动，随变形继续进行，1/4<111>位错运动使滑移 区的有序排列局部破坏，降低二分位错分解为不成对单位位错所需的力，这又进一步促进位 错的分解，最终导致二分位错分解为不成对位错运动对于多元的F©，A1合金，这种现象更易 发生.因为对于APB,二元Fe,Al合金包括Al-Al,Fe-Al,Fe-Fe3种结合键；对于多元的Fe,Al 合金则包括Al-Al,Fe-Al,Fe-Fe,Fe-Me,Al-Me,Me-Me6种结合键，这些键的相对含量与这 三组元的含量相关，形变将使这些结合键的分布更加无序化，因此更有利于位错的分解和运 动 在高温蠕变条件与高温及应力的同时作用下，蠕变变形同时发生回复，包括有序的回复 和形变的回复2种不同的回复.一般可以认为有序回复比形变回复更易进行，因为有序的回 复只需近邻原子的近程扩散.因此有序合金蠕变过程存在着蠕变变形、有序回复、形变回复、 空洞形成与长大等多种过程的相互影响、相互竟争.从本实验来看，蠕变过程中不仅是有序回 复，而且促进有序转变至最 表2原始结构对持久断裂寿命的影响(600℃，200MPa) 稳定的有序结构，即使原始 合金 原始结构 寿命/h 延伸率/%晶粒直径/μm 结构为B2结构也可以转变 4.9 41.8 -100 成为DO,结构，结果导致不 Fe;Al DO, B2 4.4 38.4 ~100 同原始组织或结构的合金· Fe:Al+CrZr DO, 21 32.5 -50 持久寿命差别的淡化.尽管 MoNbB B2 37 34.4 -50 对具有不同原始结构的合 金，其瞬时蠕变行为可能是 不同的，但是由于在蠕变过程中上述多种因素的相互作用，结果可以认为原始结构对回复蠕 变断裂性质影响将被淡化，见表2

v ol . 19 N .o 2 陈国 良等 : eF 3 A I合金形变诱导有序显微组织变化及合金元 素的作 用 (D 3 讨论 民lA 合金 是 be c 衍 生相 , 具 有 B Z 及 OD 3 2 种 有序 结 构 , 高温 下也 可 以 变为 be c 无序 相 . B Z 结 构 可 以 有 二 分位 错 , 中间 有 12/ < I n ) A P B 连 接 · 对于 OD 。 结 构可 以 有 四 分位 错 和二 分位 错 2 种 , 它们又 包括 14/ l< 1 1> A P B 和 l 2/ l< 1 1 > AP B , 即前 者是 最近 邻 ” B( N N A PB) , 后 者是次 近 邻 A P (B N N N A P )B ’[] . 当形 变 时 , 在外 加 应力 的 作 用下 四 分位 错 可 以 分 解 为 二分 位 错 , 以 后 二 分位错 又 可 以 分 解 为不 成 对的位 错 运动 . u am ey 曾计算 得 到 四 分 位错 分 解 为二 分位 错所 需 的外 力 约 为 1 80 M Pa , 二分 位 错继 续分 解 为不 成 对单 位位 错 运 动所 需 的外 力约 为 4 50 M P a 5[] . 本 工 作 借 助 于 T E M 弱 束 技 术 测 量 了 四 分 位 错 及 二 分 位 错 的 间 距 , 由 此 得 到 石N N 八 P B 和 乓~ P B分 别 为 5 3 x 10 一 ’ 一 7 6 x 10 一 ’ cJ/ m , 和 4 3 x 10 一 ’ 一 5 7 x 10 一 ’ cl/ m , . 把 A P B 能 代人 式 l( ) 和式 (2 )就 可计 算位 错 分解 所需 的切 应力 51[ : 爪 P B ( O = r ` / b ( l ) a = < m > 几 PB ( l) ( 2 ) 式 中 , T^ BP (l) 为切 应力 , 气为 凡NA P B或 气N AP 。 , b 柏 氏矢量 , 。 为外 加应 力 , < >m 为平 均取 向 因子 , 一 般 为 2 . 计算结果 指 出 , 四 分位 错分 解 为二 分位 错 约需外 力 1 72 一 2 28 M P a , 二分 位错 分解 为不 成 对单 位位 错所 需 外力 为 4 23 一 6 07 M p a . 这 一 结果 与 u am ey 的计算 结果 一致 , 其 中 eF 3 A I 合金 屈 服应 力一 般 为 30 0 M P a . 所 以 , D 0 3 结 构 的 eF 3 AI 合 金 在外力 作用 下 , 在变 形开 始初 期 四 分位错就有 可 能分 解 为 二分 位 错运 动 , 随变形 继 续进 行 , 14/ l< 1卜 位 错 运 动使滑移 区 的有 序排列 局 部 破 坏 , 降低 二 分位 错 分解 为 不 成 对单 位位 错 所需 的力 , 这又 进 一 步促 进位 错的分解 , 最 终 导致 二 分 位错分 解 为不 成 对位 错 运 动 . 对于多 元 的 eF 3 IA 合 金 , 这 种 现象 更 易 发生 · 因为 对于 A P B , 二元 eF 3 AI 合 金 包括 lA 一 lA , eF 一 lA , eF 一 eF 3 种 结合 键 ; 对于多 元 的 eF 3 IA 合金 则 包括 lA 一 lA , eF 一 lA , eF 一 eF , eF 一 M e , lA 一 M e , Me 一 M e 6 种 结合 键 , 这些 键 的相 对含 量 与这 三组 元 的含量 相 关 , 形 变将使这 些结 合键的分 布 更 加无 序 化 , 因此 更 有利 于 位 错的 分解 和 运 动 . 在高 温 蠕 变条 件 与 高温 及 应 力的 同时作 用 下 , 蠕 变变 形 同 时发 生 回复 , 包 括有 序 的 回复 和形 变 的 回 复 2 种 不 同 的 回 复 . 一般 可 以 认 为有 序 回 复 比形变 回 复更 易进 行 , 因为 有 序 的回 复只 需 近 邻原 子 的 近 程 扩散 . 因此有 序 合 金蠕 变 过 程存 在 着 蠕变 变 形 、 有序 回 复 、 形变 回复 、 空洞 形 成 与长 大 等多 种 过程 的相 互影 响 、 相互 竟争 . 从 本实 验来 看 , 蠕 变过 程 中不仅是 有序 回 复 , 而 且促 进有 序 转 变 至最 稳定 的有 序 结 构 , 即 使原始 结构为 B Z 结构也可 以转变 成为 OD 3结 构 , 结 果 导 致不 同 原 始 组 织 或 结 构 的 合 金 · 持久 寿命 差 别 的 淡 化 . 尽 管 对具 有 不 同 原 始 结 构 的 合 金 , 其瞬 时蠕 变行 为可 能 是 表 2 原始结构对持久 断裂寿命 的影响( 6 0 0 ℃ , 2 0 M aP ) 合金 原始结构 寿命 / h 延伸率 / % 晶粒直径 / 卜m eF 3 A I 4 . 9 4 . 4 eF 3 A I + C rZ r M o N b B 2 l 3 7 4 1 8 3 8 . 4 3 2 . 5 3 4 . 4 一 10 0 ~ 10 0 ~ 5 0 一 5 0 竺o3 BZ 不 同的 , 但 是 由于 在 蠕 变过 程 中上 述 多 种 因素的相 互 作 用 , 结 果 可 以 认 为 原始 结 构 对回复 蠕 变 断裂性 质影 响 将被 淡化 , 见 表 2