纯铁小颗粒中的马氏体相变

D0I:10.13374/j.1ssn1001-053x.1983.03.002 北京钢铁学院学报 1983年第3期 纯铁小颗粒中的马氏体相变 金相教研室李长海* 瑞典律勒奥大学材料工程系D.A.彼特K.E.依斯特林 摘要 当使用Ar+离子表击Cu一Fe合金薄膜试样时，试样中所存在的fcc亚稳状态小 铁颗粒将发生马氏体相变。定量立体电子显微术的试验结果表明：(a)马氏体相 变只限于在那些临近试样表面的小铁颗粒内发生(b)尽管试样的下表面不受A+ 离子的表击，也汉有幅射缺陷存在，但靠近下表面的小铁颗粒仍然发生了马氏体相 变。可见，由于离子轰击所引起的弹性表面波(Rayleigh Waves)是促成相变产 生的原因。 受表击试样的高分排率晶格象表明上述的马氏体相变又可分为二种类型：部份 型转变(Partially transformation)和整体型转变(fully transformation)。 其中，整体型转变后的小铁颗粒具有李晶型组织，使用一般的透射电子显微镜也能 看到，而部份型转变后的小颗粒里则含有很薄的马氏体片层，这些马氏体片平行于 未转变区内奥氏体的致密排列面。整体型转变只是在试样表面处的小铁颗粒内发 生，原因可能是这里的小铁颗粒有着足物的自由表面。而部份型转变则是在被铜基 体完全包裹着的颗粒内发生。 引 言 富铜的Cu一Fe合金经过适当的固溶化和时效处理以后，就会在富铜的基体上均匀地生 成几乎是纯铁成份的小颗粒。在尺寸较小时这些铁颗粒与铜基体保持完全的共格关系，只有 在直径超过80一100nm以后才变为半共格状态，在这两种情况下它们都以亚稳定的fCcY一 F状态存在。在室温条件下将试样变形或者把这些小颗粒由基体上萃取出来，都会引起Y一 Fε颗粒内发生马氏体相变〔1-4)。我们还将看到，离子对薄晶试样的轰击也能促成马氏体相 变的产生。 以往的工作曾经提出，在相变过程中r一Fe颗粒会全部变成孪晶马氏体〔5-7)。然而理 *李长海博士于l978一l981年在瑞典律勒奥大学材料工程系(Dept of Engineerring Materials University of Lulea Sweden)攻读博士学位。在此期问，他在K,E.依斯 特林散投(Prof.K.E.Easterling)和D.彼特博士(Dr.Davia Porter)指导下，完成 了题为《On the Nucleation and Growth of Martensite in Small Iron Particles in Copper》的论文，并获博士学位。这里发表的是李长海所写博士论文的主要内容。 *撕本文1983年3月14日收到。 36

北 京 翻 铁 学 院 攀 报 年第 名 期 纯 铁 小 颗 粒 中 的 马 氏 体 相 变 金 相教研 室 李长海 补 瑞典律 勒奥 大学材 料 工 程 系 彼特 依 斯特林 摘 要 当使 用 十 离子 表击 一 合金 薄膜 试样 时 ， 试样 中所存 在 的 。 亚 稳状 态小 铁领粒 将 发 生 马 氏体相 变 。 定 量立 体 电子 显 微术 的 试验 结果表 明 马 氏体相 变 只 限于在 那 些 临近 试样表面 的小铁颗粒 内发生 尽 管试样 的下表面 不 受 离子 的 轰 击 ， 也 没 有 幅射缺 陷存在 ， 但 靠近 下表 面 的小 铁颗粒 仍 然发 生 了马 氏体相 变 。 可 见 ， 由于 离子 轰 击所 引起 的 弹性表 面 波 是 促成 相 变产 生 的原 因 。 受 袭击 试样 的 高分辫 率晶格象表 明上 述 的 马 氏体相 变又 可 分 为二 种 类型 部 份 型转 变 和 整体型转变 。 其 中 ， 整体型转 变后 的小铁 颗 粒 具 有 孪晶型 组 织 ， 使 用一 般 的透射 电子显微镜也 能 看到， 而 部 份型转 变后 的小颗粒 里 则含有很 薄的 马 氏体片层 ， 这 些 马 氏体片平代于 未转 变 区 内奥 氏体 的致 密排 列 面 。 整 体型转 变只 是 在试 样表面 处 的小铁颗粒 内 发 生 ， 原 因可 能是 这 里 的小 铁 颗 粒 有着足 豹的 自由表面 。 而 部份型转 变则是 在被 铜墓 体完全 包裹 着 的颖 粒 内发生 。 司甲 右 青仁 富铜 的 一 合金经过适当的 固溶化和 时效 处理 以后 ， 就会在富铜 的基体上均 匀地 生 成 几乎是 纯 铁成 份 的 小 颗 粒 。 在 尺 寸较小 时这些铁 颗 粒 与铜基 体保 持完 全 的共格关系 ， 只 有 在 直径 超过 一 以 后 才 变为半共 格状 态 ， 在这 两种 情况下 它 们 都 以 亚 稳定 的 一 状 态存在 。 在 室 温 条件下 将试 样 变形 或者 把这 些小 颗 粒 由基体 上萃取 出来 ， 都会 引起 一 颗 粒 内发 生 马 氏 体相 变 〔 一 〕 。 我们 还 将看 到 ， 离子 对薄晶试 样 的 轰击也 能促 成 马 氏体 相 变的产 生 。 以往 的 工 作 曾经提 出 ， 在 相 变过程 中 一 颗 粒会全 部变成孪 晶马 氏体 〔 一 〕 。 然 而理 朴 李长 海博 士于 一 年在瑞典律勒奥 大学材料 工 程 系 攻读博 士学位 。 在此 期 间 ， 他 在 伎 斯 特林 教授 和 彼特博 士 完日 成 ， 指导下 ， 题 为 《 。 》 的论 文 ， 并 获 博士学位 。 这 里 发表 的是 李长 海 所 写 博士论 文 的主 要 内容 。 二 本 文 年 月 日 收到 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．002

论计算表明，被铜基体包裹着的r一Fe颗粒里的马氏体相变产物即使以孪晶马氏体的形式出 现，也只有少数的马氏体薄片才有可能形成，这是由于相变过程中所存在的应变能造成的后 果。 这一工作的目的是研究A离子轰击在薄晶体试样中促成的马氏体的生核与长大。 试 验 在这一工作中使用了两个成份的合金：Cu一1%Fe和Cu一1.98%Fe。固溶化和时效处 理以后所得到的小铁颗粒沉淀物的平均直径尺寸为40一50nm。 采用双喷电解抛光的方法制作透射电镜薄膜试样。试样直径为3mm,电解液的成份是 30%HNO3+60%CH,OH,电解抛光电压为20V,抛光过程是在-60°±5℃的温度条件下 进行。采用不同能量和不同流量的A+离子束由一面轰击薄膜试样，在不同的试验里所采用 的Ar+离子能量（和流量）分别为5kev(4×10°离子/μm秒)，80kev(10‘离子/μm2秒) 和330kev(10‘离子/μm2秒)。由薄膜中心穿孔透过的Ar+离子落入放置在试样后面的法 拉第圆筒，圆筒内涂以石墨或氨化硼，它们会把这些A+离子完全吸收掉，所以不会有杂散 的A+离子浅射到试样的后表面。在真空喷镀仪内使少量的A“升华，并在试样的被轰击面 上聚集成一些直径小于5nm的小“金岛”，在定量立体电子显微术的计算中成为确定被轰 击试样表面位置的参考点。 试样的观察分别在JSEM一200B型高压电镜和英国剑桥大学的600KV高压高分辩率电 镜上进行。其中剑桥的电镜是用于成象fcc和bcc点阵的密排面，通常采用II0〉fcc或者 〈112)fcc晶带轴。 最后需要说明，在试样的制备、离子轰击、喷金和向电镜内装试样的全部过程中都必须 非常小心，不要使试样产生任何的弯曲变形，否则下述的试验结果将弄不清是由离子轰击还” 是由试样的变形所引起。 试验结果 图1是一对立体电子显微术照片，使用的衍射矢量为g(131),电子束方向接近于试样 的〔211)晶带轴，试样是被80kev的Ar+离子轰击过的。由5kev和330 kev Ar+离子表击过 (a) (b) 图1立体电子显微术“图象对”，试样是由80 kev Ar+离子表击过的衍射条件： (131)〔211)。 37

论计算表明 ， 被 铜基体 包裹着的 一 颗 粒里 的 马 氏体 相 变产物即使 以 孪晶 马民体的形式出 现 ， 也只 有少数的 马 氏体薄片才有可 能形成 ， 这是 由于 相 变过 程 中所存在 的应 变能造成的后 果 。 这一 工 作的 目 ’ 的是研 究 十 离子轰 击在 薄 晶体试样 中促成的 马 氏体的 生核 与长大 。 试 验 在这一 工作 中使 用 了两个成份 的 合金 一 和 一 。 固溶化和 时效处 理 以后 所得 到的小铁颗 粒沉淀物 的平均直 径尺寸为 一 。 采 用 双喷 电解抛 光的方 法 制 作透射 电镜薄膜试样 。 试 样直径为 ， 电解液的成份是 ， 电解抛光 电压 为 ， 抛 光过程是在 一 “ 土 ℃ 的温 度条件下 进行 。 采 用 不 同能 量 和 不同 流量 的 十 离子束 由一面 轰击 薄膜试样 ， 在 不同的试 验里所采用 的 离子能量 和 流量 分另，为 离子 卜 盆秒 ， ‘ 离子 卜 名秒 和 ‘ 离子 协 “ 秒 。 由薄膜 中 心 穿孔透过 的 离子 落入 放置在试样后面 的 法 拉 第圆 筒 ， 圆 筒 内涂 以石 墨 或 氮化硼 ， 它们 会把这些 离子完全吸 收掉 ， 所 以 不 会有杂散 的 离子浅射 到试样的后 表面 。 在真 空喷镀仪 内使少量 的 升华 ， 并在试样的被 轰 击面 上聚集 成一 些 直 径小于 的 小 “ 金 岛 ” ， 在定量立体 电子显微术的计 算中成为确定被轰 击 试样表面位置 的 参考点 。 试样的 观察分别在 一 型高压 电镜和英国剑桥大学的 高压 高分辩率电 镜上进行 。 其 中剑桥 的 电镜是 用 于成象 。 和 点 阵的 密排面 ， 通常采 用 》 或者 牡 晶带 轴 。 最 后需要说 明 ， 在试样的 制备 、 离子轰击 、 喷金 和 向电镜内装试样的全部过程 中都必须 非 常小 心 ， 不要使试样产 生任何的 弯 曲变形 ， 否则下违的试验结果将弄 不清是 由离子轰击还 ， 是 由试样的 变形 所 引起 。 · 试验结果 图 是 一 对立 体 电子显微 术照片 ， 使用 的 衍射 矢量为 ， 电子 束方 向 接近于试样 的 〔 〕晶带 轴 ， 试样是被 的 离子轰击 过 的 。 由 和 离子轰击过 食 ‘ 图 立 体 电子 显微术 “ 图象对 ” ， 试样是 由 十 离子 袭击过 的衍射条件 丁 〔 〕

的试样有着与此类似的显微组织。图1中大多数的 r一Fé颗粒与铜基体呈共格状态，并显示了典型的 应力场衬度。一些综近被轰击试样面的铁颗粒与 铜基体失掉了共格关系，部分地或整体地转变成 a一Fe。电子衍射分析告诉我创，有许多发生了相 变的铁颗粒具有孪船结构（见图2），{112}.孪 晶面近似地平行于{110}；，其中的-一组孪品表 现出大家所熟悉的Kurdjumov一Sachs取向火系。 这种显微组织与机械变形.：节取所进成的小铁颗粒 相变后的组织是一样的〔3,5,6)。这种孪晶型的 图2一些小铁颗粒在离子表击后 结构也被高分辨率电子址微术所证实。图3业示了 显现了李晶马氏体结构 一个相变后颗粒的晶格家，如图中所标注，基体中 (a) 的条纹是{111}，品格面，颗粒内的条纹 (112)x-Fe 是{110}。晶格面，不同部分中的{110}。 条纹呈李晶关系相交于{112}.孪晶面。 遗憾的是本文中的所有晶格象都不能充分 地放大，以便清楚地显示所含的内容。应 /14.5° 当注意到：很难用一般的电子显微术来分 (110)c-Fe (1110E-cu 辨那些与基体失掉共格关系的小颗粒是经 历了部分型转变还是整体型转变。 图1中的小黑点主要是由离子轰击所 (110)ox-Fe 引起的幅射缺陷（其边界为Fran k型位错 (b) 或者Shockley型位错)，其中有一些是用 图3晶格象整体型转变了的铁颗粒显现出李 晶马氏体组织，〔211)晶带轴(a)和它 于标明被轰击试样表面位置的小“金岛”。 的晶面指数示意图(b) 38

一显 现些小了铁李颗晶粒马在氏体离子结构表击 后 的试样 有着 与此 类似 的显微组织 。 图 中大 多数的 一 颗 粒与铜 基体呈共格状 态 ， 并显 示 了典型 的 应 力场衬 度 。 一 些 靠 近被轰 击 试 样 表面 的铁 颗 粒 与 铜基体 失掉 了共 格 关 系 ， 部分 地 或 整 体地 转 变成 一 。 电子衍射 分析告诉 我们 ， 有许 多发生 了相 变 的铁 颗 粒具 有孪 晶结 构 见 图 ， 。 孪 晶面 近似 地平 行于 。 宁 面 ， 其 中的一 组 孪 晶 表 现出大家所熟悉 的 ， 一 取 向关系 。 这 种显微 组 织 与机 械 变形 万 草取所造成 的 小铁 颗 粒 相 变后 的 组 织是一 样 的 ， ， 〕 。 这 种 孪 晶 型 的 结 构 也被 高分辨 率 电子显 微 术所证 实 。 图 显 示 了 一个 相 变后 颗 粒的 晶格 象 ， 如 图 中所标注 ， 基体 中 图 的 条纹是 笼 ， 舒格面 ， 颗 粒内的 条纹 是 王 。 晶 格面 ， 不 同部分 中的 。 条纹呈孪晶关 系 相 交 于 。 孪晶面 。 遗憾的是 本文 中的所有 晶 格象都不 能充 分 地放大 ， 以 便清楚 地显示 所 含的 内容 。 应 当注 意到 很 难用一 般 的 电子显微术来 分 辨 那些 与基 体失掉共 格关系 的 小颗 粒是 经 历 了部分型转 变还是 整体型转 变 。 图 中的 小黑点 主 要是 由离子轰击 所 引起的 幅射 缺 陷 其边界 为 型 位 错 或 者 。 。 型位 错 ， 其 中有一 些是 用 于 标 明被轰 击试样 表面 位 置 的 小 “ 金 岛 ” 。 图 体型转 变 了的铁颗粒 显现 出孪 组 织 ， 〔 晶 带轴 和 它 数 示 意图

160 (b 100 w (c) 20 20 260 Enm) (d) (e () 0 50 100150 200 250 0 100 200 20 (nm) (nm) 图4在5kev(a-c)和80kev(d-f)Ar+离子费击试样内的幅射缺陷(a,d), 相变(c,f)和未相变(b,e)颗粒的深度分布 图4中的d,e,f是由图1计算得出的试样内幅射缺陷与小铁颗粒（转变的与米转变的）的深度分 布图，a,b,c则是由5 kev Ar+离子轰击试样所得的同类图型。在5 kev Ar+离子轰击试样 中，离子束所造成的辐射缺陷由试样表面延伸到深度为35·m的位置，其密度最大的峰值在 深度大约为15nm的地方（图4a),中心位置深度小于20nm的所有的铁颗粒全部产生了相 变，而中心位置深度大于50mm的颗粒则没有一个发生转变（图4c)。这里我们要注意到： 已发生相变的颗粒是部分地突出在试样袭面以外的，因为小颗粒的半径约为20m。由此看 来，所发生的相变仿佛是由于幅射缺陷与铁颗粒的作用而引起。然而，80 kev Ar+离子轰击 的试验结果（图4d一）并没有攴持这一设想。在这组结果里，离子辐射缺陷的集中范围可 达145nm的深度，其至在深度为195nm的地方仍可依稀可见，缺陷分布峰值处的深度物 值是70m,然而在这种情况下发生了相变的颗粒却分布在试样的上下两个表面附近。显 然，在试样非轰击表面处相变了的颗粒已处于幅射缺陷的分布区域之外。另外，在试样的中 部(100nm至170nm之间)并没有任何颗粒发生了相变，尽管在这一区域里（至少是在其 中的部分区域里)有幅射缺陷存在。330 kev Ar+离子轰击过的试样也显示了类似的结果： 幅射缺陷满布着整个试样，但试中部的小铁颗粒仍然不产生相变。 晶格象用于了测量来转变Y一Fe颗粒与铜基体之间在共格状态下的限制性应变 dpe一dcu/dcu,所测量的晶格面是{111}1cc。在大量测量的基础上（对基体共做了200次测 39

厂 产成欲 … 口 一 乃 ， ， ， 劲肠铭 盆 月 ， ，‘ 盆 口肠 二 公 ，， 。 价万勺场 只 八 图 在 一 和 一 离子 表击 试样 内的幅射缺 陷 ， ， 相 变 ， 和 未相 变 ， 颗 粒 的深度分布 图 中的 ， ， 是 由图 计算得 出的 试样 内福射 缺 陷与小铁颗 粒 转 变的 与未转 变的 的 深度分 布图 ， ， ， 则 是 由 十 离子 轰击 试 样所 得 的 同 类图型 。 在 斗 离子轰击试样 中 ， 离子 束所造 成的 福射 缺陷 由试样 表面 延伸到深度为 的 位置 ， 其 密 度最大的 峰值在 深度大约为 的 地方 图 ， 中心位置 深度小于 的所 有的铁 颗 粒全部产 生了相 变 ， 而 中心位置 深 度大于 的 颗 粒 则没 有一个发生转 变 图 。 这里我们 要注意到 已发生相变的颗 粒是 部分地突 出在试样 表面 以外的 ， 因为小 颗 粒的半径约 为 。 由此 看 来 ， 所发生的 相 变仿佛 是 由于 幅射 缺陷 与铁颗 粒的 作用而 引起 。 然而 ， 离子轰击 的试 验结果 图 一 并没 有支持 这一 设 想 。 在这组 结 果里 ， 离子辐射 缺 陷的集中范围可 达 的 深度 ， 其至 在 深度为 的 地 方仍 可 依稀可见 ， 缺 陷分布峰值 处的 深度数 值是 ， 然 而在 这 种情 况下 发 生 了相 变的 颗 粒却 分布在 试样 的 上下 两个表面 附近 。 显 然 ， 在 试样非 轰 击 表面 处相 变 了的 颗 粒已处 于幅射 缺 陷的 分布 区域 之外 。 另外 ， 在 试样的 中 部 至 之 间 并没有 任 何颗 粒发生 了相 变 ， 尽管在这一 区域里 至 少是在其 中的 部分 区域 里 有 幅射 缺 陷存 在 。 十 离子 轰击 过的 试样 也显示 了类似 的 结 果 幅射 缺 陷满布着整 个试样 ， 但试样 中部的 小铁 颗 粒仍 然 不产 生相 变 。 晶格 象 用 于 了 测量 未 转 变 丫一 颗 粒 与铜 基体 之 间 在共格 状态下 的 限制 性应 变 。 一 。 。 。 ， 所 测量 的 晶格面是 笼 。 。 。 在大量 测量 的 基础 上 又」 ‘ 基体共 做 了 次 测

量，每次测量以30个晶格面间距取平均值，对颗粒也做了200次测量，每次测量以20个晶格面 间距取平均值)所确定的限制性应变为-0.27±0.13%(95%置信度)。对同类试样采用x 射线衍射方法所测得的数值是一0.24±0.04%。可见这两种方法所得的试验结果非常接近， 这也说明使用晶格象来测量晶面间距是可行的。 已转变颗粒的晶格象是由80kev离子轰击试样的薄边处（厚度小于50nm)摄取的。由 图4可知，这一区域内的铁颗粒在用普通透射电镜观察时其形态应当如图2所示，但是它们 的晶格象却很少显现如图3所示的相应的孪晶型结构，通常看来，它们与未轰击试样中的未 相变共格颗粒相近。晶面间距测量表明：发生了相变的颗粒其限制性应变量明显地减小，而 且所测得的面间距数值分布范围大为加宽。此外，在这种转变了的颗粒里经常见到一个或几 个边界清晰的“棱”（只有几个晶面间距宽）和一些衬度明显的“黑色区域”，它们全与 图5部分型转变小铁颗粒的晶格象“棱”和“黑色区域”全与{111}1cc 晶面条纹平行〔110)晶带轴。 40

， 每 次测量 以 个晶格面 间距取 平均值， 对颗 粒也做了 次 测量 ， 每 次 测量 以 个晶格面 间距取平均值 所确定的 限制性应 变为 一 土 置 信度 。 对同类试样采用 射线衍射方法所 测得 的 数值是 一 土 。 可 见 这 两种方 法所得的试 验结果非常接近 ， 这也说 明使用 晶格象来 测量 晶面 间距是可行 的 。 巳转 变颗粒的 晶格象是 由 离子 轰击试样 的 薄边 处 厚 度小于 摄取 的 。 由 图 可 知 ， 这一 区域 内的 铁 颗粒在用普 通透射 电镜观 察 时其形 态应 当如 图 所示 ， 但是它们 的 晶格象却很 少显现如 图 所示 的 相应 的孪晶型结构 ， 通常看来 ， 它们 与未轰 击试样 中的 未 相 变共格颗粒相近 。 晶面 间距 测量 表 明 发 生 了相 变的 颗粒其 限 制性应 变量 明显 地减小 ， 而 且所测得的面 间距数值 分布范围大为加宽 。 此 外 ， 在这 种转 变 了的 颗 粒里 经常见 到一 个或 几 个边界清晰 的 “ 棱 ” 只 有几个 晶 面 间距宽 和 一 些衬 度 明 显 的 “ 黑 色 区域” ， 它们 全 与 图 部 分 型转 变小 铁颗粒 的晶格象 晶 面条 纹平 行 。 晶 带轴 。 “ 棱 ” 和 “ 黑 色 区域” 全 与 ， 。