HAL Id: jpa-00221002
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Submitted on 1 Jan 1981
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LATTICE PARAMETER CHANGE IN Fe-Ti-N
ALLOYS IN RELATION TO
SUBSTITUTIONAL-INTERSTITIAL INTERACTION
PEAK
Z.L. Wu (tzuliang Wu), T. Chen
To cite this version:
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C5, suppl6ment a u nO1O, Tome 42, octobre 1981 page C5-841
LATTICE PARAMETER CHANGE IN Fe-Ti-N ALLOYS IN RELATION TO SUBSTITUTIONAL- INTERSTITIAL INTERACTION PEAK
Z.L. IJu ( T z u l i a n g Wu) a n d T.K. Chen
Shanghai I n s t i t u t e o f Metallurgy, Academia S i n i c a , Shanghai, China 200050.
A b s t r a c t . - L a t t i c e p a r a m e t e r s o f Fe-Ti a l l o y s c o n t a i n i n g d i f f e - r e n t a m o u n t s o f n i t r o g e n w e r e d e t e r m i n e d . The r e s u l t s f u r t h e r s u b s t a n t i a t e t h e d e f e c t model a n d t h e mechanism f o r g e n e r a t i o n o f s-i a e a k i n t h e Fe-Ti-N a l l o y s q u e n c h e d f r o m d - w h a s e r e a i o n .
1. C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s-i peak.- I n a r e c e n t p u b l i c a t i o n " ) t h e a u t h o r s h a d shown t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s-i p e a k s f o r t h e Fe-Ti-N a l l o y s q u e n c h e d f r o m t h e 4 - w h a s e r e g i o n ( 5 7 0 ' ~ ) t o b e e c t i r e l y d i f f e - r e n t from t h o s e f o r t h e Fe-V-N s y s t e m q u e n c h e d from t h e r - p h a s e r e g i o n ( 9 5 0 0 ~ ) ! ~ ) A t y p i c a l c u r v e f o r a 0.61a/,Ti s p e c i m e n a n n e a l e d a t 5 7 0 ' ~
i s shown i n Fig. 1 . Y a i n f e a t u r e s o f t h i s p e a k i n c l u d e : ( 1 ) !Ilhen ?!/Ti& 1 , n e i t h e r t h e Snoek p e a k n o r t h e s-i peak c a n b e o b s e r v e d . A f t e r p T / ' T i > l , b o t h weaks grow s i m u l t a n e o u s l y w i t h i n c r e a s i n g n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n , e s w e c i a l l y o v e r N/Ti--Y2, g r o w t h r a t e o f t h e p e a k i s s u d d e n l y i n c r e a s e d by 1 0 t i m e s . ( 2 ) The s-i p e a k i s t h e r m a l l y v e r y s t a b l e . I t s p e a k h e i g h t d e p e n d s o n l y on t h e c o n c e n t r a t i o n o f e x c e s s n i t r o g e n a n d i s i n d e w e n d e n t o f q u e n c h i n g t e m D e r a t u r e a n d c o o l i n g r a t e o f t h e s p e c i m e n .
( 3 )
P e a k t e m p e r a t u r e s h i f t s t o t h e l o w t e m p e r a t u r e s i d e as n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i s i n c r e a s e d . F i g . 1 : s-i p e a k o f 0.61 a/o ~i s p e c i m e n a n n e a l e d a t 5 7 0 ~ ~ . I t w a s a r o p o s e d i n t h e l a s t warier t h a t two t y w e s o f d e f e c t s , t h e Ti-K P a i r s a n d t h e N-Ti-N t r i p l e t s a r e t h e r e a c t i o n c e n t e r s r e s w o n s i - b l e f o r t h e g e n e r a t i o n o f t h e s-i p e a k i n t h e Fe-Ti-N s y s t e m . B a s e d upon t h i s pair d e f e c t model, c h a r a c t e r i s t i c s s u m m a r i z e d a b o v e w e r eC5-842 JOURNAL DE PHYSIQUE ' s u c c e s s f u l l y e x p l a i n e d . I n t h e p r e s e n t r e w o r t , x - r a y d a t a a r e g i v e n t o f u r t h e r s u b s t a n t i a t e t h e d e f e c t m o d e l a s w e l l as t o g i v e a m o r e d e t a i l e d d e s c r i w t i o n c o n c e r n i n g t h e m e c h a n i s m g i v i n g r i s e t o t h e s-i p e a k . 2. C h a n g e i n l a t t i c e p a r a m e t e r a s
a
f u n c t i o n o f n i t r o g e n c o n c e n t r e t i o n . - T h e r e a r e t w o k i n d s o f i n t e r s t i c e s i n b . c . c . l a t t i c e : t h e t e t r a-
h e d r a l s i t e s T ( = , $ , o ) a n d t h e o c t a h e d r a l s i t e s O I ( 4 , 4 , 0 ) , OTI($,O,O). 0Ir:dne l e n g t h o f a n d-Ye u n i t c e l l
i s a F e =
2.87A. I f s i z e s o f i n t e r s - t i c e s w e r e e x p r e s s e d a s d i a m e t e r s o f t h e i n s c r i b e d s h p e r e s , t h e n we 0 0 have d@I = d O ~ I = 0 . 3 9 A, dT = 0 . 7 2 A. T h e r e f o r e i n d - F e l a t t i c e , OI a n d '11 i n t e r s t i c e s a r e i n d i s t i n g u i s h a b l e ( h e r e a f t e r we r e f e r t h e m a s O- s i t e s ) . L e t u s a s s u m e t h e c e n t r a l a t o m i n a n d - ~ e c e l l b e d i s p l a c e d b y a t i t a n i u m a t o m ( a t o m A i n F i g . 2 ) . B e c a u s e t h e a t o m i c r a d i u s o f t i t a - n i u m i.s l a r g e r t h a n t h a t o f d - F e by1YA,
i t w i l l p u s h o u t r a d i a l l y t h e 0 e i g h t c o r n e r F e - a t o m s s o a s t o e x p a n d t h e c e l l e d g e t o a,e-Ti=:.07A. A t t h e s a m e t i m e , t h e s i x F e - a t o m s n e x t n e a r t o t i t a n i u m t e n d t o r e l a x i n w a r d u n t i l c o n t a c t i n g t h e f o u r F e - a t o m s n e a r e s t t o t i t a n i u m ( e . g . , 0 a t o mD
c o n t a c t s a t o m s I3,C.E.F a n d c o n t r a c t s A D t o 2 . 7 4 8 ) w i t h a t o m s l i k e K , L , M , N f o l l o w i n g o n t h e t r a i l s o a s t o c o n t r a c t t h e f o u r e d g e s p a r a l l e l t o z - a x i s . I n a s i m i l a r way o t h e r c e l l s n e i g h b o r i n g a t i t a - niuin a t o m w i l l a l s o h a v e t h e i r r e l e v a n t e d g e s t o c o n t r a c t a l o n g X-, y- o r z - a x i s r e s p e c t i v e l y . P o s s i b l y t h i s e f f e c t w o u l d e x t e n d t o t h e n e x t n e a r d - ~ e c e l l s . T h e r e f o r e , t h e a d d i t i o n o f t i t a n i u m w i l l r e s u l t t w o c o m ~ e n s a t i v e e f f e c t s o n t h e l a t t i c e p a r a m e t e r c h a n a e o f t h e F e - T i s . v s t e m . P r e s u m a b l y t h e r e i s a s n h e r e o f i n f l u e n c e t o e a c h i s o l a t e d t i t a n i u m a t o m w i t h i n w h i c h t h e e x w a n s i o n o f e d m s o f t h e T i - c e n t e r e d c e l l i s a l m o s t c o m p l e t e l y c o n ~ e n s a t e d by-PaFe,
t h e c o m p o n e n t c o n t r i - b u t e d b y t h e c o n t r a c t i o n o f t h e r e l e v a n t e d g e s among i t s neigh tor in^d-f.'e c e l l s . ::'hen t i t a n i u m c o n c e n t r a t i o n r e a c h e s a c e r t a i i ? v a l u e , t h e i n f l u e n c e s h p e r e s b e g i n t o c o n t a c t w i t h e a c h o t h e r a n d t h e n we a r e a r r i . v i n g a t a n u p p e r l i m i t o f A a Fe' P e v o n d t h i s l i m i t t h e l a t t i c e p a r a n l e t e r i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n ~ : ti t a n i u m c o n t e n t i n a c c o r d a n c e iv:lth V e ~ a r d ' s r u l e . T h e i d e a D r o n o s e d a b o v e c a n b e u s e d t o e x o l a i n t h e a b n o r n a l i t y i n l a t t i c e ~ J a r a m e t e r c h a n g e o b s e r v e d by Tiurne-"othery e t a 1 ( 3 ) i n F e - T i s o l i d s o l u t i o n . ? h e y n l o t 1 ; e d t h e i r 1 a t t i . c e ~ a r a ~ e t e r s a,e-Ti v s t i t a - niu:n c o n c e n t r a t i o n ('y'i) a n d o b t a i n e d a c u r v e s i m i l a r t o o u r s ( n o t s h o w n ) a n d e x p r e s s e d t h e l a t t i c e p a r a m e t e r chanr-e as:
a ,e-cl ti
-
+A
;hi xPiJ.
0
o r d i n a t e at aFe
-
0.001A, i n s t e a d o f aFe. accord in^ t o t h e a f o r e - m e n t i o n e d ~ d e a , t h e p a r a m e t e r c h a n g e s h o u l d b e e x p r e s s e d a s :a,_Ti
=
( a F e - A a p e ) + Aapix
(Ti)m . h e c o n t r i b u t i o n d u e t o contraction o f r e l e v a n t e d p e s o f n e i g h b o r i n g
d-Fe
c e l l s i s A a p e = 0 . 0 0 12.
A l s o , o u r d a t a ( a s well a s t h o s e f r o m U u m e - R e t h e r y e t a l ) i n d i c a t e d t h a t when( ~ l )
0 . 5a/6. l a t t i c e p a r a m e t e r o f t h e a l l o y i s n o t a f f e c t e d b y t i t a n i u ~ n addition. T t c a n b e v i s u a - l i z e d t h a t t h e u n p e r l i m i t o f A a , , s h o u l d c o r r e s o o n d t o t h e c o n t r i b u - t i o n o f "0.5a/, T i . A c c o r d i n w l y , t h e r a d i u s o f i n f l u e n c e s p h e r e f o r e a c h i s o l a t e d t i t a n i u m a t o m a t t h i s c o n c e n t r a t i o n 1s a b o u t 23 aFe, i . e . . i n f l u e n c e o f e a c h t i t a n i u v a t o r c a n o n l v e x t e n d t o i t s n e x t n e a r d - F e c e l i s .a
- Fe 7; @ - nn. n n o c k h d m /,*
-/cw ;-,+aOn-
nn n . o c l b h e d n d i n * n f ; ~ ~- .
lTj.g.2 : T n t e r s t i c e s n e i p h - ,-1g.3 : ? e - a e q d e n c e o f b c r i - n f r a T i - a t o m l a t t i c e g a r a ! n e t c - r s o n n i t r o ~ e n c o n c e ! : t r a t i o q .?.ased upon t h e r i : r i d s p h e r e :!:odel. s i z e s o f i n t c r s t , i c c s n e i g h b o r - i n z a t i t a n i i i : ~ ator:, car, b e c a l c : : l a t e d . '''he ''-[
-
s i t c s , cio';i t h e . n e a r e s t3 i n t e r s t i c e s t o t i . t a n i u : r ! a t o : ? , a r c 11ir~hl.y c o n t r a c t e d t o d r T = 3 . 0 8 A, I v~herc?a:; t h e n e x t n e a r interstices. t h e
-
s i t c s , a r e ! ~ i r ~ h l y e n l a r j - e d 0 - t o d O T T : 0 . 5 3 A , : c h i l e t h e ? - s i t e s , als:, n e a r e s t t o t l : . t a n i u ~ . , a r e o n l y s l i , ~ t f l : , a f f e c t e d , d T =9.751.
i.n accou:!t o f t h e s t r u n ? c + . c : n i c a l a f f j - n i t y b e t w e n t?'.tanj.u::s a n d n i t r o ~ e r l . a R l t r c o ' e n stoic viould o r e f e r a b 1 . y occup:q one o f t h e i n t e r t i c e s n e a r a s t t o t i t a n i a m . 'iov:cver, t h e C,,-c r e a s e i n l a t t i c e p a r a c n e t e r i s h i a h , i c d i c a t i r , , . : t h e h i r h l v 21 s t - : r t e t l n a t u r e o f t h e D r i r n a r v d e f e c t s , t h e T i - ' c a i r s . Cn a c c c u n i o f s t r o r r
c h e m i c a l a f f i n i i y a n d s e v e r e d i s t o r t i o n i n t h c T i - N ? a i r s . c n l v v e r y s t r o n g t h e r m a l a g i t a t i o n c a n r e s o l v e s u c h a a i r s . P:; a ! c l a t t e r o f f a . c t . t h e Ti-!: n a i r s a r e c a ~ a l o l e o f a i t h z s t a n d i ? ~ lono: t i : w anneal in:^: e v e n
a t 6 5 0 ~ ~ w i t h o u t n o t i c e a b l e d e c o r ? ~ c s i t i o n . '!'hen : ' / T i > 1 , valY2c: o!.
r a t e i n l a t t i c e D a . r a . n e t e r i ? c r e a s e d c r i v o d fro!:: curve:; i n ';l.r.7, i s e v e n s ~ n a l l e r t h a n t h a t f o r d-re. I ' h i s akeans t h a t nitrorc::: o c c u - . a t i : ) - i n
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C5-846 JOURNAL DE PHYSIQUE
t i o n r i n ~ s o f t h e s e hip:h a l l o y s a r e q u i t e d i f f u s e when ':/Ti > 1 (":/Ti>l.h
f o r 1.33a/o ' i ' i s n e . c i m e n s . > l
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1 f o r 1. h7a/, T i s 9 e c i n ; e n s ) . l l a t a o f p e a k h e i ~ h t s f o r t h e s e s p e c i m e n s a r e a g a i n more o r l e s s s c a t t e r e d i n t h e r a n z e o f h i ~ h n i t r o e e n c o n c e n t r a t i o n ( 7 l a . 4 ) t h o u . ~ h t h e a e n e r a l t r e n d s e e n s t o b e still confor!r.ablc- t o t h e d a t a o f t h e l o w a l l o y s . T t s e e ! s s t o u s t h a t d a t a o f t h e 0.61a/,
I ' i a l l o y a r e t h e c o s t r e l i a b l e a a c n p t h e s e r i e s .4.
R e f e r e n c e s . ":U( 1 ) Ce. ?,
L.,
S h i . 7'. S.. C h e n . T. : I . , ':hen, v . ,,
Z. I,.. A c t a "et,.. S i n i c a . I n D r e s s .
( 2 ) F a s t , J . S., : ' e i j e r i n : r . J . L . , X i l i p s ;'es. r e g .