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  • 大口徑厚壁管脫溶區的結構分析

         前面已經講過,如果Al-Cu 4%大口徑鋼管時效的溫度不高,在開始階段盡管它的硬度(參閱圖12.3)和電阻率都改變了許多,人們仍不能從光學顯微鏡找出這時大口徑鋼管在結構上的變化.為了解決這個問題,紀尼埃和普賴斯頓各自獨立地把時效過的大口徑鋼管單晶拍攝了勞厄照片,發現圖上除了有鋁點陣的正常衍射點之外,還附加了一些異常衍射條紋,但是沒有任何新相出現的跡象,如圖12.7所示.根據勞厄照片作出不銹鋼晶體在此狀態下的倒易空間,得到和異常衍射條紋相對應的是三組平行于基體點陣三個(100)方向的倒易線.因此可以設想,經過時效之后,在單晶的(100)面上聚集了一些銅原子,構成碟狀薄片的富銅區,而這些銅原子并不離開點陣結點位置.根據初期的估計,這些富銅脫溶區很薄,只有2埃左右,所以它們使基體晶體中的電子周期分布在這些方向受到破壞,從而產生異常衍射.這樣的脫溶區叫紀尼埃一普賴斯頓區,即前面簡稱的Gp.區。后來在電子衍射的照片上也看到了這種異常衍射,經過分析,得到和X光分析相同的結果。Gp.區的大小和形狀還可以用X光低角散射來測定,圖12.8是用這方法拍得的照片.照相時,樣品是大口徑鋼管單晶體,平行于X光,平行于水平面的一組Gp.區產生圖片上的垂直散射;垂直于水平面的一組(包含X光束)產生水平散射;第三組的碟面和X光垂直,按理應該產生圓形散射,但是因為圓環太小,所以在圖上顯不出來。G.P.區的直徑隨時效溫度而改變,在室溫大約為50埃;100℃時為200埃;150℃時為600埃.

        根據X光衍射強度的分布,一些工作者具體地分析了Gp.區的結構。所得到的主要的結果大體上都相同,至于某些細節上的分歧,還很難從實驗上來驗證,圖12.9Gp.區的右半邊(左半邊相同)的橫截面,這是格羅耳德(V. Gerold)所設想的并為一般所采用的模型。圖面平行于(100)面,而(001)(010)則垂直于圖面.當一層銅原子(圖中黑點)集中在(001)面上時,附近的晶格必然要發生畸變,兩邊近鄰的鋁原子層間距沿001方向收縮,銅原子半徑為鋁的87%左右,所以有理由認為最近鄰那兩層鋁原子層的間距的收縮量大約為10%。次近鄰各原子層的間距亦將有不同程度的收縮,距離銅原子層愈遠,收縮也愈少.可以看出,畸變能量主要是集中在銅原子層的邊緣,因為在邊緣附近晶格畸變最大.銅原子層內不至于夾雜著鋁原子,否則近鄰鋁原子層的收縮將受到障礙或者使原子面曲彎而需要更大的畸變能,一般認為在銅原子層近鄰各層原子中也沒有(或者幾乎沒有)銅原子。雖然作過不少計算,但是關于各層間距的收縮量和G.P.區的含銅量還沒有得出和實驗完全符合的結果.

        近年來,由透射電子顯微鏡的觀察得到了Gp.區的外貌,和用X光所分析的結果相同.  圖12.10(001)面上的GP.區照片上不銹鋼薄膜位向為(110),這相當于GP.區厚4埃,直徑80埃左右。這些區雖然很小,但是由于它們和基體點陣共格,引起了應力場,所以能通過衍襯效應被顯示出來.對于時效比較長的大口徑鋼管(譬如100℃下10天),在透射圖上可以看到有相當于富銅區的黑點,其大小和X光分析所期望的相符合,并且,當樣品在200℃進行回歸(re、Tersion)處理(§12.4)之后,黑點即隨之消失.脫溶區和基體共格,它們之間的表面能很小。由于銅和鋁的原子半徑差比較大,在區的附近會引起很大的畸變,因此,從能量的觀點來看,區的形狀應該呈碟狀(§9.5)。這是和實驗相符合的。鉬和鐵的原子半徑比值為1.1,金和鐵的比值為1.13,因為原子半徑的差別都比較大,所以在這些厚壁鋼管中脫溶區或沉淀區也都呈碟狀。另一方面;在原子半徑比較接近因而相變應變很小的不銹鋼厚壁管中,例如在Fe-Cu、Al-Zn等合金中,脫溶區應呈球形。這些都已得到x光分析和電子顯微鏡觀察結果的證明。為了和Al-Cu系統作對比,人們對Al-Ag合金中的沉淀問題也作了深入的研究.紀尼埃最先發現,在這種大口徑鋼管于低溫(<l00℃)下經短時間時效處理之后,它的勞厄照片上發現所有的正常斑點周圍都包有彌散的衍射,其中以X光入射中心點附近最為顯著,圖12.11是低角散射的照片,散射環的形狀和樣品的晶體位向無關,環的直徑隨時效時間的延長而收縮,時效溫度愈高,縮小也愈快。這兩點特性說明了脫溶區是球形D,而且球直徑在時效過程中逐步長大.假定在新相出現之前,銀原子依然停留在點陣結點的位置上,紀尼埃等根據散射環的強度分布,利用二元合金短程有序的理論,分析了脫溶區中銀原子的分布,圖12.12是他們求得的結果.P是在距離某一個銀原子為R的結點上再有另一個銀原子的幾率,可以看到,在R=0處,P=1;在R=20埃處P有一極小值;而后P又增加,在R=36埃處達到平均濃度0.05(原子百分濃度)。所以,球的中心部分是含銀量比平均值高許多的富銀區,其周圍是一層比平均值低的貧銀區,這二者合稱脫溶區.從電子顯微鏡透射觀察看到的球形脫溶區如圖12.13所示,不過在照片中不能把貧銀區區別出來,用低角散射法還可以測量脫溶區的大小分布,并且和電子顯微鏡透射觀察的結果基本上一致。

        除了上述的碟狀沉淀和球形沉淀之外,人們還發現Al-Mg大口徑鋼管中的沉淀呈針狀,其取向平行于.這種沉淀引起的彈性形變不大,估計只有2%左右,所以和§9.5中的考慮是一致的。過飽和固溶體在比較長的時間或者比較高的溫度下時效,在平衡相形成之前常常會出現一些亞穩定的過渡相.過渡相可以由脫溶區演化而成,也可以直接從固溶體中產生。

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