修正伪对称

许多晶体结构都有其自身的晶体学对称群,但是与更高对称性的空间群在很多特征上接近。例如,矿物石英相(SiO2)是三方结构但与六方结构非常接近。这就是伪对称性,在EBSD分析中它会引起错误的取向标定。仍以石英为例,下图为石英相典型的低分辨率EBSD花样,有两种可能的解析,这两个解析沿<0001>轴相对旋转了60°。

通常可以通过优化采集条件,避免伪对称性引起的错误标定,包括:

  • 提高衍射花样的质量
  • 探测器前端尽量靠近样品,提高固体角
  • 探测到足够多的衍射带,保证探测到关键的衍射带
  • 使用足够多的晶体反射面,以包括关键的晶面
三方矿物石英的EBSD伪对称性示例,显示了正确和错误标定的EBSD花样

石英(SiO2)典型的低分辨率EBSD花样及正确(上)和错误(下)的解析。错误的解析相对正确的解析,沿<0001>轴旋转了60°(即<m>轴被错标成<a>轴)。注意某些衍射带(红箭头)的出现可以区分正确的解析和伪对称解析之间的差别。

EBSD取向图,显示了矿物钛铁矿中的伪对称误标的影响

岩石样品中钛铁矿的取向分布图。晶粒中棋盘格状的图像是由钛铁矿的伪对称性引起的:它属于低对称性的三方晶系(劳厄群-3),但是非常接近高对称性的三方晶系(-3m)

对于石英之类的材料,Tru-I标定算法可以成功标定材料的三方对称性,将系统误标最小化。然而,对于某些材料,即使优化采集参数,伪对称性引起的错误标定也难以避免。在取向分布图上误标表现为“棋盘格”图像,如下图所示。

一般解决伪对称性问题有两种方法(除非诉诸于耗时的花样匹配技术),在接下来的标签页中详述。

在采集软件AZtecHKL中,有个选配模块“伪对称性”。它利用预先设定可能的伪对称性问题,来保证准确的标定。这个工具最好配合较高质量的EBSD花样,其设置如下:

  1. 如果某个相有潜在的伪对称性问题,用户可以对它定义伪对称。有以下几种方法:
    1. 在AZtec中使用预定义的伪对称性关系。
    2. 通过测量正确和错误解析之间的取向差角和轴,来定义伪对称性关系(也就是旋转对称性)。在某些情况下,这种方法未必能够找出某个相全部的伪对称性,但即便如此,在很大程度上也能提高标定质量。
    3. 通过更详细的晶体学分析确定伪对称性。这种方法可能需要确定对称性所需的变化(比如,从8个等效取向的四方4/mmm到24个等效取向的立方m3m,可以定义为3重伪对称性),可以查看不同伪对称解析之间的等效取向列表进行计算。
  1. AZtec会根据伪对称的定义自动修改反射面列表,保证标定结果使用比伪对称结构更高的对称性(同时保证所有的晶面间距正确)
  2. 在标定过程中,AZtec会比较所有的等效的伪对称解
  3. 使用高精度标定模式,在多个伪对称的解析中确定最匹配的解析,最终标定采用该相的正确对称性

这种方法有局限:衍射花样的质量不能太差(需要解析出伪对称等效取向的区别);晶体结构差异要足够:至少要有1~2%的差异

这种方法的效果如下面的实例所示。γ-TiAl是四方相,但是c/a比值仅为1.018,非常接近立方结构。如果采用传统的标定模式,取向分布图(左)上有典型的棋盘格或者斑点状的分布,说明标定算法很难区分2个或者更多的解。如果在AZtec中使用去除伪对称性工具,同时使用高精度标定模式(使用3重对称关系,接近<111>轴),结果如右图所示,标定结果明显好得多,完全解析出了材料中的孪晶结构。

γ-TiAl的EBSD取向图,显示了AZtec的伪对称工具如何无误地对孪晶进行面扫

AZtec中使用不同方法得到的γ-TiAl相的取向分布图:(左)标准的标定方法;(右)高精度模式加去除伪对称工具

关于这个应用实例的更多细节,可以参考应用笔记。

在很多情况下,伪对称性引起的误标相对较少,而且只能在数据采集完成后才容易发现。这种情况下,可以在数据分析处理过程中清除伪对称性引起的误标。

这一过程可以使用AZtecCrystal完成,具体步骤如下:

  1. 鉴定伪对称性关系(面分布图中,正确和错误解析之间的旋转角和轴)。可以使用AZtecCrystal中的“测量”工具得到这一关系,并直接添加至数据清理程序
  2. 在“数据清理”界面,可以定义已知的伪对称性关系,或者从预先定义的数据库中导入(或者从上一个步骤中用测量工具预先导入)。
  3. 如果需要,设定需要修正的最大畴尺寸(以像素点计)。如果要修正的数据含有孪晶,其晶体学关系与伪对称的晶体学关系相同,那么这一参数就显得尤为重要。当误标的畴大于设定的像素点数时,软件会认为该区域是孪晶而不是伪对称性引起的误标,在去除伪对称性时不做处理。
  4. 基于定义的晶体学关系,软件将伪对称错误标定的畴旋转至与剩下晶粒重合的取向。

接下来的石英岩的数据处理展示该处理的效果,该结果中孤立的伪对称误标点被去除,同时保留了具有同一晶体学关系的孪晶界。

高速采集(>1600 pps)的石英岩的IPF取向分布图
左图中的原始数据显示某些晶粒中存在伪对称性引起的孤立的误标点

这些误标点以独立的像素点或者像素点群存在,与周边的区域取向差用红线(沿<0001>轴旋转60°)表示。然而,道芬孪晶(60°<0001>)也有相同的晶体学关系。

AZtecCrystal消除伪对称相关误差后石英的EBSD取向图

右图显示了清除伪对称性后的取向分布图,面积大于10个像素点的畴被认定为孪晶。这一处理可以更精确地分析石英的晶界密度和道芬孪晶的含量。

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