铝合金中粗大物相的鉴定

赵云龙

(辽宁装备制造职业技术学院 科研处，辽宁 沈阳 110161)

铝合金中粗大物相的鉴定

赵云龙

(辽宁装备制造职业技术学院 科研处，辽宁 沈阳 110161)

摘要：阐述了利用电子衍射方法鉴定物相的特点和基本过程，并结合电子衍射标定常用软件、透射电子显微镜能谱分析功能和系列倾转技术，对铝合金中出现的粗大物相进行了电子衍射分析和鉴定，最终确定了该粗大物相是合金在熔炼过程中出现的共晶金属间化合物S-Al2CuMg相。

关键词：铝合金；物相；金属间化合物；TEM；系列倾转技术

物相就是物质中具有特定物理和化学性质的相。在一种物质中，同一元素可能以一种或多种化合物状态存在，所以，特定物质的物相都是以元素的赋存状态及某种物相(化合物)相对含量的特征而存在的。物相分析有多种分类方法，按采用的手段可将其分为物理物相鉴定方法和化学物相鉴定方法两类。湿法化学分析法属于化学鉴定法，显微镜鉴定、X射线物相分析和差热分析等属于物理分析法。

物相鉴定作为人们认识客观自然世界的最基本方法之一，受到特别关注。近年来，随着现代分析测试手段的发展，一些新的鉴定手段在物相鉴定过程中起到了重要的作用。其中，以利用transmission electron microscope(TEM)进行的电子衍射物相分析方法发展最为迅速。

电子衍射分析多数情况下是根据资料、工艺、成分及相图，预知可能出现的相，再利用电子衍射及衍衬方法，确定某几个相的存在及其形状、大小和分布。其基本过程可以概括为：1)根据所研究合金的主要元素的含量、熔炼、热处理和气相沉淀等工艺，查阅相关文献资料，确定合金可能形成的合金相、亚稳相和间隙相；2)收集研制合金的相关资料，特别是其中合金相的晶体结构、晶体学的数据，制作(hkl)与dhkl表，即晶体指数与晶面间距数据表；3)用X射线衍射法分析X射线衍射峰的相关规律，初步确定该合金可能出现的物相及晶体结构；4)了解电子衍射强度相关知识，因为有关晶体的点对称、微观对称及原子坐标的情况都反映在晶体单胞对电子散射的结构因数中，并与记录的衍射强度有关。

1试验材料及过程

试验用Al合金为商用2024铝合金，经冷拔成形为管，厚度t=10 mm，直径φ=200 mm，长度L=5 mm。样品的工艺状态为778 K条件下固溶处理、淬火、冷拔，变形量为2.5%，放置于室内数月进行自然时效处理。

对于块体样品，其透射电镜样品制备方法比较简单，具体方法参见文献[1]。制样设备包括：Buehler 11-1280-250低速锯、Gatan 623-40002 型样品镶嵌加热台、Gatan 656A型凹坑仪和Gatan 691型离子减薄仪。

为了保证研究样品力学性能、显微硬度与微观结构的一致性，试验中笔者对拉伸后的样品进行了微观结构观察。为排除塑性变形对试样的影响，除研究应力对微观结构影响的样品取自标距区域的变形部位，其他用于观察的样品均取自样品的夹持部分。

将拉伸后试样粘于玻璃片上，用低速锯将拉伸试样夹持部分切割成边长为3 mm的正方形，然后在2000#水磨砂纸上机械研磨两面至40 μm，再换用3000#水磨砂纸研磨至30 μm左右。用于研究拉伸对微观结构影响的样品，因其内部残存大量应力，因而制样时防止样品变形是制样的关键。常用制样方法是将该样品一面用3000#水磨砂纸研磨，再将该面粘于直径为3 mm的钼环上，研磨没粘环的一面至40 μm；然后，利用Gatan微凹仪凹坑，凹至中部最薄区域厚度约为20 μm时将样品取下，利用丙酮和酒精清洗样品；最后，用离子薄化器进行减薄。为了减少氩离子轰击时对样品的损伤，利用Gatan691 型离子减薄仪双枪减薄时，初始氩离子加速电压为4.5 kV，入射角为5°；然后，逐步降低电压并减小入射角；最后，调整加速电压为3 kV，入射角为4°，减薄5 min。最后，一步对于去除非晶层作用很大，经过上述方法减薄后的样品就可以直接用于TEM观察。

透射电镜观察主要在TecnaiG2 Super-twin F30场发射分析型透射电镜上进行，该电镜的技术性能指标为：工作电压为300 kV，点分辨率为0.20 nm，信息分辨率为0.11 nm，线分辨率为0.10 nm，物镜球差系数为1.2 mm；双倾操作是在Gatan低背底双倾样品台上进行，其沿X、Y轴的倾转角均为±40°；像记录系统采用Gatan894 ultrascan1000型慢扫描CCD相机，分辨率为2 048×2 048；微区定性成分分析采用Gatan EDAX 探头，能量分辨率为0.8 eV，EDXS的能量分辨率为130 eV；配备GIF系统的F30可以保证在很小的会聚角条件下拍摄照片，既保证了获得所需的放大倍数，也能保证电镜的充分发挥作用。

2结果与分析

样品中出现的粗大物相的透射电子显微照片如图1所示。图1a所示为粒子的暗场照片，从图1a中可以看出，该粒子呈椭圆形，尺寸为～5 μm，内部有大量的位错存在。对该粒子进行HAADF研究(见图1b)发现其中含有较铝元素原子序数高的元素。为了鉴别该粒子的类别，接下来对该粒子的化学成分进行EDS定性分析。

图1　应变为0.2时第二相的形貌、成分和系列衍射照片

图2所示为该粗大物相的化学成分定性分析结果。从图2可以看出该粒子中只存在Al、Cu和Mg元素。根据谱线数值的大小可近似地看出，在该粒子中Al元素的含量最高，Cu和Mg元素的含量几乎相当。

图2　粗大物相的化学成分定性分析结果

为了鉴定该物相，采用系列倾转技术，利用双倾样品台拍摄了同一菊池带下的3张能自洽的衍射谱照片(见图3)。成分分析确认该粗大物相中只含有Al、Cu和Mg三种元素，利用所含元素进行可能物相范围检索。打开pcpdfwin软件，在search菜单下按Elements→Select elements→Just(slow)的顺序操作，并在检索条件中输入Al、Cu和Mg3种元素。检索结果显示，只含有Al、Cu和Mg元素的物相有Al2CuMg、Al5Cu6Mg2、Al6CuMg4、Al50Cu2Mg48、AlCuMg、Al47Mg32Cu7、Al7Cu3Mg6和Mg2Cu4Al5共8种。结合2024铝合金熔炼过程相图，确定出现的析出相的可能范围缩减到Al2CuMg和Al6CuMg4两种。

图3　同一晶轴下的系列衍射照片

利用PDF卡片(见图4)查取Al2CuMg的晶体学常数为：a=4.008 nm，b=9.248 nm，c=7.154 nm，属正交晶系；Al6CuMg4相的晶体学参数为：a=18.79 nm，c=19.75nm，属四方晶系。

图4　PDF卡片上输入已知元素进行可能物相检索

选择图3中任意一幅电子衍射图(本文以图3a为例)中心透射斑点周围不在同一条直线上的3个衍射斑，分别测量其与中心透射斑之间的距离，以及每两者之间的夹角大小(见图3a)。尝试采用Al2CuMg相的晶体参数进行标定，并将所得数据填入晶面指数标定软件中(见图5)，计算出可能的组合。

图5　利用晶体指数标定软件计算可能的{hkl}1和{hkl}2矢量

利用晶体指数标定软件计算可能的{hkl}1和{hkl}2矢量，并利用[uvw]=[hkl]1×[hkl]2计算出晶带轴(标定的结果见图3a)。用同样的方法标定图3b，并确定相应的晶带轴指数(结果见图3b)。

根据参考文献[2]中式5-3，计算倾动样品时晶体倾转角度，实测值为24°，与理论值23.45°(见图6)吻合得很好，说明上述标定正确，尝试利用S-Al2CuMg标定成功；因此，确定该粗大物相为S-Al2CuMg相。如果尝试利用S-Al2CuMg相无法成功标定该物相，则采用Al6CuMg4相关晶体学参数进行标定，直至正确自洽地标定为止。

图6　利用Crycom计算晶带轴夹角

3结语

利用常用的TEM计算分析标定软件——晶体指数标定软件和Crycom，对铝合金中出现的粗大物相进行了鉴定。Crycom和晶体指数标定软件的应用减少了标定过程中的繁杂计算，提高了标定效率，最终确定了该粗大物相为S-Al2CuMg共晶金属间化合物。

参考文献

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

[2] 吴杏芳, 柳得橹. 电子显微分析实用方法[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1998.

责任编辑郑练

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

作者简介：赵云龙(1976-)，男，博士，副教授，主要从事材料微观电子显微学、工程材料强化以及模具设计CAD/CAE等方面的研究。

中图分类号：TG 146.2+1；TP 39

文献标志码：A