EBSD

电子背散射衍射分析技术及其在材料分析中的应用1引言20世纪90年代以来，电子背散射花样（ElectronBack-scatteringPatterns，简称EBSP）晶体微区取向和晶体结构的分析技术取得了较大的发展[1-3]，并已在材料微观组织结构及微织构表征中广泛应用。该技术也被称为电子背散射衍射（ElectronBack-scatteredDiffraction，简称EBSD）或取向成像显微技术（OrientationImagingMicroscopy，简称OIM）[4]。EBSD的主要特点是在保留扫描电子显微镜的常规特点的同时进行空间分辨率亚微米级的衍射（给出结晶学的数据）。EBSD改变了以往织构分析的方法，并形成了全新的科学领域，称为“显微织构”——将显微组织和晶体学分析相结合。与“显微织构”密切联系的是应用EBSD进行相分析、获得界面（晶界）参数和检测塑性应变。目前EBSD技术已经能够实现全自动采集微区取向信息，样品制备较简单，数据采集速度快（能达到约36万点/小时甚至更快），分辨率高（空间分辨率和角分辨率能分别达到0.02μm和0.5°)，为快速高效的定量统计研究材料的微观组织结构和织构奠定了基础，因此已成为材料研究中一种有效的分析手段[5]。EBSD技术已经广泛应用于材料研究领域，主要包括测定晶体取向、织构、取向关系、应变分布、晶格常数、物相鉴定及晶界性质研究等方面。2电子背散射衍射分析技术的基本原理2.1EBSD技术的基本原理通常电子背散射衍射系统配备在扫描电子显微镜中，样品表面与水平面呈70°左右。由电子光学系统产生的电子束入射到样品内，会受到样品内原子的散射，其中有相当部分的电子因散射角大逃出样品表面，这部分电子称为背散射电子。背散射电子在离开样品的过程中与样品某晶面族满足布拉格衍射条件2dsinθ=λ（d为平行原子平面的间距，λ为入射波波长，θ为入射束与晶面之夹角）的那部分电子会发生衍射，形成两个呈对称分布的衍射圆锥。两个圆锥面与接收屏交截后形成一条亮带，即菊池带。每条菊池带的中心线相当于发生布拉格衍射的晶面从样品上电子的散射点扩展后与接收屏的交截线，如图1所示。一幅电子背散射衍射图称为一张电子背散射衍射花样(EBSP)，一张EBSP往往包含多根菊池带，菊池线交叉处代表一个结晶学方向。接收屏接收到的EBSP经CCD数码相机数字化后传送至计算机，计算机可以自动确定菊池线的位置、宽度、强度和夹角等，并与对应的晶体学理论值比较，最终标出各晶面和晶带轴的指数。由此，可以进一步算出所测晶粒相对于试样坐标系的取向[6]。图1电子背散射衍射原理示意图2.2EBSD技术的特点[7](1)能获得较高的空间分辨率电子背散射衍射分析的空间分辨率与样品及仪器参数有关。样品中所含元素的原子序数越大,空间分辨率越高;扫描电镜工作参数（加速电压、聚光镜电流和光阑尺寸等）的选择对空间分辨率有影响。如热场发射扫描电镜的束流大且束斑小,空间分辨率能达到纳米量级。(2)晶体显微成像可以对块状样品的表面逐点进行晶体学分析,获得晶体结构、晶体取向及晶界特性等的分布信息,可以定性和定量地表征材料的显微织构。(3)分析速度快计算机软件的发展,特别是Hough变换应用与自动识别电子背散射衍射花样以及数字图像技术和电荷耦合器件（CCD）探测器的发展,使得电子背散射衍射花样的采集及标定的时间大大缩短,并可自动进行,采集一幅电子背散射衍射花样仅需10~100ms,电子背散射衍射花样的标定也仅需10~20ms。e-衍射晶面荧光屏衍射晶面迹线衍射圆锥EBSD菊池线3电子背散射衍射实验分析方法[8-15]电子背散射衍射系统采集、识别以及分析点子背散射衍射花样的过程，可以分为：试样的准备、试样的放置、EBSP的采集、EBSP的识别标定和EBSD的数据输出。3.1试样的准备EBSD花样信息来自于样品表面约几十纳米深度的一个薄层，更深处的电子尽管也可能发生布拉格衍射，但在进一步离开样品表面的过程中可能再次被原子散射而改变运动方向，最终成为EBSD的背底。因此，要获得一张清晰的衍射谱图，制样很关键。要求试样表面无残余应变层、无氧化层及无连续的腐蚀坑，表面起伏不能过大，表面清洁无污染。对金属样品，一般先使用砂轮切割和线切割制作出典型尺寸为10mm×10mm×(1~3)mm的试样，再通过金刚砂研磨，抛光制成镜面状态，再通过化学抛光或电解抛光等去除表面变形层，再使用离子减薄仪对试样表面进行离子减薄，得到理想的OIM/EBSP试样。对非导电性试样还要进行喷碳处理。3.2试样的放置进行EBSP的采集时，必须将试样表面倾斜70°，这是因为倾斜角越大，被散射电子越多，形成的EBSD花样越强。但过大的倾斜角会导致电子束在样品表面定位不准，降低在样品表面的空间分辨率等负面效果。图2是进行EBSP采集时，试样室内FSEM极靴、试样和EBSD探测器的位置。这样在反射电子浓度及强度高的区域放置滤光片，增大非弹性散射中的向前散射的作用，减低衍射线被试样的吸收，从而提高图谱的强度。确定好扫描电子显微镜的工作距离及电子束聚焦点到荧光屏的距离，并始终保持不变。图2试样室的CCD照片3.3EBSD花样的采集扫描电子显微镜使用较大的电子束流，保持电子束稳定，一般20kV，选取样品区域，使样品待分析区域位置与标样校正点处于同一聚焦位置，收集EBSD花样，计算机数据自动处理、存储及输出。3.4EBSD花样的识别标定衍射花样标定的基本过程：EBSD荧光屏接收到的菊池花样经CCD相机采集后传送至计算机，计算机通过Hough变换，自动确定菊池带的位置，宽度，强度，带间夹角，然后与对应的晶体学库的理论值进行比较，标出对应的晶面指数与晶带轴，并算出所测晶粒晶体坐标系相对于样品坐标系的取向。其中Hough变换是标定的关键。其原理如下：图像中的一点可以看做是无限条线在此点交叉，如图3所示直线A、B、C。每一条线都可以通过Hough参数ρ和θ确定。因此图像中的点和Hough参数ρ和θ就可以联系起来，即：图像中的点对应一个坐标(x,y)，通过该点有无限条线，从原点到无限条线中的每一条线都对应着唯一的一个垂线ρ，以及夹角ρ，即有如下表达式：ρ=xcosθ+ysinθ(3-1)这样一来，通过该点的所有交线都可以表示在一个Hough变换后的Hough空间，具有正弦曲线特征。图3Hough变换原理中的参数表达Hough变换可将图像空间的直线变换为Hough空间的点。如图4所示，直线上A、B、C、D四点，每一点都对应一条Hough变换正弦曲线。那么4个点对应4条Hough正弦曲线。同时，由于这条直线穿过4个点，那么对于每个点来说这条直线都对应了同样的一个ρ和θ，也就是说经过Hough变换后的4条Hough正弦曲线都会相交于一点，θρ050100150200-30-20-100102030θρθyxθρρABC即为该直线对应于Hough空间点的位置。显然这样一来，图像空间的一条线就转化成Hough空间的一个点。图4Hough变换原理中线与点的转换利用Hough变换将EBSP图像中的菊池线从直角坐标转换到用ρ和θ表示的Hough空间。Hough变换中，将EBSP上各点的强度(亮度)按xcosθ+ysinθ=ρ公式绘制在Hough空间上。在X，Y坐标上的线，即菊池线光带的中心线(强度极大，亮)及两侧边界(强度极小，暗)由于各线上的点以Hough空间上某坐标值(ρ，θ)为相交的交点，故此交点反映出强度的极值。计算机可根据Hough空间数据实时地定出菊池线的位置、强度和带宽，如图5所示。利用在不同取向下拍摄的菊池花样拼接图或计算的菊池图作为标准图，将已知晶型未知取向的菊池花样与标准菊池图进行对比，从菊池线的对称性、菊池带间夹角(即晶面间夹角)和菊池极间距离可以准确标定未知取向的菊池图。图5EDAX-TSL数据获取的软件自动标定取向时产生的Hough变换图像010203040010203040yxABDC(a)050100150200-30-20-10010203040ρABCDθ(b)4电子背散射衍射实验分析方法扫描电子显微镜中电子背散射衍射技术已广泛地成为金属学家、陶瓷学家和地质学家分析显微结构及织构强有力的工具[16-19]。EBSD系统中自动花样分析技术的发展，加上显微镜电子束和样品台的自动控制使得试样表面的线或面扫描能够迅速自动地完成，从采集到的数据可绘制取向成像图OIM、极图和反极图，还可计算取向（差）分布函数，这样在很短的时间内就能获得关于样品大量的晶体学信息，如织构和取向差分析；晶粒尺寸及形状分布分析；晶界、亚晶界及孪晶界性质分析；应变和再结晶的分析；相鉴定及相比计算等。由于EBSD包含这些信息，因此应用于很多材料的结构分析。4.1晶粒取向分布及取向差EBSD最直接的应用就是进行晶粒取向的测量，用EBSD可直接获得样品中不同晶粒或不同相之间的取向差异，由取向测量数据结合显微组织原位观察，可以研究腐蚀、裂纹、断裂、原子迁移、偏析、沉淀、孪生和再结晶等。图6所示为Ni晶粒取向分布图，图中相同取向的晶粒用相同颜色表示。右方为对应的ND方向的反极图，红色表示晶粒对应的法向方向平行于[001]方向，蓝色和绿色分别表示晶粒对应的法向分别平行于[111]和[101]方向。那么就可以根据每个晶粒的颜色确定其取向，将微观的组织结构和取向特征对应起来。图6Ni的晶粒取向分布图EBSD技术可以测定样品每一点的取向，那么不同点或不同区域的取向差异也就可以获得，从而可以研究晶界或相界等界面。图7所示为Ni晶粒的取向差统计图，从图中可见，大多数晶粒的取向差小于3°或等于60°。在晶粒图上画一条线（如图6中的白线），在这条线上，研究任意相邻两点之间的取向差，以及线上任意点相对于原点之间的取向差。由图8可见在晶粒内部取向差变化很100m小(3°)，且在晶界处取向差出现一个突变。图7晶粒取向差统计图图8取向差沿直线上的变化曲线4.2图像质量图及应力应变分析晶格中有塑性应变会使菊池线变模糊，由菊池衍射花样的质量可以直观地定性分析超合金及铝合金中的应变、半导体中离子注入损伤、从部分再结晶组织中识别无应变晶粒等。应力和应变造成晶体畸变，一方面可导致菊池衍射花样带宽的改变；另一方面由于畸变晶体的衍射强度降低，使得菊池花样带的锐化程度降低。由于应变引起的带宽变化量极其微小，并且应变菊池带的边缘与背底衬度十分接近，很难直接测量出来。因此，可利用菊池花样的质量参数（IQ）来评价微区应力的分布。通常IQ值是用于快速标定菊池花样，它由EBSD花样中几条菊池带的衍射强度之和求出。EBSD衍射菊池花样的质量或者清晰度与材料本身有关，包括材料的种类、表面质量及性质、应力状态灯。影响花样质量的因素很多，从材料科学的角度来讲，只有完美的晶体结构才能产生非常好的衍射花样，也就是任何影响晶体结构的因素，都会或多或少地影响花样的质量，例如晶格扭曲，就会导致较差的衍射花样。正是因为这种原因，IQ参数可以用来定性地描述表面应变。在EBSD中，每一张衍射花样根据其明锐程度用一花样质量数值来表示，且可用于作图。明亮的点对应高花样质量，暗的点对应低花样质量。低花样质量意味着晶格不完整，存在大量位错等缺陷。花样质量图法适合于单个晶粒内应变分布的测量，不适合于具有不同晶体取向的各个晶粒或不同相之问应变分布的测定，因为即使不存在应变，不同晶体取向的晶粒或不同相均具有不同的花样质量数值。图9为菊池花样质量图像,由图(a)可见，晶粒内部的应变并不均匀，图（b）所示为具有丝织构变形Al的IQ图，在变形程度大的丝织构区域，衬度相对较暗，花样清晰度较弱，其他区域衬度相对较浅。前面阐述了变形不同导致花样质量不一样，不同相也可能产生不同清晰度的花样。如图（c）所示α，β双相钛合金中，α-Ti晶粒较亮，而β-Ti晶粒较暗，这种差异可能是β-Ti晶粒变形程度较大，也可能是因为两种相衍射强度存在(c)(b)(a)差别造成。图9菊池花样质量图像（a）显示晶粒内部应变的IQ图;(b)具有丝织构变形Al的IQ图;(c)