晶体学取向关系的测定

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1、2 3电子衍射花样测定晶体学位向关系的应用例子 一 概述工程上实际应用的金属材料 在多数情况下都是由两相或多相组成 各相之间往往存在着某种特定的取向关系 例如 钢中的奥氏体向马氏体转变过程中 由于这种相变具有按共格切变方式进行的特点 新相和母相之间存在着一定的取向关系 在钢中已经观察到的取向关系有K S和西山关系 又如钢中的碳化物或合金中的第二相的共格沉淀析出 第二相和母相之间也存在某种特定的取向关系 再如 在金属和合金的氧化 半导体的外延生长 金属材料的电镀等过程中 这些表面外延层也通常沿着基体的某一晶面和方向生长 因此 这些表面外延层和基体之间也存在确定的取向关系 事实上 既使是单相材料

2、一般也均为多晶体 晶粒之间也可能存在特定的取向关系 如前所述的孪晶实际上就是同一类型晶体间的一种特殊的取向关系 由此可见 测定取向关系 对于了解晶体的生长及相变等微观过程的本质 在理论上具有指导意义 而且取向关系的研究对于材料的发展及其工艺的合理选择也有实用价值 X射线衍射和电子衍射是测定晶体取向关系的两种常用方法 利用X射线衍射测定取向关系 能获得较高的精度 要求样品是尺寸不小于0 1毫米的单晶 这对于有些金属和合金来说是比较困难的 在透射电镜中进行电子衍射测定取向关系则具有许多优点 一方面 由于选区电子衍射可以把选区范围小到1微米以下 微衍射的区域则更小 这样的尺寸往往比常见的金属和合金的

3、晶粒尺寸还小 因此无须制备单晶 完全可以使用多晶样品 另一方面 电子衍射图是晶体的二维倒易平面阵点排列图形的放大像 因此从两相合成的电子衍射图上有时可以直观地反映出两相的取向关系 还有 利用透射电镜可以观察两相的形态 可以把取向分析和形态观察结合起来 测定结果准确地反映人们感兴趣区域的两相取向关系 因此 利用透射电镜电子衍射测定两相取向关系得到了广泛的应用 电子衍射图测定取向关系 既可以利用斑点衍射图也可以利用菊池衍射图 斑点衍射图测定取向关系 又可分为极图法和矩阵分析法 这两种是常用的测定两相取向关系的方法 但是不如菊池衍射图精度那么高 二 两相取向关系的描述 三 由两相合成电子衍射图直接确

4、定两相的取向关系如果选区域内由两相 或两部分晶体 组成 则会获得两相 或两部分晶体 的合成电子衍射图 如果两相的正空间点阵存在特定的取向关系 则相应的倒易点阵也必然存在同样的取向关系 而两相的合成电子衍射图就是这两相晶体倒易点阵平面的叠加 因此 在某些特殊的取向下 可由两相合成的电子衍射图直接确定两相的取向关系 如图5 1所示的两相合成电子衍射图 就能直观地显示两相的取向关系 两相晶体学位向关系的测定 工作要点 1 摄取含有两相信息的选区电子衍射花样 一般要2套以上 2 对花样进行标定 一般属两相点阵为已知的情况 3 根据标定过的衍射花样 找出两相的平行晶面和平行晶向 一般找低指数的平行晶面和

5、平行晶向 4 将初步得到的位向关系表示到一个极射赤面投影图中 再在该投影图上核对其他衍射花样代表的平行关系是否符合该关系 5 对于已知的位向关系 如K S N W G T等关系 可直接画出代表该关系的极射赤面投影图 再将实测的平行晶面和平行晶向关系表示到该投影中 核对这些平行关系是否符合已知的位向关系 或与已知位向关系相差多少 最后求出位向关系 两相晶体学位向关系的测定 摄取测定位向关系用电子衍射花样时注意点 1 所摄取的花样必须是完整的 即中心斑周围的衍射斑点亮度必须均匀 对称 这样才能保证所得到的晶带轴 晶向 是正确的 2 为了获得斑点亮度均匀 对称的衍射花样 要在操作电镜时细心地倾转试样

6、 即边倾转边观察 使入射电子束方向与花样代表的晶带轴平行 有菊池衍射时 利用菊池花样 菊池中心 帮助实现晶带轴的精确定向 3 尽量寻找低指数的复合衍射花样 当位向关系大致知道时 如对FCC BCC和HCP BCC合金系统 尽量 有目的地倾转试样 寻找和摄取 特殊晶带轴 所代表的复合衍射花样 如FCC BCC系统K S关系中的fcc bcc fcc bcc 和fcc bcc等 见后述 用于直接确定两相取向关系的合成电子衍射图应满足两个条件 一是电子束相对于两相均为对称入射 即两相的晶带轴均与入射电子束平行 二是在衍射图中存在两相互相平行的倒易矢量 即衍射图中有两相的衍射斑点与中心斑点共线 利用两

7、相合成电子衍射图直接确定两相取向关系的步骤如下 1 从合成的电子衍射图中分离出两套衍射斑点 分别标定两套衍射斑点指数 并确定晶带轴指数 uvw A和 u v w B 2 找出互相平行的两相的矢量RA和R B 指数分别为 hkl A和 h k l B 3 可确定两相的取向关系为 例1已知图5 1 a 是某镍基高温合金基体和 Ni3Nb 相的合成电子衍射图 已知基体为面心立方结构 aM 3 597 相是体心正方结构 试由此两相合成电子衍射图确定两相的取向关系 首先分离两套衍射斑点 并标定各衍射斑点的指数 求出晶带轴 结果如图5 2所示 由此标定结晶可直接得出两相的取向关系为此外 利用两相重合的衍射

8、斑点 可近似换算 相的晶格常数 由可得 当然 图5 1 a 也可以标定为其它结果 即基体的衍射可以标定为 211 M晶向族中的任一晶带 而 相衍射也可标定为 111 晶向族中的任一晶带 这样 将可能得出多种取向关系 但这些取向关系应为同一类型取向关系的不同变体 这一点将在以后进行讨论 在有些情况下 两相的合成电子衍射图中 两相之间无平行的倒易矢量 更没有重合斑点 此时两套衍射斑点之间看起来毫无联系 出现这种情况的原因是 1 两相中至少有一相的对称性较差 因此只有几个特定的倒易面才能反映两相间的取向关系 而样品没有倾转到合适的取向 2 两相间的取向关系是高指数晶面或晶向的平行 或者电子衍射图是高

9、指数晶带 对于这类合成电子衍射图 则不能直接从衍射图中得到两相的取向关系 此时需借助两相合成的极射赤面投影图 利用极图描点法 来确定两相的取向关系 a 形态 b 衍射花样 例子2 在 100 单晶硅片上蒸镀的纯铝薄膜 110 面织构 Al膜中的 110 面织构 整块膜中只有2个 110 变体 彼此成90 排列 两晶粒间相当于 110 90 位向关系 例子3 25 12奥氏体耐热铸钢时效析出 Cr Fe 23C6碳化物 FCC 的形态和晶体学位向关系 a b 25 12奥氏体耐热铸钢600 C时效时 在奥氏体 FCC 基体中析出的 Cr Fe 23C6碳化物 FCC a B 001 A b B

10、110 A 25 12奥氏体耐热铸钢时效析出 Cr Fe 23C6碳化物 FCC 的形态和和与奥氏体间的立方 立方位向关系 a b 25 12奥氏体耐热铸钢600 C时效时 在奥氏体 FCC 基体中析出的 Cr Fe 23C6碳化物的电子衍射花样 a B 001 A 001 C b B 110 A 110 C 显然 M23碳化物与奥氏体基体保持立方 立方位向关系 注意 aA 0 36nm aC 1 062nm 所以形成衍射花样中的 三分之一 关系 a b B 001 A B 110 A 例子4 00Cr25Ni5Mo双相不锈钢的奥氏体中析出的片条状 Cr Fe 23C6碳化物 FCC 的形态和

11、与奥氏体间的立方 立方位向关系 无论是块状的 前页 还是片条状的 本页 Cr Fe 23C6 总是与奥氏体保持 立方 立方晶体学位向关系 衍射花样中则显示出特征的 三分之一 关系 很容易辨认 例子5 Mg Al Zn AZ91 合金 Mg17Al12 BCC 析出相的3种形态及其晶体学位向关系 1 Mg Al Zn AZ91 合金 Mg17Al12 BCC 与母相Mg HCP 的晶体学位向关系 a B 0110 Mg b B 0001 Mg AZ91镁合金中板条状 Mg17Al12 BCC 析出相形态 生成3种 Mg17Al12 形态 分别用I II III表示 第I类板条轴线 0001 Mg

12、基面平行 第II类与基面垂直 第III类与基面斜交 2 Mg Al Zn AZ91 合金 Mg17Al12 BCC 与母相Mg HCP 的晶体学位向关系 AZ91镁合金中板条状 Mg17Al12 BCC 析出相形态 a B 0001 HCP b B 1100 HCP同为HCP BCC系统 注意这里 Mg17Al12 BCC 形态与Nb析出相 BCC 的相似性 即在 a 轴位向下所有板条呈平行排列 3 Mg Al Zn AZ91 合金 Mg17Al12 BCC 与母相Mg HCP 的晶体学位向关系 AZ91合金第I类 Mg17Al12 BCC 析出相与母相Mg HCP 之间保持如下Burgers

13、晶体学位向关系 0001 HCP 110 BCC 1 120 HCP 111 BCC 1100 HCP 11 2 BCC 4 Mg Al Zn AZ91 合金 Mg17Al12 BCC 与母相Mg HCP 的晶体学位向关系 AZ91合金第II类 Mg17Al12 BCC 析出相与母相Mg HCP 之间保持如下Crawley晶体学位向关系 0001 HCP 111 BCC 1120 HCP 112 BCC 1100 HCP 110 BCC a B1 0001 HCP 111 BCC b B2 1120 HCP 112 BCC c CrawleyOR B1 B2 5 Mg Al Zn合金 Mg17

14、All2 和 MgZn2 的晶体特征 6 Mg Al Zn合金 Mg17All2 颗粒间的 112 伪孪晶关系 第二类析出相两个变体IIA和IIB间的 112 伪孪晶关系 a 析出相的形态 b 复合衍射花样 B 01 10 Mg 110 IIA c 复合衍射花样 B 01 10 Mg 110 IIB d 复合衍射花样 B 01 10 Mg 110 IIA 110 IIB 112 伪孪晶关系 对彼此不接触 其中不形成孪晶条纹 但具有 112 孪晶关系的两个 析出相颗粒 称它们之间具有 112 伪孪晶关系 第二 三类析出相颗粒间的 112 伪孪晶关系 a 析出相的形态 b 复合衍射花样 B 01 10 Mg 110 II c 复合衍射花样 B 01 10 Mg 110 III d 复合衍射花样 B 01 10 Mg 110 II 110 III 7 Mg Al Zn合金 Mg17All2 颗粒间的 112 伪孪晶关系 II III 5 4测定两相取向关系的矩阵方法矩阵方法就是通过变换矩阵把两相间的晶面指数和晶向指数联系起来 用这种方法反映两相取向关系十分简捷 它尤其适于验证测定结果是否与已知取向关系相符 利用它可以方便且准确地标定已知取向关系的两相合成电子衍射图 5 4 1两相间平行晶向的指数变换