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EBSD技术的进步——解决最具挑战性的应用

随着EBSD技术的使用越来越广泛,应用的数量和类型正在不断增长,很多应用也越来越有挑战性。牛津仪器AZtec系统产品,在采集数据的质量和解决更复杂应用的可靠性上,都有显著的改善。而做出这些改进的,被称为Tru-I引擎。这里给出了一些应用实例:

衍射带检测的改进

衍射带的检测是EBSD分析最基础的方面,是影响数据质量的关键。衍射带检测的改进可以增加正确标定点的数量,特别是对模糊或低质量的花样,例如那些有高应变或部分回复微观组织的材料。

最新系统中的,衍射带检测使用的是一个复杂的算法,它可以自动确定检测到的衍射带中哪些用于标定是最佳的。该方法基于衍射带的平均强度和衍射带在感兴趣区内的位置,即用于衍射带检测的EBSP区域(图1),来应用加权函数。采用这种方法,使位于感兴趣中心或附近的衍射带,具有更高的优先级。这些衍射带通常检测得更可靠,因此使标定结果更可靠。加权衍射带的检测如下图示意。

图 1加权带检测,更准确可靠

A typical EBSP from a low density silicate mineral

(a) 低密度硅酸盐矿物的一个典型EBSP;

Non-weighted band detection

(b) 非加权带检测;

Weighted band detection

(c) 加权带检测。

标定算法

标定程序对于获取准确的数据至关重要。EBSD系统面临的挑战是,实现高的命中率而不产生错误的解析结果,即:正确的解析EBSD花样。自动化的程序对不匹配的衍射带非常敏感,例如那些晶界处的衍射带,因此标定算法必须足够可靠,以处理未准确检测的衍射带。

一种新的可靠的方法:分类标定检查四条衍射带的排列组合,并考虑衍射带的吻合度(所测得的衍射带和参考晶体反射面是一致的)和不匹配度(测得衍射带和参考晶体反射面不一致)。这些四条衍射带的组合使标定程序将解析分为更小的部分,是标定的基础。用这种方法,使程序更可靠,并且可以在一个或多个衍射带不一致的情况下,找到正确的解析。 这个复杂的方法有几个好处:

晶界的解析

这种分类标定方法可以更好地适应花样重叠,比如那些晶界处的花样。从晶界一侧到另一侧,用于解析的四条主导衍射带逐渐替代包含两侧衍射花样的错误的四衍射带。因此,晶界的解析更准确,并且零解析更少。如图2所示。

图 2 利用AZtec分类标定方法,钢试样中晶界处重叠花样的标定得到提高。同一数据重新分析结果。

Using an older  indexing method, a high number of patterns at grain boundary are not indexed and presented as zero solution

(a) 采用旧的标定方法重新处理,晶界处大量花样无法标定,显示为零解;

using AZtec Class indexing method, overlapping patterns at grain boundary are better accommodated and indexed correctly

(b) 使用AZtec分类标定方法,更适合标定晶界处重叠花样,标定更准确。

区分相似晶体结构

传统上,利用EBSD区分具有相似的晶体结构的相是一个挑战,因为EBSD主要利用衍射带间的夹角来区分相。为了解决这种晶体结构相似的情况,可以测量晶格常数的差异(导致衍射带宽度的差异)来区分这些相。如图3所示,在电极界面上,从镍中区分出铂。

图 3 汽车火花塞中心电极上的铂—镍界面。铂和镍有相同的晶体结构,晶格常数只有10%的差异,因此基于传统的EBSD难以区分。AZtec系统通过衍射带宽度就能够将其区分。

Pt and Ni have the same crystal structure with only 10% difference in lattice parameter

(a) 铂和镍具有相同的晶体结构,晶格常数只有10%的差异;

Phase map overlaid onto the electron image. This map is processed using the traditional routine indexing algorithm to solve the patterns. This map shows no differentiation of the Pt or Ni, but an arbitrary solving of the pixels

(b) 相分布图叠加到电子图像上。这个图使用传统的常规算法解析花样。结果显示铂或镍没有区分,只是随机的解析各个像素。

A phase map of the same area with the two phases clearly differentiated; this is achieved by grouping the two phases and sorting the solutions using the pattern band width

(c) 同一区域的相分布图,两相清楚的区分开。这是通过将两相建组,使用花样带宽度区分解析的结果。

The corresponding X-ray maps collected simultaneously with the EBSD data, illustrate the concentration of these elements in the two phases

(d) 采集EBSD数据的同时采集能谱图,展示了两相中元素的浓度。

先进的相区分

另一种方法是通过同时采集能谱(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)数据,将EBSD数据与化学数据相结合。AZtec 的TruPhase功能使得这项技术成为可能。如图4所示,这就要求EDS和EBSD在SEM中以合适的几何位置安装。从这些相似晶体结构的相中,采集参考能谱用于协助区分相。

同时采集EBSP和EDS能谱。当从一个点采集的EBSD花样,可能来自多个相的时候,同时采集的EDS数据与参考谱的相关性就可以将解析结果排序。这种方法将EBSD解析结果加权处理,从而更加准确地区分了这些相似相。如图5所示。在这个例子中,对镍基高温合金进行了研究。第二个相是沉淀硬化的结果,能够正确地识别这些相很重要。

图 4 结合样品EDS和EBSD分析的几何设置

Geometry for combined EDS and EBSD analysis of a  sample

图 5 镍基高温合金的镍基体中包含了诸多第二相,包括弥漫的针状析出物、富Nb析出物和圆形的Nb/Ti碳氮化物析出物。碳氮化物和Ni具有非常相似的晶体结构,因此在传统的EBSD基础上很难区分。这些相化学成分不同,因此他们可以用AZtec TruPhase来区分。

An EBSD band contrast map, illustrating the nickel matrix coupled with the needle-like Ni-Nb precipitates and the rounded carbonitrides

(a) EBSD衍射带衬度图,显示镍基体中含有针状镍铌析出相和圆形的碳氮化物;

Crystallographic properties of the phases in the superalloy. </em><em>The carbonitrides are crystallographically similar to the Ni; they have an FCC structure, belong to the same space group (225) and have similar unit cell dimensions. This makes it difficult to distinguish them, both from each other and from the matrix, using EBSD alone

(b) 高温合金中相的晶体结构。碳氮化物晶体特征与镍类似;它们都是面心立方结构,属于同一个空间群(225),也有相近的单胞尺寸。这使得仅仅使用EBSD很难区分他们。

These phases have different chemistries. The X-ray maps show the needle-like precipitates have a higher concentration of Ni and Nb, whereas the rounded carbonitrides give higher Nb and Ti and markedly lower Ni concentration.  This indicates these phases can be differentiated using AZtec Truphase>

(c) 这些相有不同的化学成分。EDS图显示针状析出物有较高浓度的Ni、Nb,而圆形的碳氮化物有较高Nb和Ti,明显较低的Ni浓度。这表明这些相可以使用AZtec TruPhase区分。

A standard EBSD phase map solved against the two phases Ni and Ni3Nb. Although the matrix and Ni3Nb phases are readily distinguished, many of the carbonitrides index as Ni

(d) 标准的EBSD相分布图,解析出Ni 和Ni3Nb两相。虽然基体和Ni3Nb很容易区分开,但是很多的碳氮化物被标定为Ni。

The application of AZtecTruPhase enables an accurate identification of the phases in the Ni superalloy

(e) AZtec TruPhase的应用保证了镍基高温合金中相的准确鉴别。

最高的取向精度

常规EBSD检测的精度和准确度受很多因素限制,标准EBSD系统的角分辨率通常为0.5–0.7°之间(Humphreys 2001)。EBSD技术的基础是识别和定位衍射带的方法,所选的方法是影响测量的准确度和精度的主要因素。

牛津仪器Aztec系统中的高精度(K. Thomsen 2013)模式,为获得最高取向测定精度(例如描述微小的亚晶结构)提供了一个解决方案。这个新的衍射带修正方法,在不影响分析速度和实用性的情况下,大幅提高了常规EBSD的角分辨率。这种方法将衍射带视作双曲线,相应的修正至最匹配。该方法分三个步骤:

1. 初步衍射带探测
采用快速、低分辨率、2D的Hough变换检测一组衍射带(检测(ρ, φ)的近似值) ;
2. 标定
根据检测的衍射带和数据库的匹配,确定相(检测Bragg衍射角) ;
3. 再次衍射带修正
由检测得到的Bragg衍射角,可以模拟出相应的双曲线;对(ρ, φ)实施相对较快的优化过程,在高分辨EBSD花样的空间,匹配模拟的衍射带和真实记录的衍射带(检测(ρ, φ)的准确值)。

图 6 单条模拟衍射带,与真实测得的高分辨率EBSD衍射带优化匹配的示意图,匹配参数为(ρ, φ)。

Sketch to illustrate optimising the fit of a single, simulated Kikuchi band to the real, measured Kikuchi band (in the high-resolution EBSP space) – fit parameters are (</em><em>ρ, </em><em>ϕ</em>

AZtec 高精度模式的应用结果如下直方图所示。

用单晶硅来表征取向精度(K. Thomsen 2013);这消除了样品的其他影响因素,简化了不同带检测的分析和校准方法。对于单晶,在整个观测区内,取向应该是恒定的不变的,所以点与点间的取向差异则是由测量的变化引起的。

一个改进的例子是,用基于Hough变换的传统方法(蓝色)和新的高精度方法(黄色),处理从单个图上采集的同一套EBSD花样。图7是KAM分布图(取向波动,是每个像素点与其近最邻像素的平均取向差)。

很显然,利用再次修正,明显改善了KAM。这些改进表明,解析结果和花样之间更加吻合,对区分相和提高取向精度有益。

图 7 KAM分布,数据采集自单晶硅样品。数据显示使用高精度模式后,KAM的分布,KAM平均值减少了0.05°。

KAM distribution, data collected from single crystal Si. It shows the distribution and average KAM value decreases with a mean KAM<0.05 degrees when using Refined Accuracy

如图8所示,取向精度的提高,便于显示材料中因为应变造成的微小亚晶结构。

图 8 镍基高温合金的裂纹尖端。

Traditional Indexing

(a) 数据用传统标定方法处理;

 Refined Accuracy

(b) 数据用高精度方法处理。AZtec 系统生成的KAM(或局部取向偏差分布图)。裂纹尖端周围晶粒中明亮的绿色区域有较高的取向偏差,即应变区;裂纹尖端有着复杂的变形花样和约2μm大小的亚晶。高精度模式处理的数据明显有着更少的噪音,亚晶组织更加清晰。

伪对称性

高精度模式在区分精细的晶面夹角差异上具有优势。这对于特定的某些相非常有帮助,这些相的不同晶体取向会产生非常相似的衍射花样。在这些情况下,标定引擎不能清楚的识别正确的取向解析,这种情况称为伪对称性。在这些情况下,备选解析结果在衍射带夹角间上只有非常细微的差异,只有如高精度模式提供的强大而准确的衍射带检测,可以从其中识别正确的解析结果。下面的是利用AZtec高精度模式解决γ-TiAl中伪对称性的例子。

γ-TiAl中伪对称性的标定问题源自于它近四方的c轴:晶胞参数比为1.018,使得衍射花样产生伪立方结构。这通常导致标定结果不准确,在主轴60°取向出现错误的标定结果。这些错误与γ-TiAl片层间的晶界有着同样的取向偏差,导致无法显示真实微观组织。这里是γ/γ界面的三个变体:

Pseudo Symmetry

晶体结构的定义包括<111>3次轴的伪对称元素,确保AZtec产生3个伪对称性相关的解析结果。由于高精度模式的应用,带检测具有较高的准确度,进而导致低的MAD(错配)值。具有最小MAD值的解析结果选作正确的解析。如图9所示。

图 9 利用AZtec伪对称性处理分析γ-TiAl

A typical γ-TiAl pattern with the 3 pseudo-symmetry related solutions overlaid.Due to the application of Refined Accuracy, the band detection has a high accuracy, which in turn leads to low MAD (misfit) values. The solution with the lowest MAD=0.11<sup>o</sup> is chosen as the correct solution

(a) 典型γ-TiAl花样和三个相关伪对称性解析。由于高精度模式,衍射带的检测具有更高的准确性,进而导致较低的MAD值。具有最低MAD=0.11°的解析结果选为正确解析。

IPF-z of the γphase and in addition the α<sub>2</sub> phase collected using traditional indexing method. The speckled appearance indicates difficulty in resolving the pseudo-symmetry

(b) 利用传统标定方法采集γ相和α2相的IPF-Z图。出现的随机点表明很难解决伪对称性。

IPF-z of the γphase and in addition the α<sub>2</sub> phase collected using AZtec Refined Accuracy with pseudo-symmetry definitions. The data clearly shows the accurate grain structure without pseudo-symmetric mis-indexing

(c) 利用对伪对称性定义的AZtec高精度模式采集γ相和α2相的IPF-Z图。数据排除了伪对称性的错误标定,清楚的显示了准确的晶体结构。

透射菊池衍射(TKD)

在纳米尺度下表征材料有着越来越多的需求。尽管近几年技术有着显著的发展,传统EBSD的分辨率,本质上受花样产生源的体积限制,在25-100nm之间。这不足以准确地测量真正的纳米结构材料(平均晶粒尺寸小于100nm)。

TKD技术作为一种基于SEM衍射的新方法,已经吸引很多人的注意;它运用传统的EBSD硬件对透射样品进行研究。TKD技术,称为透射EBSD(t-EBSD: Keller and Geiss, 2012)或透射菊池衍射(TKD: Trimby, 2012)。该技术已被证明能使空间分辨率优于10nm。这项技术是利用常规EBSD,研究纳米结构和大变形样品的理想技术。

TKD样品用透射电子显微镜(TEM)样品的标准方法制备。样品的厚度是关键:最好的结果是使用50nm到150nm范围内相对较薄的样品。

样品通常是水平安装在扫描电镜仓内,位置在EBSD探测器荧光屏的上方。如图10所示。

图 10 TKD系统的几何设置。对电子透明的样品水平安装在扫描电镜仓内,定位于EBSD探测器荧光屏的上方。

The geometry of a system set up for TKD. Electron transparent samples are mounted horizontally in the SEM chamber and posi­tioned towards the top of the EBSD detector's phosphor screen.

根据EBSD探测器的位置,TKD的几何设置允许很小的工作距离(如5-10mm)。这种几何设置下,通过减小了工作距离、减少了样品的倾斜,最大程度的获取最佳的空间分辨率。

尽管使用TKD方法的EBSD与传统EBSD在几何位置关系不同,AZtec系统对于这种几何上的变化做了弥补,不需要修正或改变校准。然而,在TKD几何条件下采集得到的TKD花样面临其他的挑战。最显著的影响是:

  • 花样较低部分的衍射带要比正常的宽;
  • 这些宽的带强度不对称;
  • 花样中心在花样图像的上方。

如图11所示。

图 11 用传统带标定方法解析TKD花样面临的挑战。

A typical TKD pattern from Al. Broad bands can be seen at the base of the pattern. The intensity across these broad bands is non symmetric resulting in the band edges being very bright or very dark

(a) 从Al材料获得的典型TKD花样。在花样的下部可以看到更宽的带。这些宽带的强度是非对称的,导致在带的边缘非常亮或非常暗。

The same pattern with the bands detected using conventional band detection routine. There are several errors in the band detection resulting from the artefacts mentioned above. The most obvious is the incorrect band detection of the broadest lower band – where the non symmetric intensity has resulted in the top edge of the band only being detected. The poorer fit between pattern and solution is readily seen in the higher than acceptable MAD number

(b) 用传统带标定方法对同一个花样进行标定。由于上面提到的现象导致带的探测有几个错误。最明显的就是低端最宽带的错误检测——非对称强度已经导致只有带的上边缘被检测到。从超过可接受范围的MAD值可以看出,花样与解析结果匹配性很差。

这些现象导致带检测的不准确,与之相关的,命中率下降,取向精度降低。为了解决这个问题,在AZtec软件中加入了创新性的TKD优化模式。这种模式可以准确解析TKD花样,获得最高的命中率和最准确的数据。如图12所示。

图 12 利用AZtec中的TKD优化模式准确解析TKD花样。红色显示的是正确检测的花样。黑色的带是在匹配单元中出现的衍射带(在视场内)。MAD值降低到可接受的0.13°。

Accurate solve TKD patterns using TKD optimised mode in AZtec. The same pattern is now processed using the TKD optimised step in AZtec. The bands, shown in red, are correctly detected. The black bands are those reflectors that were present in the match-unit (and within field of view). The MAD value is reduced to 0.13 which is very acceptable.

在TKD模式下,AZtec从期望的备选相列表中计算出最小的Bragg角。因此,在TKD几何情况下,相对与花样中心最小的带宽度是知道的,因此错误的、窄的衍射带可以忽略。带中心的正确识别导致命中率与常规模式下的EBSD相当。

参考文献
F.J. Humphreys, J. Mater. Sci. 36 (2001), 3833–3854.
K. Thomsen, Microscopy and Microsnalysis 19 (2013), 724-725.
R.R. Keller, R.H. Geiss, Transmission EBSD from 10 nm domains in a scanning electron microscope, Journal of Microsopy 245 (2012) 245-251.
P.W. Trimby, Ultramicroscopy 120 (2012), 16-24.

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