电子背散射衍射技术、几何晶体学与材料科学

电子背散射衍射技术、几何晶体学与材料科学 杨 平 (北京科技大学材料学院，北京100083) 摘 要：强调了 EBSD 技术研究晶体学问题的灵便性，探讨了几何晶体学、材料学基础知识的掌握对用好 EBSD 技术的重要性，特别是极图与矩阵运算应用的重要性及普遍性；提出将织构研究、相变晶体学研究、界面研究等等类晶体几何问题的简化及统一；简述了扫描电镜配置的发展趋势；分析了 EBSD 技术在我国推广中存在的一些问题及建议；并列举了一一用 EBSD 技术测定高锰钢中两种马氏体相变晶体学的例子。 关键词： EBSD；晶体学；钢；马氏体 中图分类号： TG115.23；071； TG115.21*5.3；TG142 文献标识码：A 电子背散射衍射技术(EBSD 技术)商品化已16年，已称不上是新技术；作为标准分析仪器，它与能谱仪一起可配合扫描电镜同时完成材料微观形貌、成分、结构与取向信息的测定。与透射电镜上的结构与取向分析相比， EBSD 技术是更简单的衍射分析技术。我国目前已有超过100 套的 EBSD 装置，许多单位已有3套或更多。除高校及研究院外，钢铁企业是 EBSD 技术主要用户。 EBSD 技术新的发展趋势是：扫描电镜附件的复合化，即以扫描电镜镜筒为基础，集(1)扫描、透射分析、(2)样品加工、(3)拉压、加热试验等于一体的多功能化；在扫描电镜内完成材料精细加工或制备，实现对材料的形貌、结构与取向、成分的3维分析。将国际材料的织构会议与国际材料分析电镜会议相比，前一会议中使用 EBSD技术的文章更多。例如，2005年在比利时鲁汶大学召开的第14届国际织构大会上，有约34%的文章涉及 EBSD 技术；在2008年美国卡涅基一梅隆大学召开的第15届国际织构会议上，有约40%的文章涉及 EBSD 技术，特别是3维取向成像专题会占1天半，虽然使用者还不够广泛，但层次很深。我国EBSD 技术的应用情况不理想，在国际会议上所占比重始终很小。 EBSD 技术、晶体学与材料科学 晶体学是研究晶体的结构、外形及性能的学科。它的范围很宽，包含：(1)晶体几何学；②)晶体结构学；3)晶体生成学；(4)晶体物理学；(5)晶体化学。这些研究涉及到分子生物、固体物理、金属学、矿物学 及聚合物等广泛领域。研究晶体结构可用各种衍射方法，也可用计算数学方法、对称性理论方法。。即，狭义地讲， EBSD 技术是用衍射方法研究晶体学问题；广义地看，针对已有的 EBSD 数据，还可用如计算数学或对称性理论进一步分析晶体学问题。 晶体学是材料科学的重要组成部分，是材料制备加工中必然反映出来的一个方面；材料性能的优化是材料工作者的目标，而晶体学变化不但必然存在于材料制备过程中，也必然影响材料的性能13.自从上世纪劳厄将X射线引入晶体发现劳厄花样(斑)和布拉格父子推出布拉格方程后，大量晶体学研究已测出各种晶态物质的结构。从工程应用角度讲，不用再研究某晶体内原子占位，数目多少，对称性高低，这些较为抽象问题前人已解决了。研究者的主要任务是研究材料制备时的晶体学信息的变化规律及对性能的影响。工程材料中的晶体学问题可化简为：(1)单晶中的取向、生长方式；(2)多晶中的不同晶粒的取向分布；界面晶体学[即晶界类型(按Kossel 分法为：奇异的、邻位的、普通的对应的界面能量为极小值，极小值附近，不是极小值)及影响；界面结构(位错结构)；(3)相界中取向关系(析出、马氏体相变)，相界面结构，变体选择；等等。 EBSD 技术是扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出的衍射菊池带的分析确定晶体结构、取向及相关信息的方法，它与透射电镜下的衍射菊池带的分析没有本质的差别。与衍射点(倒易点阵)相比，衍射带更直接显示实际晶面的几何位置。一个菊池带直接对应放大的晶面在屏幕上的投影，而电 ( 收稿日期：2008-10-24 ) ( 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50571009，No. 50771019)和北京科技大学新金属材料国家重点实验室资助项目(2007AMM006). Found ation item： N ational N atural Science Foundation o f China( No.50571009， N o . 50771019). ) ( 作者者伞：1878m ( 1湖南人教授，古死告号授 l i s hing Hous e. A ll rights res er ved. http：//www.cnki.net ) 图11Zeiss 公司的 NVision40电镜系统(a)及原位纳米机械手装置(b)4。 Fig1The Nvision40 CrossBeam RWorkstat ion from Zeiss Co. (a) and In-Situ Nanomanipulator (b)4. 子衍射图要通过倒易点阵的原理确定实际晶面的位置。。I电子衍射图只是二维信息，并受180°不确定性的影响，菊池花样显示3维晶面的投影，具有唯一性。EBSD 软件的帮助还可使研究者很便利地得到从不同方向观察某一种取向关系。 图1是 Zeiss 公司生产的 NVision40系统示意图4。显示出电镜的复合多功能化。除配备场发射枪、前置背散射探头外，还有卜型的 Inlens ESB 探头，在高分辨率下获得很好的取向衬度；还有扫描透射STEM 观察用探头，FIB 聚焦离子束切割枪 ZETA；还可配备纳米机械手进行电子镜筒内被切割样品的操作；经FIB 及 EBSD 完成的 3-D取向成像重构图，数字化信息可将不重要的部分设置为透明的，而突出所关注部分的含取向信息的3维形貌。 2 限制 EBSD 技术推广的主要因素 EBSD 技术在我国的应用推广一一直受到较大的障碍，其主要原因可能有如下几方面：1)初次使用者对相关的晶体学知识认识不够，如取向的概念、晶体投影、对称性、极图；2)对材料科学中晶体学的作用认识不够，如不清楚材料制备过程中，哪些晶体学信息在变化?3)对 EBSD 技术表达数据的方式，设计样品坐标系的认识不够；透射电镜研究者不习惯，也可能用不上样品坐标系；4)在《材料分析方法》中对EBSD技术介绍的不够。现在的问可不是EBSD技术是什么?如何进行 EBSD 技术测试?而主要是如何分析 EBSD 数据?如何用 EBSD 技术揭示及解决自己遇到的问题?作者根据实际经验讨论如下。 (1)教材。既然 EBSD 是一种简单的衍射分析方法，为什么中文“材料分析方法”教科书中很少有相关介绍。笔者认为，相关授课教师或教材编者可 技术，在编书中也就忽略了这一方面。 (②)观念上的认识。一些人总认为 EBSD 只是搞织构的人才用的上。其实，织构是晶体学的一部分，织构的含义是多晶中晶体取向的几何分布(或择优)，它还包括界面的取向分布、两相取向关系、相界面结构、贯习面、变体选择等都不是织构，但都是晶体学问题，都可用 EBSD 技术研究。 (3)晶体学基础。用TEM 和X射线研究晶体结构的学者可能主要与晶体坐标系打交道，样品坐标系用处不大；研究断裂的人也只关心从哪个晶体学面断裂，而不太关心该解理面与样品坐标系的轧面、轧向成什么角度；同样一个(111)晶面，平行、垂直或倾转与拉伸轴时表现并不相同。而 EBSD 的任何数据都以与外界坐标系有关的取向方式给出，这使有些人不习惯，从而回避。。仅知道晶体本身的{111}面还不行，还要确定该面相对外界坐标系的关系，这是晶体取向的概念。 (4)坐标系的概念及矩阵的作用。1)受力分析，坐标变换；2)取向关系，惯习面分析；3)变体选择，相变矩阵；4)界面位错量及分布等。^o了解样品坐标系的另一个优点是：与工程更接近，也为晶体学矩阵运算打下基础。一个取向是两个坐标系的转动关系，以一个矩阵表示；外界应力场、应变场都是通过坐标换算作用在晶体内部；取向差、重位点阵、取向关系、相变晶体学、形变过程等都是通过矩阵变换完成。矩阵把形变、界面和相变晶体学连在一起。贝茵应变、不变平面应变及不变线应变、相似变换(把一种坐标系下的应变应力表达换算到另一坐标系下)、马氏体相变晶体学(取向关系)都对应矩阵变换或运算。 (5)极射投影的重要作用。极射投影与极图是晶体学以及 EBSD 分析时必熟练掌握的方法。图2给出除在晶体学领域外，在几何学、地质学、制图学、 图2 极射投影在几何学(复变函数)、地质学、制图学、摄影方面的应用立1。 a：画家鲁宾斯(Rubens)画出古人展示极射投影原理； b：几何学中用极射投影法表示面、线及夹角关系； 制图学中利用极射投影法将球面上的位置表达在平面上，1507年最早的世界地图是用极射投影法画的；d： 地质学中岩石滑动面方位的投影表示；e摄影术中使用极射投影得到球面全景图像。 Fig 2Applications of stereographic projection to geometry， geology， cantography and photography3. a： Illustration by Rubens demonstrating how the projection is computed； b： Stereography used in geometry to show theanglular relations between planes or lines； o Stereographic projection used to map the Earth， especially near the poles；d： Use of lower hemisphere to plot planar and linear data in structural geology， a fault plane with a slickenside lineation； 摄影等方面极射投影的广泛应用，极射投影法最早用于表示天体位置，数学上最本质的作用是将维数降一级。孪晶关系、重合位置点阵关系、不同取向晶粒形变时的转动、取向关系等都很容易地在投影图上看出。极图看的越熟练，从 EBSD 数据中就能看出更多的结果。 (6)背景知识应加强。有关材料科学基础的课程中晶体学部分介绍的较少，太抽象，如：取向差、取向关系、界面与性能；钢中常见的几种织构的几何联系?一个织构组分取向在极图上是几个投影点?等效取向的计算；取向的各类表达换算；逆矩阵的换算；取向差、取向关系及界面晶体学。 (7)现场工程问题中包含的材料学问题。EBSD的各种图像和数据说明它们只是基本晶体学信息，如果不知道晶体学与材料科学的关系，就可能看不清其作用；以钢铁生产中的问题为例，工程问题常可简化为如下基础问题： 1)晶粒细化问题(与晶粒取向有关吗?)； 量问题，橘皮)与晶粒取向的关系； 3)形变是否与取向有关? 4) 再结晶是否与取向有关?再结晶时什么取向的基体中形成什么取向的新晶粒? 5)相变与取向是否有关?相变时都是哪种取向关系? 6)析出是否与取向有关?析出如何受形变影响?什么取向的晶粒内析出快? 7)连铸坯中的柱状晶可能带来的影响(特别是无后续相变时)，指柱状晶的形变； 8) BCC 金属中哪些取向形变时稳定或不稳定? 9)宏、微观形变不均匀性问题(特别是热轧时)及对组织、取向的影响。 3 EBSD 技术用于研究晶体学的例子 我国较早用 EBSD 技术研究相变晶体学的工作参看文献[6，当时尚未使用取向成像。以下为作者近期工作的一个例子。具有 TRIP(相变诱发塑性)/TWIP(孪生诱发塑性)效应的高强高韧高锰钢(含锰 15%~32%)中除面心立方结构的e-奥氏体外，还含有六方结构的α-马氏体和体心立方结构的e-马氏体，利用 EBSD 取向成像技术可快速鉴别两种马氏体的相变特点。图3a，3b分别是含22%Mn 的高锰钢1050℃加热后水冷的组织形貌像和取向成像，图3a中被电子束污染的长方区域是取向成像区。图3b中灰色为奥氏体，红色e-马氏体，蓝色为α-马氏 体。根据多个取向成像结果可知α-马氏体主要是细小透镜状(图3a中箭头所指)，类似普碳钢中的高碳马氏体；e-马氏体是粗大长条状；且α-马氏体总是从e中形成，说明e马氏体是中间过渡产物。图3b中左上角的长条状α-马氏体是原透镜状长大吃掉原长条状e-马氏体后的形状。粉色线是α马氏体内的相变孪晶界。 图3 高锰钢 EBSD相鉴定。a组织形貌像(Bar-10/m)； b：取向成像(Bar=5一m) rig3 Phase discrimination in high manganese steels by EBSD technique. a：Micrograph(Bar=10 m)； b： Orientation map(Bar=5 /m) 图4给出3个相的极图。为方便分析起见，将主要的奥氏体基体取向转到{111}极图中心，这样可直接看出3相之间对应的取向关系是：{111}丫Ⅱ{0002}e ll{110} ， < 110>yⅡ<1120>e ll<11Dα，见用红、绿环圈出的平行面及方向。从奥氏体的{111}极图(4b)还可看出1，2取向晶粒间存在退火孪晶关系，说明马氏体最容易从奥氏体的孪晶界上形核，而不是从晶界上形核。此外，2号晶粒内的另2个{111}面上也形成了e-马氏体，见图4c箭头所指。 图5标出图4e，4f 中各变体间的孪晶关系。将BCC结构(马氏体中出现的不同相变孪晶变体以不同颜色加以区分。已知从六方结构变为体心结构的Burgers 取向关系时最多有6个变体，从图中可见这6个变体都出现，且它们是3对孪晶。孪晶关系的出现一方面说明是K-S关系，因为 N-W关系中的变体间不存在孪晶关系。另一方面说明，3种类型的孪晶出现更有利于减小相变体积变化产生的应变能，但变体选择倾向小。图 5a，5b 是孪晶关系的{111}极图和{110}极图。在{111}极图中，3对孪晶的共同{111}极点不重合(a b， c d，ef)， 而{110}极图 中3对孪晶共同具有同一个(110)极(极图中心处).已知 BCC结构的形变孪晶应是在{112}面上沿≤111方向，而其转轴(即切面)是<110>，所以，图5a中的3类孪晶界应是3类{112}面与样品表面的截线，沿3个不同的≤111>方向切动，拥有1个共同的[110]转轴。3个{112}极必在{110}极图的圆周上，更确切地说，应在大圆上每2个{110}极点的中心。全部6个变体的出现也说明相变时没有明显的变体选择，而形变的加入就可能产生变体选择，即只有1~2个变体出现。此外， alc 之间和dle之间是50<110的11的关系。 进一步工作是计算马氏体相变晶体学中的各类矩阵，相关的文献较多。可见，用 EBSD 技术可很方便地研究晶体学规律。 通过X射线法测出含 Fe-18Mn-3Si-2Al的高锰钢的3相的点阵常数可计算3相间的晶向、晶面匹配度，从而解释为何奥氏体不直接转变为α马氏体。X射线法测出3相的点阵常数是： ar=0.36073 nm，ab=0.28823 nm， ah=0. 25478 nm， Ch=0.41313nm。 (1)对hqp bcc， an=0.28823 nm 图4取向关系的确定。 a， b：奥氏体的{110}，{111}极图；c，d.e马氏体的{0002}，{11 20}及图；efα马氏体的{111}，{110}极图. Fig. 4 Determination of orientation relationship. a b： The {110) and {111) pole figures of austenite；o d： The {0002} and {11 20) pole figures of e-maitensite； e，f： The {111) and {110} pole figures of a-maitensite. 图5α马氏体相变体晶的分析。 a：{ 111} 极图； b：{110} 极图 Fig. 5The analysis of transformation twins in a-martensite. a：{111) pole figure；b：{110) pole figure {0001}el{110}α晶面匹配计算： (2)面心向六方结构转变的匹配情况 <110y|<1120>e晶向匹配计算： 8=dr-dhxd-×100%=af-a\pa-Xx0.36073-0.25478~2×0.36073=0.10%{111}Y{0002}e晶面匹配：8=drddfh x 10 0 % = 433af 1x<0.360730.41313\3×0.36073=0.82%2 (3)面心向体心转变时的不匹配度 <110>Y<111>a晶向匹配计算： 4 结语 目前说 EBSD 技术是一种新型的分析技术已不太确切，因为它商业化至少已15年了。但在我国还算是比较新的晶体学分析手段，了解它的人比知道能谱分析仪的人少得多。晶体材料制备及使用时不可避免地展示晶体学变化过程(如取向的择优或存在取向关系)，研究微观过程中取向的演变规律是合理制备及使用材料的关键。 EBSD 技术在收集第一 手晶体学数据中起重要作用。 钢铁材料生产过程都可归纳为形变、再结晶、各类相变这些基本材料学问题，这些过程在微观上是不均匀的， EBSD 技术在分析这些过程中起着极重要的作用。 在企业——高校——厂商间有必要架起沟通的桥梁，相关的高校教师有责任在推广该技术中以总结、写出案例、介绍晶体学知识上做出贡献。晶体学基础和材料学基础在 EBSD 技术有效应用中非常重 图7 奥氏体内惯习面的确定。 a：绕法向转动90度后的照片，彩色线为{111}惯习面在样品表面的迹线(Bar=5m)；b：取向绕轧向转180度的{111}极图，此时对应于形貌图。 Fig. 7 Detemmination of habit planes in austenite. a： Micrograph after a rotation around ND for 90， colored lines are traces of {111) on sample surface(Bar=5 m)； b： {111) pole figure after an rotation around RD for 180( to correspond to the microstiucture in (a). 要，测出的 EBSD 数据及表达只完成研究的一半，另一半要靠晶体学运算。 4Zeiss 公司内部资料，2008.56 www. vikipedia. ong. ( 参考文献： ) ( Wang R， Gui J Chen X ， T an S. .h EBSD and TEM s t udy o f self accommodating gm maitensite s in Cu75. 7 Al15.4Mn8. 9 shape memory alloy[J. Acta M aterialia， 2002 50：1835- 1847. ) ( 1 1 Randle V， E I ngler O. Introduction to Texture A nalysis Macrotexture M ， icr o texture and Orientation Mapping[ M]. Nether ands： Gordon and b reach science publishers 2 0 00. ) ( 21 毛卫民.金属材料的晶体学织构与各向异性[M]. 北 京：科学出版社，2002. ) ( 7 Nolze G. Detemmination off Orientation Relationships Between f cc/bcc L attices by u se of Pole Figure[ A] . Proceedings of Channel Users M eeting 200 4 [ C . Denmark： Ribe， 2004： 37- 4 5. ) ( 31 杨平.电子背散射衍射技术及其应用[M].北京：冶 金工业出版社，2007年. ) EBSD technique， geometric crystallographyand materials science YANG Ping (School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China) Abstract： The flexibility of EBSD technique for the crystallographic study and the importance of solid grasp of principles in ciystallography andmaterials science to the best use of EBSD are stressed； The general relevance of pole figure representation and manipulation of matrixcalculation based on EBSD data is reviewed： It is suggested that generalization of the researches in textures phase transfomationcrystallography， interfaces and others is ciucial especially for new EBSD users. The trend of scanning microscope design on which EBSDsystem is installed and the problems encountered during domestic EBSD application are briefly discussed. An application example of EBSDtechnique to the ciystallographic analysis of the fommation of two types of maitensites in a high Mn TRIP/TWIP steel is provided. Keywords： EBSD； ciystallography； steel； martensite 能只界TEM和X射线研究晶体结构，否了解EBSPblishingeserved.http：//www.cnki.net ?为压性不够导致的冲裂及泰画质blishing House. All rights reserved.http：//www.cnki.net