TEM位错

透射电子显微技术在材料位错研究中的进展摘要：晶体中位错的透射电子显微分析是研究晶体形变微观机制的关键手段。利用透射电子显微镜可直接观察到材料结构中的位错，因而TEM在材料的位错的研究中得到了广泛的应用。本文主要综述了透射电子显微分析在研究材料位错中的最新进展。关键词：TEM；位错；显微分析1、透射电子显微镜研究位错的基本方法材料的性能组织都是敏感的。组织本身又取决于化学成分、热处理及加工过程。因此，要了解材料的特性，并便于设计新材料或改进原有材料，需要以尽可能高的分辨能力描述材料的成分和显微组织特性。这种描述要求运用显微镜、衍射及摄谱技术等先进而精密的分析方法。正是在这一方面，电子显微镜由于具备进行物理分析及化学分析所需要的各种功能而被认为是一种极好的仪器。其中位错是晶体材料最常见的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。刃位错和螺位错是主要的两种位错类型。然而实际晶体中存在的位错往往是混合型位错，即兼具刃型和螺型位错的特征。利用透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope，简称TEM）可直接观察到材料微结构中的位错。TEM观察的第一步是将金属样品加工成电子束可以穿过的薄膜。在没有位错存在的区域，电子通过等间距规则排列的各晶面时将可能发生衍射，其衍射角、晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律（Bragg'slaw）。而在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观察位错的基本原理，因上述原因造成的衬度差称为衍射衬度。这种衬度对晶体结构和取向十分敏感，当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该处相对于周围完整晶体发生了微小的取向变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有不同的衍射条件，将缺陷显示出来。可见，这种衬度对缺陷也是敏感的。基于这一点，衍衬技术被广泛应用于研究晶体缺陷。在图1中，中间稍亮区域（晶粒）里的暗线就是所观察到位错的像。由于多晶材料中不同晶粒的晶体学取向不同，因此晶粒之间亦存在衬度差别，这就是图7和图8中中间区域较周围区域更亮的原因。值得注意的是，图中位错像所具有的“蜿蜒”的形态，这是位错线在厚度方向穿过试样（薄膜）的位错在TEM下的典型形态；还需注意的是图中位错像的终结处实际上是因为位错线到达了试样表面，而非终结在了试样内部。所有位错都只能以位错环的形式终结于晶粒的内部。图1(111)硅片表面的位错用TEM观察位错时，放大倍数一般选在5万到30万倍之间，这远未达到TEM放大倍数的极限。部分TEM还配有对试样进行在观察中原位加热/变形的装置，可以直接对位错的运动进行实时观察。2、研究进展2.1透射电镜(TEM)位错像的计算机模拟技术及多束暗场模拟透射电镜衍射成像理论能够分析弹性各向同性结构金属的位错特性,而对于诸如金属间化合物等弹性各向异性的材料,由于位错应变场形式复杂,难以单凭衍衬象确定位错性质,必需配合以计算机图象模拟来分析确定。Head等[1]开发的TEM位错图象计算机模拟技术是基于双光束条件下的明场象,但由于实际观察复杂位错时,采用的弱束暗场属多束条件,故其应用受到限制。Schaublin等在Head工作的基础上开发了TEM位错象的多束暗场计算机模拟程序,弥补了原先位错分析的局限性,开拓了复杂位错的分析。计算机位错衬度模拟技术的发展,不仅能够辅助透射电镜实验得到准确的结果,而且能够通过计算衍衬方程,得出复杂位错衬度变化规律,指导TEM实验。有序金属间化合物力学性能的研究必须与其超点阵位错的性质,包括位错结构和分解方式等联系起来。实际TEM分析中最大的困难是,对于分解距离很窄的两根超偏位错难以运用通常的象消失判据,往往会造成错误的判断.有关L12基Al3Ti合金变形位错分解性质的争论便是一个典型的例子。Wu等[2]认为L12基Al3Ti合金中a011超点阵位错低于600℃时,在(111)面分解成两个13112超偏位错中间形成超点阵内禀层错(SISF);而Zhang等[3]则认为是分解成两个12011超偏位错中间形成反相畴界(APB)。产生这种争议的主要原因是由于在部分操作矢量g下观察时,位错呈一强一弱衬度,这种衬度特征可能是因为以SISF分解的两超偏位错具有不同的g·b值所致,但也可能由于以APB分解的两同类超偏位错相距太近,位错应变场交互作用所致。虽然我们曾采用Head的计算机图象模拟程序就TEM明场象进行过衬度分析,然而它有明显的局限性。因此,本文运用多束暗场计算机图象模拟技术,结合透射电镜对Al67Mn8Ti25合金500℃变形位错的实际观察结果,分析其位错性质。2.2陶瓷位错形貌的TEM观测氧化铝(Al2O3)陶瓷是目前研究最为广泛的陶瓷材料之一。与其它材料相比,它具有许多独特的优良性能,如高熔点(2015℃),较高的室温和高温强度,高的化学稳定性,电绝缘性好,硬度高,耐磨性好,且成本低廉。近年来,关于氧化铝的塑性变形特性已进行了广泛研究[4]。对于氧化铝的塑性变形特征研究特别有意义,因为塑性变形是陶瓷作为高温结构材料的主要特征,对于其塑性变形深入研究对控制高温构件使用过程中的变形及加工成型有重要指导价值。同时氧化铝又是一种广泛使用的材料而且这种非立方晶系、强烈各向异性的晶体可能在性状上代表一种极端情况。这种形变特征直接和晶体结构有关。900℃以上在(0001)1/31120系统上的基面滑移而塑性地变形,引起各向异性形变。当温度高于1200℃,滑移可在棱柱面{1210}沿1010或1011方向及角锥面0111{1102}和0111{1011}发生;这些非基面系统上的滑移也能在较低温度、很高应力下发生。通常在高温情况下,基面滑移(0001)1/31120最容易发生,而棱锥面滑移最难发生。由于陶瓷材料中位错的产生需要的应力较大,因此在如高温、高压的极端条件下位错的引入较容易实现。目前,对于单晶氧化铝高温塑性变形及位错结构的研究较为广泛,而多晶氧化铝的研究集中在温度范围在低于1500℃条件下塑性变形的动力学过程的研究,对于更高温条件下的研究特别是位错结构特征报道的较少。通常情况下,位错形态决定滑移体系的判定,直接影响塑性变形过程。因此,对于不同条件下(温度、压力)产生的位错形态研究是很有必要的。作者研究了短时间高温(1800℃)、压力(100MPa)条件下氧化铝陶瓷的塑性变形过程中的微观结构,对材料中所出现的典型的位错形貌进行了观察分析。图2烧结体中无缺陷及位错缠结缺陷结构TEM图图3位错阵列及不同操作反射条件下TEM图从图2(a)可以看出,陶瓷烧结体中部分晶粒间结合紧密分布均匀,无位错产生。同时,部分晶粒产生了大量位错,包括:位错网络、位错线列、位错缠结(图2(b))。当位错的运动受到晶界的阻碍时,往往形成位错塞积列。图3为一组相互平行的位错列明场像,图3(a)为位错线阵列的明场像。倾转试样使位错的有效衬度消失,可得到2个操作反射,g1=110(图3(b))和g2=210(图3(c))。根据位错消像规则,g·b=0,求得该位错的柏氏矢量1/31100,0110。滑移体系为棱柱滑移,{1120}1100。其中g代表操作反射矢量,b为位错的柏氏矢量。图4位错网络及相应的选区及电子衍射图谱参考图4(a)为Al2O3晶体中的位错网络,图4(b)为相应的选区电子衍射图谱。其中,晶带轴方向为[0001]方向。它可以看成由3组全位错交互作用产生而形成的特征亚晶界。通常,在高温冷却阶段,缺陷能往往通过位错的重排而达到降低的目的。这样,许多位错反应就可能发生,而使重排的位错通过反应达到平衡状态。当位错相互运动至相交时,位错反应发生,位错组态就会发生改变。具有不同柏氏矢量同时又在同一晶面上的位错,可以通过反应形成位错网络。由于图4(a)中的位错网络晶带轴方向为[0001]方向,因此为(0001)晶面位错。其彼此相交为120°,因此应为(0001)1/31120基面滑移系统。在Al2O3中,主滑移系发生在氧的密排面上的1/31120{0001},该全位错彼此间可通过反应形成六方位错网络[9]:1/3[2110]+1/3[1120]→1/3[1210]上述位错可能是主滑移面上由全位错彼此间相互作用形成的位错网络。氧化铝和其他陶瓷一样在室温下很难通过塑性变形产生位错,但在高温条件下很容易引入位错。该实验的位错主要是短时间的高温、高压作用结果。在短时间的高温、压力条件下,晶体通过位错滑移发生高温塑性变形。2.3金属材料中位错的TEM观测近年来,Caballero和Bhadeshia等发现,将高碳、高硅钢在T=0.25Tm(Tm为熔点)的低温条件下进行长达数天的等温热处理后,可获得极为细小的纳米级贝氏体组织,其由厚度仅20~40nm的极薄贝氏体钢中铁素体板条及其板条间富碳的残余奥氏体薄膜组成。这种纳米贝氏体钢的极限拉伸强度可达2.5GPa,屈服强度达1.7GPa,硬度为600~700HV,断裂韧性为30~40MPa·m1/2,并具有良好的综合力学性能,且其制备工艺简单、不需要快速冷却或机械加工,是发展低合金超高强度钢和纳米钢铁材料的途径之一。Garcia-Mateo等对纳米贝氏体钢的强度进行了系统研究,发现纳米贝氏体钢的强度主要取决于位错强化和细晶强化.其中,位错强化是纳米贝氏体钢具有高强度的主要原因之一.另外,可以通过X射线衍射仪(XRD)测定纳米贝氏体钢的非均匀应变,并计算出其位错密度,但其测量范围较小。内耗是一种对材料组织结构较为敏感的参数,是分析位错和溶质原子交互作用的唯一有效方法。通过高分辨透射电子显微镜(TEM)观察贝氏体钢中的位错,并采用内耗方法测定其位错密度。图5所示为贝氏体钢中铁素体形貌的TEM及其傅里叶变化像.可以看出,纳米贝氏体钢铁素体中存在大量的位错.根据其傅里叶变化像,可求出图5中所示微小区域的位错密度为ρ=LV=nllA=nA（1）式中:A为面积;n为A中的位错个数.由式(1)可得图5中微小区域的ρ约为1.78×1016m-2。图5纳米贝氏体的铁素体形貌TEM及傅里叶变化像可以得知纳米贝氏体在573K处出现的内耗峰为位错与点缺陷相互作用所引起的Snoek-Kster峰；TEM可以表征纳米贝氏体钢中铁素体的位错密度,通过内耗方法所测其组织中的平均位错密度约为6.4×1015m-2。2.4石英位错的TEM衍衬象及其在地学中的应用位错理论在地质构造研究的应用之一是塑性变形参数的估算,近来某些地质学家利用了冶金学家所使用的把位错亚构造及变形参数结合起来的研究方法[5]。70年代初期利用橄榄石晶体或富含橄榄石的岩石对地幔流动应力进行估算,80年代郭宝罗、钟增球总结了橄榄石和石英在稳态蠕动时亚颗粒粒度和动力重结晶颗粒与差异应力的关系,古应力的研究范围也相应地由测定上地幔的流动应力扩大到对断层古应力的测定。目前西欧一些国家正大力开展洋壳蛇绿岩中二辉橄榄岩及玄武岩内橄榄岩包体的超微构造研究,并结合橄榄石的结构及组构分析,进而探讨上地幔的流变机制及推测地球动力学模式。由于在一些情况下,显微构造并不能反映原始的变形状态,所以必须正确使用“地质压力计”,否则会产生很大的误差,通常所采用的“地质压力计”有如下三种:位错密度(ρ),亚颗粒直径(d)及重结晶颗粒大小(dg)。位错密度(ρ)是指图像中单位面积内位错线条的数目(n),即ρ=ns(cm-2),面位错密度与古应力之间存在对应的函数关系,以冀东马兰峪地区英云闪长质片麻岩中的石英为例,差应力σ1-σ3=kμbρ1/2,μ为剪切模量,b为布氏矢量,k为无量纲常数,ρ为每平方厘米面积内的位错数量。对石英而言:μ=44GPa,b=0.5×10-7cm,k=3,以冀马兰峪地区韧性剪切带石英的多张电镜照片的统计,ρ=7×108左右,因此σ1-σ3=0.15GPa左右