電子背散射衍射技術在結晶學中的應用

1在計算機病理的應用上的進一步發展多晶材料的晶體邊界是影響材料性能的重要因素，它對材料的物理和化學性能有重要影響。例如，由于晶體破裂、腐蝕和彎曲，它們受到晶體邊界晶體結構的影響。透視電子顯微鏡雖然是單個界面結構測定的最佳方法,但當要對晶界特性作統計分析時會遇到很大困難。掃描電鏡的通道花樣雖可給出完整晶體結構信息,但其對儀器有特殊要求,且激發區域大,限制其廣泛的應用。近幾年新開發的電子背反射衍射花樣探測器、計算機控制與數據處理系統,使得在一般掃描電鏡或電子探針上安裝這一附件后(見圖1),就可以對塊狀樣品上亞微米級顯微組織逐點作結晶學分析,當電子束逐點掃描時還可以自動獲得晶體取向圖(COM)。因此,使掃描電鏡上的顯微組織、微區成分與結晶學數據分析聯系起來,可獲得有關晶體取向的空間分布的大量信息,包括晶體連接處的界面,開辟了微觀織構這一全新的科學領域。本文將介紹EBSD的基本原理、實驗方法及使用LINKOPALEBSD所作的應用實例。2電子晶面的加工入射電子束進入樣品,由于非彈性散射,使之在入射點附近發散,成為一點源。在表層幾十納米范圍內,非彈性散射引起能量損失一般只有幾十電子伏特,這與幾萬伏電子能量相比是一個小量。因此,電子的波長可以認為基本不變。這些被散射的電子,隨后入射到一定的晶面,當滿足布拉格衍射條件時,便產生布拉格衍射,出現一些線狀花樣,見圖2。1928年菊池(S.Kikuchi)首先對金屬薄膜的電子衍襯和析出相的電子衍射中出現的線狀花樣,從衍射幾何上作解釋,所以被命名為菊池線。菊池線是晶體結構的一種重要衍射信息,在結構分析中有著廣泛的應用。入射電子與樣品作用產生的菊池衍射,由于收集裝置與樣品相對位置不同分為透射電子衍射、電子通道花樣及電子背散射衍射。幾種衍射技術比較見附表。2.1背散射衍射譜ebsp背散射電子幾率隨電子入射角減小而增大,將試樣高角度傾斜,可以使電子背散射衍射強度增大,圖3是電子束在一組晶面上衍射并形成一對菊池線的示意圖,發散的電子束在這些平面的三維空間上發生布拉格衍射,產生兩個輻射圓錐,當熒光屏置于圓錐交截處,截取一對平行線,每一線對即菊池線,代表晶體中一組平面,線對間距反比于晶面間距,所有不同晶面產生菊池衍射構成一張電子背散射衍射譜(EBSP),菊池線交叉處代表一個結晶學方向。由于EBSD的探測器接收角寬度很大,它包含的菊池線對數遠遠多于透射電子衍射圖所包含的菊池線對數,因此可用三菊池極法測定晶體取向。多套的三菊池線對互相校正后,可更準確地確定所分析區域的晶體學取向。2.2hock空間變換計算機自動標定菊池電子衍射圖及測定樣品晶體學取向,提高了測量速度使EBSP實用化。目前商品軟件中普遍采用了Hough變換將XY空間中的一條直線轉換成Hough空間的正弦曲線,兩個空間的坐標變換關系為:Xcosθ+Ysinθ=ρ,ρ是XY空間中一直線離原點的距離,θ是表示該直線與X軸夾角。這樣在Hough空間的一個點相應于XY空間的一條特定的直線。經Hough空間變換使得在XY空間難以解決的線對測量問題轉化為比較容易的Hough空間的峰位測量。采用這一空間變換另一優點是,只要對EBSP圖作一點預處理,就能極大地改善漫散的菊池線測量的精度。2.3晶界及相互關系研究EBSD的數據表示可分成兩大類:2.3.1從傳統的宏觀織構測量中衍生出來的方法理想取向,極圖,反極圖,歐拉空間。2.3.2由顯微織構得出的晶體取向及相互之間的關系測量方法晶粒取向與公共軸,重位點陣晶界(CSL),ODF圖,RF空間(Rodrigues-Frank),重構的晶粒尺寸。EBSP所包含的結晶學參數特征信息可用于作未知相的鑒定。對于已知相,花樣的取向與晶體的取向直接對應。因此,獲得每一個晶體取向后,可得到晶體間的取向關系,用于研究相界、界面開裂或界面反應等。此外,晶格內存在塑性應變會造成衍射花樣中菊池線模糊,從衍射花樣質量可定性評估應變量。3實驗方法論3.1電子圖像的同步掃描典型的EBSD系統構成見圖4,相對于入射電子束樣品被高角度傾斜(71.5°),熒光屏與一個低溫攝象裝置相連接,信號經放大送計算機處理,電子束有計算機控制,實現同步掃描,獲取一系列衍射信息圖象,給出晶體取向圖(COM)。3.2標準樣品校正在EBSD分析中,只需很少的輸入操作,即可得到一張計算機自動標定的EBSP,其分析步驟是:(1)將樣品與標樣(Ge單晶)裝在同一個高角度傾斜平面上。(2)調整好電子光學系統,完成標準樣品的校正,由此確定熒光屏到電子束聚點的工作距離,并始終保持不變。(3)選取樣品區域,使樣品待分析區域位置與標樣上校正點處于同一聚焦位置。(4)條件設定,收集EBSP,計算機數據自動處理,存儲和輸出。3.3加工變形層材料由于EBSP取自樣品表面5nm深度范圍內,要獲得一張清晰的衍射譜,制樣很關鍵,首先必須消除樣品表面在研磨拋光中形成的加工形變層,金屬材料可采用化學或電解拋光去除形變層。一般碳鋼用硝酸酒精(4+96)侵蝕即可得到很好結果。對于非導電樣品,不能用噴鍍導電膜方法來防止電荷積累,但可將樣品加工成小塊,并降低入射電子加速電壓以減少電荷積累。脆性材料可直接利用其平整斷面,無需研磨拋光。離子濺射減薄可以去除金屬或非金屬材料研磨拋光中形成的加工形變層。斷口表面EBSD定量分析一直是該領域尚未解決的難題,對于脆性材料解理斷面取向定量統計分析可以采用光學顯微鏡事先調整、確定待分析平面。4應用EBSD在材料科學、地質學、冶金學、考古學等領域有廣泛的應用,主要有三方面:晶體取向、相鑒定和應變。4.1鋼板表面元素組成材料的力學、電學、磁學等物理性能各向異性,與其內部顯微組織中晶體擇尤取向有關,EBSD不僅能測量各種取向晶粒在樣品中所占比例,還能知道這些取向在顯微組織中的分布情況。應用EBSD研究結果表明,取向的分布是集中地還是均勻地分布,對材料的性能有顯著的影響。超深沖IF鋼成形性與其高比例的{111}晶面平行于鋼板表面密切相關。對TiIF鋼顯微織構研究表明,汽車板深沖成形時,在鋼板表面出現的“桔子皮”缺陷,是由于熱軋板在兩相區受到臨界加工變形,引起鋼板次表面局部晶粒粗大。遺傳到冷軋板上,深沖時{100}取向的大晶粒沿〈111〉方向滑移引起鼓包,形成“桔子皮”缺陷,見圖5(見目錄前彩色圖)。應用EBSD還能對IF鋼再結晶織構形成機理進行研究。4.2ebsd分析方法應用EBSD可以測量晶粒的晶面“理想”取向,這里“理想”取向是指與試樣的主平面以及該平面上所制定的參考方向平行的平面的最近密勒指數。因此,不平表面試樣晶面取向EBSD分析成為難題。對于Al3Ti基金屬間化合物由于其密度低、比強度高、抗氧化性好,是潛在的高溫結構材料,但其室溫脆性成為應用主要障礙。應用經驗電子論計算合金不同晶面解理能得出{110},{100},{111}及{112}面分別為3.10,4.14,4.83及7.29J/m2。然而實驗驗證成為難題。為此,作者提出多晶體斷口解理刻面取向的EBSD分析方法。應用這一方法對解理刻面測量統計結果,{110},{100}及{111}分別占62.5%,25%及12.5%,這一結果與理論計算相吻合。相鄰兩個界面兩邊的取向關系確定的話,就可以研究晶界或相界。在界面研究中EBSD有一系列的應用:腐蝕、裂紋、斷裂;遷移;高溫形變顯微組織特征;形變熱處理研究;偏析和沉淀;孿晶;鍍層;研究疲勞機理。4.3晶體面心決定晶系在電子探針分析中,某些氧化物、碳化物很難從成分上加以區分,但EBSD有時卻很容易從相的結晶學關系上毫無疑問地分開。如M7C3和M3C,它們分別屬于六方晶系和四方晶系,赤鐵礦、磁鐵礦和方鐵礦也很容易從結構上予以區分。EBSD相鑒定的最簡單實例是直接區別鐵的體心立方與面心立方。圖6是00Cr25Ni7Mo4N雙向鋼中α與γ相的鑒定結果。其它例子還有:區分屬于立方晶系和三角晶系的NiS2;確認Laves相NbFe2的存在。4.4ebsd測量材料微觀區域的殘余應力使局部的晶面變得歪扭、彎曲,因而造成EBSP的菊池線模糊,從衍射花樣的質量可定性評價應變大小。IF鋼再結晶織構研究中觀察到{111}晶面平行于鋼板表面的晶核EBSP圖象清晰,而在形變帶附近{100}晶面EBSP圖象模糊,如圖7(見目錄前彩色圖)。因此證實了再結晶織構形成中的定向形核生長機制。用EBSD進行應變測量的一些例子:隕石中的固溶誘導應變;超耐熱合金和鋁合金中的應變;測定鍺離子束注入硅中產生的損傷。4.5材料的晶體結構和分析過程傳統的晶粒尺寸測量依賴于顯微組織的觀察,某些“特殊”的晶界,如孿晶和小角度晶界,不能用常規的侵蝕方法顯示,EBSD是晶粒尺寸測量的理想工具,最簡單的方法是進行橫穿樣品線掃描,同時觀察花樣的變化。晶體取向圖(COM)可測量真實晶粒尺寸。圖8(見目錄前彩色圖)是經兩種不同熱處理工藝處理的IF鋼,經EBSD分析后獲得真實的晶粒尺寸統計分布直方圖,從圖