TEM案例分享-Fe-36Ni 因瓦合金低热膨胀性能和高强度

一般来讲，物体具有热胀冷缩的特性，合金也不例外，我们通常使用热膨胀系数（CTE）来衡量物体的膨胀特性。对于合金而言，从热应力方面考虑，我们希望合金的膨胀系数尽量低一些，而所谓的因瓦合金（invar alloy），正是这样一类具有低热膨系数的合金。

传统制造的因瓦合金具有单面心立方晶体结构，塑性铰好，但强度较差。微合金化是一种成本低、易于操作的强化方法，主要是通过添加微量是V、Ti、Nb、Cr、W、Mo来获得细晶或沉淀强化的效果，但同时也可能导致热膨胀性能变差。因此希望在不牺牲低CTE甚至降低CTE的情况下最大限度地增强因瓦尔合金的强度。

作为元素周期表中Ti和Nb元素的邻居，Zr与上述元素相比很少受到关注。Zr是一种强氧化物、碳化物和氮化物形成元素，弥散分布含Zr析出物可以延缓奥氏体晶粒的长大。有学者指出：Zr有利于改善磁致伸缩性能、Zr-Ni金属间化合物也可以改善合金力学性能。然而迄今为止，在低热膨胀合金中添加Zr对低热膨胀行为和力学性能影响的研究相对较少。

论文的核心在与富Zr金属间化合物，对其进行物相分析是不可少的。论文采用了XRD、SEM、TEM、EBSD等手段来表征材料的形貌和相结构。

下图为含Zr合金样品SEM图，图a、b、c分别是低倍到高倍的电子图像。图c中的白色小颗粒和晶界间组织即为富Zr金属间化合物。

根据论文的热力学计算预测所形成的富Zr金属间化合物为Ni7Zr2。从小颗粒的EDS分析可见，小颗粒主要含Ni和Zr，而Fe峰被认为是受基体影响而引入的。

为了进一步确认物相，样品还做了TEM检测，如下图。图a为明场像，其中黑色颗粒即为富Zr金属间化合物，对其进行选区电子衍射（图b），可以Ni7Zr2 PDF卡片晶面数据很好的标定出衍射斑点。

另外，对晶界处的化合物（图d）拍摄HRTEM高分辨图，可以直观地看出晶面间距d与Ni7Zr2的（-133）晶面间距相符合。再结合EDS成分分析，证实了Ni7Zr2物相的存在。

为了研究Zr的晶粒细化作用，论文还对样品进行了EBSD测试，如下图。图a和图d分别代表未添加Zr和添加Zr的合金样品，它们的晶界角度分布情况分别为图b、c和图e、f。

从这几个图中可以直观地看到Zr具有晶粒细化的作用，并且使得小角度晶界的占比提高，与前人的研究结果一致。这是因为富Zr金属间化合物的析出物延缓了再结晶过程。

为了进一步说明富Zr金属间化合物的力学性能强化机制，还通过TEM观察了位错分布情况，如下图。

图b非常直观地显示了富Zr析出物对位错的阻碍作用。大量位错在晶粒中缠结形成位错网络，如图c。

这些位错难以滑移处晶粒之外，有助于后续形成小角度晶界。图d显示了富Zr析出物对晶界和亚晶界的钉扎作用。

通过上述这些表征，再结合XRD衍峰宽化计算位错密度，就可以计算讨论材料的强化机制了，此处不再展开说明。