材料分析方法PPT课件

1 第二篇材料电子显微分析 第八章电子光学基础第九章透射电子显微镜第十章电子衍射第十一章晶体薄膜衍衬成像分析第十二章高分辨透射电子显微术第十三章扫描电子显微镜第十四章电子背散射衍射分析技术第十五章电子探针显微分析第十六章其他显微结构分析方法 2 第十四章电子背散射衍射分析技术 本章主要内容第一节概述第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础第三节电子背散射衍射技术硬件系统第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定第五节电子背散射衍射技术成像及分析第六节电子背散射衍射技术数据处理 3 电子背散射衍射 EBSD 技术 开始于20世纪80年代 该技术是基于扫描电子显微镜为基础的新技术利用此技术可以观察到样品的显微组织结构 同时获得晶体学数据 并进行数据分析这种技术兼备了X射线统计分析和透射电镜电子衍射微区分析的特点 是X射线衍射和电子衍射晶体结构和晶体取向分析的补充电子背散射衍射技术已成为研究材料形变 回复和再结晶过程的有效分析手段 特别是在微区织构分析方面的应用 第一节概述 4 EBSD的发展大致经历以下几个阶段 1928年 日本学者Kikuchi在透射电镜中 首次发现了带状电子衍射花样 并对此衍射现象进行解释 故称这种线条花样为菊池花样1972年 Venables和Harland在扫描电镜中 得到了背散射电子衍射花样20世纪80年代后期 Dingley得到了晶体取向的分布图 并成功地将EBSD技术商品化20世纪90年代初 成功研究出自动计算取向 有效图像处理以及自动逐点扫描技术 之后能谱分析和EBSD分析的有效结合使相鉴定更加有效和准确2000年以后 EBSD标定速度的大幅提升 加快了EBSD的发展和推广 第一节概述 5 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 一 晶界类型1 小角度晶界指相邻晶粒位向差小于10 的晶界 一般 2 其中包括倾斜晶界 扭转晶界和重合晶界等 分见图14 1 图14 2和图14 3 图14 1对称倾斜晶界示意图 图14 2不对称倾斜晶界示意图 6 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 一 晶界类型1 小角度晶界指相邻晶粒位向差小于10 的晶界 一般 2 其中包括倾斜晶界 扭转晶界和重合晶界等 分见图14 1 图14 2和图14 3 图14 3扭转晶界构造示意图 7 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 一 晶界类型2 大角度晶界指相邻晶粒的取向差大于10 的晶界常见模型有 皂泡模型 过冷液体模型 小岛模型和重合位置点阵模型 重合位置点阵模型见图14 4 图14 4重合位置点阵构造示意图 8 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 二 相界面结构或成分不同的两间的界面称为相界面 相界面可分为三种类型1 共格相界界面上的原子同时位于两相晶格点阵的结点上 此时界面两侧的两相存在取向关系 界面附近常伴有晶格畸变 合金脱溶分解初期形成的新相 或两相点阵常数相近 或晶体结构相同时 往往具有共格界面2 非共格相界完全没有共格关系的界面 当两相的晶体结构存在较大差别 或第二相尺寸较大时 两相间为此类界面3 部分共格相界借助位错维持其共格性的界面 此类界面在马氏体转变及外延生长晶体中较常见 9 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 三 晶体取向坐标系建立如图14 5 样品坐标系 由轧向RD 横向TD 法向ND三个互相垂直的方向构成 晶体坐标系 以立方晶体为例 由3个互相垂直的晶轴 100 010 和 001 组成 图14 5样品坐标系和晶体坐标系各轴相互间的位置关系 10 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 三 晶体取向坐标系建立样品坐标系和晶体坐标系各轴间的关系可用夹角余弦表示 由此可以构建一个方向余弦矩阵g 14 1 式中 1 2和 3分别是样品坐标系RD与晶体坐标系 100 010 和 001 间夹角 1 2和 3是TD与 100 010 和 001 间夹角 1 2和 3是ND与 100 010 和 001 间夹角该矩阵为正交矩阵 其中有3个分量是独立的 只需3个独立分量即可确定晶体取向 但用此方法反映晶体取向比较复杂 11 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 三 晶体取向坐标系建立用样品坐标系和晶体坐标系各轴间的夹角表示晶体取向比较繁琐 且不够清晰 为此可利用晶体旋转角度构建晶体取向特征旋转表示法用欧拉角描述晶体取向 欧拉角用3个独立的旋转角度 1 和 2表示初始位置 晶体的 100 010 和 001 分别与样品坐标系RD TD和ND重合 晶体旋转过程为 首先晶体绕 001 旋转 1 再绕 100 旋转 最后绕 001 旋转 2 这3个角度即欧拉角具体的旋转操作如图14 6所示 12 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 三 晶体取向坐标系建立图14 6所示为晶体绕晶轴旋转的欧拉角 图14 6用以描述晶体旋转的欧拉角 13 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 四 晶体取向数字表示方法及换算晶体取向数字表示方法主要包括 指数 矩阵 欧拉角和轴角对1 指数法用 hkl uvw 表示 即晶体中 hkl 晶面平行于板材轧面 uvw 方向平行于轧向2 矩阵法用取向矩阵表示 如式 14 1 即晶体的坐标系与样品坐标系各轴之间的夹角关系3 欧拉角与欧拉空间用 1 和 2表示 利用3个欧拉角可建立坐标系 构成欧拉空间 如图14 7所示4 轴角对用 uvw 表示 即晶体以 uvw 为轴旋转 角 晶体坐标系将与样品坐标系重合 14 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 四 晶体取向数字表示方法及换算图14 6所示为样品坐标系和晶体取向及欧拉空间 在欧拉空间中 可用一点 1 2 表示一种晶体取向 图14 7样品坐标系和晶体取向及欧拉空间 15 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 四 晶体取向数字表示方法及换算晶体取向亦可用某一晶面 hkl 的法线 该晶面上相互垂直的2个晶向 uvw 和 xyz 在样品坐标系中的取向表示 这3个方向可构成一个标准正交矩阵 称为变化矩阵g1 14 2 矩阵式 14 2 中 xyz hkl 和 uvw 为各自方向上单位矢量的指数 即归一化指数晶体进行3个欧拉角的旋转操作 其晶体取向也可用旋转矩阵g2表示 即 16 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 四 晶体取向数字表示方法及换算 14 3 令g1 g2 可得米勒指数与欧拉角的互换公式 14 5 14 6 14 7 17 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 五 晶体取向图像表示法1 极图法如图14 8 晶胞置于样品坐标系RD TD ND的中心 B为参考点 RD TD所在平面为投影面 则C点即为 100 晶向的极点 参见第七章 由图示可得 001 极轴r为r sin cos k1 sin sin k2 cos k3 14 8 式中 k1 k2和k3是RD TD和ND方向的单位矢量 图14 8极图法示意图 18 图14 9镍的 001 极图 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 五 晶体取向图像表示法1 极图法如图14 9a所示 001极点的分布是离散的 说明多晶体晶粒取向是混乱的 当多晶体存在织构时 极点出现不均匀分布 用极点密度表示取向强度 强度等级用颜色或等密度线表示 见图14 9b 19 图14 10反极图构造示意图 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 五 晶体取向图像表示法2 反极图法反极图的构造过程如图14 10所示 反极图常取单位投影三角形 用以描述样品坐标轴在晶体坐标系中的位置如 每个晶粒有一个方向与RD平行 这一方向的极射赤面投影 为该方向的极点 20 图14 11镍的反极图 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 五 晶体取向图像表示法2 反极图法图14 11所示为镍的ND RD和TD反极图 可以看出 RD反极图中 001 附近极点密度最高 说明大多数晶粒的 001 晶向与轧向RD平行此结论与图14 9给出的结果一致 21 图14 12欧拉空间及空间分割示意图 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 五 晶体取向图像表示法3 取向分布函数ODF利用取向空间的g 1 2 的分布密度f g 则可表示整个空间的取向分布 称其为空间取向分布函数 ODF 如图14 12所示 ODF反映的是三维空间取向分布 22 图14 13镍的ODF截面图 第二节电子背散射衍射技术相关晶体学基础 五 晶体取向图像表示法3 取向分布函数ODF为使用方便 通常用等 2截面图 见图14 13 23 第三节电子背散射衍射技术硬件系统 图14 15EBSD分析系统示意图 一 硬件系统整体布局示意EBSD分析系统如图14 15所示 整个系统由以下几部分构成 样品 电子束系统 样品台系统 SEM控制器 计算机系统 高灵敏度的CCD相机 图像处理器等 24 第三节电子背散射衍射技术硬件系统 图14 16EBSD分析系统实物照片 二 硬件系统整体布局实物EBSD分析系统作为扫描电镜附件 实物照片见图14 16 25 第三节电子背散射衍射技术硬件系统 图14 17EBSD探头在扫描电镜样品室中的位置 二 硬件系统整体布局实物EBSD探头在SEM电镜样品室内位置如图14 17a所示 分析时 样品需倾斜70 一般可使用预制倾斜70 样品台 见图14 17b 26 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 图14 18入射电子在材料表面发生衍射示意图 一 电子背散射衍射技术原理电子束入射到晶体内 会发生非弹性散射而向各个方向传播 散射强度随着散射角增大而减小 若散射强度用箭头长度表示 强度分布呈现液滴状 如图14 18所示 27 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 一 电子背散射衍射技术原理由于样品对入射电子的非弹性散射 在入射点处形成向空间各方向发射的点光源有些方向的电子与 hkl 晶面间的夹角为布拉格角 这些方向的电子构成了半顶角为90 的圆锥面散射方向位于此圆锥面上的电子 入射到 hkl 晶面因满足布拉格条件 2dsin 而产生衍射衍射方向的电子将构成一个半顶角为90 的衍射圆锥同样 h k l 晶面的衍射束也将构成一个衍射圆锥 参见图14 19 28 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 一 电子背散射衍射技术原理图14 9所示为入射电子在晶面的两侧发生衍射示意图 在 hkl 晶面两侧形成两个对称的衍射圆锥 图14 19入射电子在晶面的两侧发生衍射示意图 29 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 一 电子背散射衍射技术原理如图14 20 两个衍射圆锥与CCD相机的荧光屏的交线为一对双曲线 但由于 角很小 衍射圆锥面接近平面 故实际上接近一对平行线 菊池线对 带 中线可认为是衍射晶面与荧光屏的交线 图14 20入射电子在晶面的两侧发生衍射示意图 30 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 一 电子背散射衍射技术原理图14 21所示为经过计算机标定的典型的Al的菊池花样 分析时 通常将样品倾斜70 以提高信号强度 CCD探头便可采集到来自样品表面几十纳米薄层的衍射花样 图14 21Al的典型菊池带图谱 31 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 一 电子背散射衍射技术原理电子背散射衍射花样由宽度不等 纵横交错的多条菊池带组成 菊池带的交点称为菊池极 相交于同一菊池极的菊池带对应的晶面构成一个晶带 菊池极所代表的方向为此晶带各晶面的共有方向 即晶带轴菊池带宽度w与相应衍射晶面间距d的关系为w R 14 20 2dsin 14 21 式中 R为荧光屏上菊池带与样品上电子束入射点之间的距离 为入射电子束的波长 因在样品表层几十纳米的范围内大部分非弹性散射电子的波长变化非常小 32 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 二 衍射花样标定原理将菊池花样通过Hough变换 根据菊池带的位置 与标准花样对比标定个菊池极指数 以上过程由计算机自动进行如图14 22 由原点向直线作垂线 交点坐标为 x y 若垂线长为 其与x轴间夹角 则有如下关系 xcos ysin 14 22 图14 22Hough变换原理 33 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 二 衍射花样标定原理如图14 23所示 Hough变换可将图像空间的直线变换为Hough空间的点 直线上A B C D四点 对应4条Hough正弦曲线 这4条Hough正弦曲线的交点 即为该直线对应于Hough空间点的位置 图14 23Hough变换的线与点的转换 34 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 二 衍射花样标定原理图14 24所示为Hough变换模拟示意图 通过Hough变换后 菊池带形成类似蝴蝶结的一个点Hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶性 将原始图像空间的曲线变换为参数空间的点 图14 24Hough变换模拟示意图 35 第四节电子背散射衍射技术原理及花样标定 二 衍射花样标定原理图14 25所示为花样自动标定时的Hough变换图像 图14 25Hough变换实例 36 第五节电子背散射衍射技术成像及分析 一 相机操作开启相机控制窗口 根据分析需要 合理选择和设定相机参数在满足花样清晰度的前提下 尽可能缩短花样采集时间 以提高扫描速度 相机参数选择及对花样质量的影响 37 第五节电子背散射衍射技术成像及分析 一 相机操作调节增益或曝光时间使信号水平为最佳状态 见图14 29确定信号水平后 再进行背底扣出 以改善花样的衬度和清晰度 从而提高花样标定成功率 背底扣出前后的菊池花样见图14 30 图14 30背底扣出前后的衍射花样 图14 29各种信号水平状态 38 第五节电子背散射衍射技术成像及分析 二 菊池带采集首先采集一幅SEM图像 选定感兴趣的区域 在图像上任取一点 预览EBSD花样 如图14 32所示 图14 32Interactive界面及花样预览 39 第五节电子背散射衍射技术成像及分析 二 菊池带采集在数据库中选择待分析的物相 以提供花样标定所需的相关晶体学信息 图14 34所示为Ni的数据库根据晶粒尺寸 选择合适的扫描步长和扫描区域 开始逐点采集EBSD花样 计算机程序同步自动标定 图14 34Ni的数据库 40 第五节电子背散射衍射技术成像及分析 二 菊池带采集菊池花样标定结果如图14 34所示 图14 35Ni的菊池花样标定结果 41 第六节电子背散射衍射技术数据处理 EBSD花样包含的晶体学信息丰富EBSD技术自动化程度高 分析速度快EBSD技术功能强大 应用快捷方便EBSD技术的应用范围正日益扩大 主要应用包括1 织构和取向分析2 晶粒形状及尺寸分布分析3 晶界性质分析4 形变与再结晶分析5 物相鉴定及相含量测定6 两相取向关系测定等等 42 一 晶粒取向分布及取向差图14 37所示为显示Ni晶粒形貌的取向成像图 相同取向的晶粒用相同颜色表示图中晶粒的颜色用ND反极图配色 说明红色晶粒的法线平行于 001 蓝色和绿色晶粒的法向分别平行于 111 和 101 第六节电子背散射衍射技术数据处理 图14 37Ni的晶粒取向分布图 43 一 晶粒取向分布及取向差图14 38所示为图14 37中Ni晶粒的取向差统计图 大多数晶粒的取向差小于3 或等于60 图14 39所示为图14 37中Ni晶粒取向差沿一直线的变化 在晶粒内部取向差变化很小 3 在晶界处取向差出现一个突变 如15 40 60 等 第六节电子背散射衍射技术数据处理 图14 39取向差沿直线上的变化曲线 图14 38晶粒取向差统计图 44 第六节电子背散射衍射技术数据处理 二 图像质量图及应力应变分析菊池花样的质量是指菊池带的锐化 清晰 程度 用参数IQ表示 IQ可根据花样中几条菊池带的衍射强度之和求出影响花样质量IQ的因素很多 包括材料的种类 试样表面状态 应力应变状态 晶粒取向及晶粒尺寸等 单晶材料中 应力和应变梯度是影响IQ变化的主要因素对于同一样品 不同区域的菊池花样质量IQ 主要取决于其应力或应变状态 因此 IQ可评价材料微区应变的分布利用菊池花样质量IQ成像 图像中用明亮程度表示IQ 即亮点表示花样质量好 暗点表示花样质量差 对应的样品位置存在较大应变IQ成像法适用于晶粒内部的应变分布测量 对于晶粒或异相之间的应变分布测定不宜使用 45 第六节电子背散射衍射技术数据处理 二 图像质量图及应力应变分析图14 40 14 41 14 42均为菊池花样质量图像 由图14 40可见 晶粒内部的应变并不均匀 如图14 41所示的Al晶粒变形程度存在较大的差别 双相钛合金中 钛晶粒较亮 而 钛晶粒较暗 这种差异可能是 钛晶粒变形程度较大 也可能是因为两种相衍射强度存在差别 见图14 42 46 第六节电子背散射衍射技术数据处理 三 晶粒形貌图及尺寸分析EBSD技术利用取向成像法 在获取显示晶粒形貌的图像 图14 43 的同时 可方便地测量其晶粒尺寸及尺寸分布 见图14 44 直径约20 m的晶粒数量最多影响晶粒尺寸测量结果的因素主要是 扫描步长和取向差角范围的设定 图14 43镍晶粒形貌的取向成像图 图14 44镍晶粒尺寸分布图 47 第六节电子背散射衍射技术数据处理 四 晶界类型分析如前所述 EBSD技术可以测量晶粒间的取向差 若将取向差按角度范围分类 可区分小角度晶界和大角度晶界 并可计算各类晶界所占的比例 如图14 45中 5 15 的晶界在用绿线表示 所占份数为0 41 根据特定的取向差 还可确定孪晶界 重合位置点阵晶界等特殊晶界 图14 45钛合金的晶界及分析结果 48 第六节电子背散射衍射技术数据处理 五 物相鉴别与鉴定及相取向关系利用已知物相的晶体学数据 可借助数据库 通过衍射花样标定而鉴定物相 不同物相用不同颜色成像 即可获得如图14 46所示相分布图像 并可计算各相所占的份数图14 46中 红色表示 钛 绿色表示 钛 钛和 钛分别占73 8 和26 2 图14 46 双相钛合金的相分布图像 49 第六节电子背散射衍射技术数据处理 五 物相鉴别与鉴定及相取向关系当样品被分析区域有两相共存时 两相间往往可能存在某种特定的取向关系 测定取向关