周 瑩， 王 虎， 吳 偉， 曾 毅

(1.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203； 2.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

?

電子背散射衍射技術(shù)在Mg/Al金屬焊接中的應(yīng)用

周 瑩1， 王 虎1， 吳 偉2， 曾 毅2

(1.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203； 2.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

電子背散射衍射(EBSD)可以提供晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向、相分布及鑒別、晶界、應(yīng)力應(yīng)變分析等信息，是有效的材料分析方法。離子束截面拋光具有無剪切應(yīng)力殘留，無磨料污染，無劃痕，試樣損傷小等優(yōu)點(diǎn)，適合于Mg/Al異種金屬焊接層試樣的制備。利用EBSD可以快速準(zhǔn)確地觀察Mg/Al異種金屬焊接層母材Al相、Al側(cè)過渡區(qū)、擴(kuò)散區(qū)的晶粒形狀、尺寸及分布情況。根據(jù)Mg/Al異種金屬焊接層各相的EBSD菊池衍射花樣及能譜的定性定量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接層的相鑒定、織構(gòu)、晶界角的分析。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡; 電子背散射衍射; 離子束截面拋光; 相鑒定

0 引 言

配備電子背散射衍射(Electron Back-Scattering Diffraction，EBSD)附件的掃描電子顯微鏡可以獲得晶體材料的微觀組織形貌、晶粒取向、不同相分布、晶界類型等信息，對(duì)于全面了解材料制備過程機(jī)理和本質(zhì)至關(guān)重要。

EBSD技術(shù)是基于掃描電鏡中電子束在傾斜樣品表面激發(fā)出并形成的衍射菊池帶的分析，從而確定晶體結(jié)構(gòu)、取向及相關(guān)信息的方法[1]。與傳統(tǒng)的透射電鏡電子衍射分析、X 射線衍射分析相比，透射電鏡電子衍射分析范圍通常過小，結(jié)果不具有代表性；X射線衍射分析不能與微觀組織形貌相對(duì)應(yīng)，也無法確定不同相的分布狀況。EBSD技術(shù)不僅具有掃描電子顯微分析技術(shù)常規(guī)特點(diǎn)，而且具有幾十nm級(jí)的高空間分辨率，可以準(zhǔn)確地分析晶體微區(qū)組織結(jié)構(gòu)和織構(gòu)，獲得晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向、晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)與分布、相分布及鑒別、晶界、應(yīng)力應(yīng)變分析等大量信息，解決了宏觀統(tǒng)計(jì)性分析與微觀局域性分析之間的矛盾，是一種有效的材料分析方法[2-7]。

EBSD技術(shù)為快速、高效、定量統(tǒng)計(jì)研究材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和織構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，在金屬和合金、陶瓷、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、地質(zhì)礦物等領(lǐng)域，在凝固、變形、相變、界面性能(腐蝕、裂紋、熱裂等)、相鑒定等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)與討論

Mg/Al異種金屬焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度,較好的耐蝕性、導(dǎo)熱性、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于在汽車制造、航空航天、電子通信等領(lǐng)域。鎂鋁焊接構(gòu)件存在母材極易氧化，易產(chǎn)生裂紋和氣孔等焊接缺陷，且極易產(chǎn)生金屬間化合物等問題。因此，研究Mg/Al異種金屬焊接材料的微觀形貌、結(jié)構(gòu)與取向分布、成分分布對(duì)分析焊接組織性能、改進(jìn)焊接技術(shù)具有十分重要的意義。

1.1 Mg/Al異種金屬焊接試樣的制備

EBSD只發(fā)生在試樣幾十個(gè)nm的極淺表層，試樣表面的殘余應(yīng)變層、氧化膜以及腐蝕坑等缺陷都會(huì)影響EBSD檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量，因此，試樣的制備是EBSD分析的前提和關(guān)鍵。EBSD要求試樣表面無應(yīng)力(彈、塑性應(yīng)力)層，無氧化層，無連續(xù)的腐蝕坑，具有良好的導(dǎo)電性，表面平整，且高度光潔無污染。

對(duì)于常規(guī)EBSD試樣的制備，盡量選用機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光方法。但對(duì)于Mg/Al異種金屬焊接試樣的制備，由于試樣硬度較小，機(jī)械拋光易在試樣表面產(chǎn)生劃痕，較難得到平整光潔的試樣；鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化，也易被化學(xué)試劑腐蝕，無法進(jìn)行化學(xué)拋光或者電解拋光。因此，常用制樣方法均不適用該試樣的制備。離子束截面拋光具有無剪切應(yīng)力殘留，無磨料污染，無劃痕，試樣損傷小等優(yōu)點(diǎn)，適合于Mg/Al異種金屬焊接EBSD樣品的制備[8-13]。

使用日本日立公司E3500氬離子截面拋光機(jī)制備Mg/Al異種金屬焊接EBSD樣品，制備參數(shù)：加速電壓6 kV，氬離子束流400 μA，樣品臺(tái)擺動(dòng)角度-60°～60°，擺動(dòng)速率4檔。圖1是Mg/Al異種金屬焊接試樣離子束截面拋光原理圖。試樣超出擋板50 μm，超過部分被加速、集束后的離子束轟擊，離子束的能量傳遞給試樣截面的金屬原子，從而形成離子束拋光面。該方法制得的試樣表面光潔無污染，滿足了EBSD的測(cè)試要求。

圖1 Mg/Al異種金屬焊接試樣離子束截面拋光原理圖

離子束截面拋光可以根據(jù)材料的物理性能調(diào)節(jié)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到最佳的制樣效果。因此，對(duì)于Mg、Al、Cu、焊料及聚合物等難以拋光的軟試樣，選用離子束截面拋光制備樣品尤為合適。該方法也同樣非常適用于難加工的硬材料(如陶瓷、玻璃等)以及軟硬復(fù)合多層材料截面的制備。

1.2 Mg/Al異種金屬焊接試樣EDS分析

對(duì)Mg/Al異種金屬焊接層中的微區(qū)進(jìn)行EBSD分析，首先需要了解材料中各相的成分及元素分布情況。使用FEI公司Magellan400場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及Oxford公司X-MAX能譜儀對(duì)Mg/Al異種金屬焊接層進(jìn)行形貌和元素定性、定量、面掃描測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖2。分析圖2可知，該分析區(qū)域由母材Al、Al側(cè)過渡區(qū)、擴(kuò)散區(qū)三種不同的相組成；Al元素的分布存在明顯3段含量不同的分布區(qū)，元素含量從母材向擴(kuò)散區(qū)逐漸減少；Mg元素只在Al側(cè)過渡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)存在，且在擴(kuò)散區(qū)的含量大于在Al側(cè)過渡區(qū)的含量。

1.3 Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD分析

EBSD技術(shù)利用菊池衍射對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)、取向等分析。當(dāng)電子束與大角度傾斜的樣品表層區(qū)作用后，入射電子束會(huì)在晶體試樣內(nèi)發(fā)生散射，在背散射電子離開試樣的過程中與試樣某晶面族滿足布拉格衍射條件2dsinθ=λ時(shí)將發(fā)生衍射，形成菊池線，所有不同晶面產(chǎn)生菊池衍射構(gòu)成菊池帶衍射花樣。菊池帶衍射花樣包含晶體對(duì)稱性、晶體取向、晶體完整性、晶格常數(shù)等與試樣相關(guān)的信息[14-15]。

(1) Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD相鑒定分析。Mg/Al異種金屬焊接中往往存在熔化結(jié)晶的過程，而生成的金屬間化合物對(duì)于焊接性能有著至關(guān)重要的影響，所以了解Mg/Al異種金屬焊接層的相圖十分必要。使用FEI公司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和Oxford公司NordlysNano電子背散射衍射設(shè)備對(duì)Mg/Al異種金屬焊接層進(jìn)行EBSD分析，測(cè)試參數(shù)：加速電壓20 kV，樣品傾斜角度60°。根據(jù)試樣的EBSD菊池衍射花樣，通過Hough變化計(jì)算出晶面指數(shù)和晶帶軸指數(shù)并算出取向角(歐拉角)，最后根據(jù)能譜定性結(jié)果獲得的元素信息在晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行相檢索，實(shí)現(xiàn)相鑒定。

圖2 Mg/Al異種金屬焊接層的SE及Al、Mg元素的mapping

表1是Mg/Al異種金屬焊接層EBSD相鑒定統(tǒng)計(jì)表，圖3是該區(qū)域的相分布圖、菊池衍射花樣及對(duì)應(yīng)相的晶胞結(jié)構(gòu)。綜合分析表1和圖3的測(cè)試結(jié)果，該Mg/Al異種金屬焊接層中紅色區(qū)域的母材Al相為面心立方結(jié)構(gòu)，綠色區(qū)域的Al側(cè)過渡區(qū)Al3.11Mg2相為立方結(jié)構(gòu)，藍(lán)色區(qū)域的擴(kuò)散區(qū)Al12Mg17相為立方結(jié)構(gòu)，黃色區(qū)域的Mg相為密堆六方結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了驗(yàn)證EBSD相鑒定鋁側(cè)過渡區(qū)為Al3.11Mg2、擴(kuò)散區(qū)為Al12Mg17的可靠性，對(duì)試樣中這兩處微區(qū)進(jìn)行了EDS定量分析。EDS定量結(jié)果為Al、Mg在鋁側(cè)過渡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的化學(xué)計(jì)量比分別是3∶2、2∶3。EBSD相鑒定結(jié)果與能譜定量基本吻合。表1中零解析為5.65%，說明本實(shí)驗(yàn)采集菊池衍射花樣的標(biāo)定率在94%以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

表1 Mg/Al異種金屬焊接層EBSD相鑒定統(tǒng)計(jì)表

因此，通過EBSD相鑒定分析可知，該Mg/Al異種金屬焊接層區(qū)域是由母材Al相、Al側(cè)過渡區(qū)Al3.11Mg2相及擴(kuò)散區(qū)Al12Mg17相3個(gè)相層組成；Al側(cè)過渡區(qū)Al3.11Mg2和擴(kuò)散區(qū)Al12Mg17是焊接界面區(qū)金屬間化合物的組成部分，是在材料焊接過程中元素相互擴(kuò)散所形成的致密的新相化合物層；Al側(cè)過渡區(qū)Al3.11Mg2和擴(kuò)散區(qū)Al12Mg17的產(chǎn)生是導(dǎo)致焊縫硬度比母材硬度高的主要原因。

圖3 相分布圖、菊池衍射花樣及對(duì)應(yīng)相的晶胞結(jié)構(gòu)

(2) Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD晶粒分布及長徑比分析。EBSD可以快速、準(zhǔn)確地觀察Mg/Al異種金屬焊接層及基體的晶粒形狀、尺寸及分布，從而分析焊接后母材及金屬間化合物的晶粒發(fā)育情況。圖4利用EBSD晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)功能分析了各相晶粒尺寸的分布，Al相平均粒徑為9.84 μm，最大粒徑30.9 μm；Al側(cè)過渡區(qū)Al3.11Mg2相平均粒徑為4.82 μm，最大粒徑19.54 μm；擴(kuò)散區(qū)Al12Mg17相平均粒徑為6.67 μm，最大粒徑36.02 μm，晶粒尺寸最不均勻；擴(kuò)散區(qū)中的Mg單質(zhì)相尺寸最小，平均粒徑為2.75 μm，最大粒徑7.30 μm，均以細(xì)小晶粒分布在Al12Mg17相的三角晶界。Al相、Al12Mg17相以Mg單質(zhì)相均以等軸晶為主，而Al側(cè)過渡區(qū)以柱狀晶為主，圖5為Al側(cè)擴(kuò)散層Al3.11Mg2相的長徑比統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，Al側(cè)擴(kuò)散層中71.5%以上的晶粒為長徑比大于2，最大長徑比為7.75。

(3) Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD取向、晶界、相界分析。材料的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等性能的各向異性，與其內(nèi)部顯微組織中晶體擇優(yōu)取向、晶界相關(guān)。EBSD 可以測(cè)定微區(qū)織構(gòu)、選區(qū)織構(gòu)，直觀地獲得各種取向在樣品中的分布情況，得到的晶粒形貌能夠和晶粒取向直接對(duì)應(yīng)，測(cè)量結(jié)果精度高。EBSD測(cè)定的織構(gòu)可以通過多種形式表現(xiàn)出來，如極圖、反極圖、取向分布函數(shù)等。晶界可以通過計(jì)算相鄰晶粒的晶界取向差進(jìn)行分析。

圖4 Mg/Al異種金屬焊接層EBSD各相晶粒尺寸分布

圖5 Al側(cè)擴(kuò)散層Al3.11Mg2相的長徑比統(tǒng)計(jì)

圖6是Mg/Al異種金屬焊接層EBSD取向分析圖。由圖6(a)取向分布圖和圖6(b)、(c)、(d)各相極圖分析可知，母材Al相的Z方向大量為[111]取向(藍(lán)色區(qū)域)和少量的[001]取向(紅色區(qū)域)，存在一定的織構(gòu)；Al側(cè)過渡區(qū)為柱狀晶，取向紊亂，與母材晶粒存在sigma 3的孿生關(guān)系；擴(kuò)散區(qū)取向也較為紊亂，無明顯織構(gòu)；結(jié)合能譜結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散區(qū)晶粒的三角晶界處存在小尺寸的單質(zhì)鎂相(擴(kuò)散區(qū)中的小黑點(diǎn))。對(duì)[111]取向的相鄰晶粒進(jìn)行取向差的線分析，由圖6(e)、(f)可知，相鄰晶粒的晶界取向差小于3°，母材Al中存在大量的小角晶界。

圖6 Mg/Al異種金屬焊接層EBSD取向分析圖

2 結(jié) 語

(1) 根據(jù)Mg/Al異種金屬焊接構(gòu)件的物理、化學(xué)性質(zhì)，常用的機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光的制樣方法均不適合本試樣的制備；離子束截面拋光具有無剪切應(yīng)力殘留，無磨料污染，無劃痕，試樣損傷小等優(yōu)點(diǎn)，適合于Mg、Al合金焊接構(gòu)件、聚合物等難以拋光的軟試樣，陶瓷、玻璃等難加工的硬材料以及軟硬復(fù)合的多層材料截面的制備。

(2) EBSD可以快速、準(zhǔn)確地觀察Mg/Al異種金屬焊接層及基體的晶粒形狀、尺寸及分布情況，母材Al相、擴(kuò)散區(qū)Al12Mg17相及Mg單質(zhì)相均以等軸晶為主，而Al側(cè)過渡區(qū)Al3.11Mg2相以柱狀晶為主。

(3) 進(jìn)行EBSD表征時(shí)，根據(jù)Mg/Al異種金屬焊接層母材Al相、Al側(cè)過渡區(qū)、擴(kuò)散區(qū)各相的EBSD菊池衍射花樣，通過Hough變化計(jì)算出各相的晶面指數(shù)、晶帶軸指數(shù)及取向角，并根據(jù)能譜定性結(jié)果獲得的元素信息在晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行相檢索，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接層的相鑒定、織構(gòu)、晶界角的分析。

[1] 楊 平. 電子背散射衍射技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2013.

[2] Dingley D J, Wright S I. Determination of crystal phase from an electron backscatter diffraction pattern[J]. J Appl Crystallogr, 2009(42):234-241.

[3] 何立暉,聶小武,張 洪,等. 電子背散射衍射技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2010(7): 10-12.

[4] 李 凡,黃海波. 電子背散射衍射分析功能的開發(fā)及其應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011,30(11): 217-220.

[5] 楊 平. 電子背散射衍射技術(shù)、幾何晶體學(xué)與材料科學(xué)[J]. 電子顯微學(xué)報(bào), 2008, 27(6):425-431.

[6] 王國慶,宋志華,吳愛萍,等. Ti3Al激光焊接接頭組織與織構(gòu)的EBSD分析[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2011, 32(4): 63-67.

[7] 劉 慶. 電子背散射衍射技術(shù)及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國體視學(xué)與圖像分析, 2005, 10(4):205-210.

[8] Matteson T L, Schwartz S W, Houge E C,etal. Electron backscattering diffraction investigation of focused ion beam surfaces[J]. J Electron Mater, 2002(31): 33-39.

[9] 曾 毅,吳 偉,高建華. 掃描電鏡和電子探針的基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2009.

[10] Nicolas Brodusch, Sophie Boisvert, Raynald Gauvin. Flat ion milling: a powerful tool for preparation of cross-sections of lead-silver alloys[J]. Journal of Electron Microscopy, 2012(5): 1-8.

[11] Wells O C. Comparison of different models for the generation of electron backscattering patterns in the scanning electron microscope[J]. Scanning, 1999(21): 368-371.

[12] 王 疆,岳俊偉,酈 劍,等. 電子背散射衍射試樣的制備技術(shù)[J]. 熱處理, 2013, 28(4):71-74.

[13] 李華清,謝水生. 取向成像電子顯微術(shù)試樣的制備[J]. 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè), 2004, 40(12):612-615.

[14] Deal A, Hooghan T, Eades A. Energy-filtered electron backscatter diffraction [J]. Ultramicroscopy, 2008(108):116-125.

[15] Erdman N, Campbell R, Asahina S. Precise SEM cross section polishing via argon beam milling[J]. Microsc Today, 2006(14): 22-25.

The Application of EBSD Technology in the Research of the Mg/Al Alloy Welding

ZHOUYing1,WANGHu1,WUWei2,ZENGYi2

(1. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China;2. Shanghai Institute of Ceramics Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

Electron channeling contrast imaging and electron back-scattering diffraction can provide the crystal structure, crystal orientation, phase distribution and identification, grain boundary, stress analysis and other information, hence, they are effective methods for analysis of materials. Ion cross-sections milling has the advantages of no shear stress residual, no abrasive contamination, no scratches, and small sample damage, therefore, it is suitable for the specimen preparation of Mg/Al dissimilar alloy welding layer. The grain shape, size and distribution of the base material Al, Al transition zone, and diffusion zone of Mg/Al dissimilar metal welding layer can be observed rapidly and accurately by EBSD. According to the Kikuchi diffraction patterns of EBSD and the qualitative and quantitative results of EDS in each phase of the specimen, phase identification, texture, and grain boundary angle of the welding layer can be analyzed.

field emission scanning electron microscopy; electron back-scattering diffraction(EBSD); ion cross-sections milling; phase identification

2015-02-03

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研項(xiàng)目(I00RJ1414)

周 瑩(1982-)，女，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向?yàn)椴牧巷@微結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分表征。

Tel.：18019070635;E-mail：zhouy@simt.com.cn

曾 毅(1973-)，男，江西宜春人，研究員，博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)椴牧巷@微結(jié)構(gòu)和微區(qū)域分表征。

Tel.:021-52413107；E-mail: zengyi@mail.sic.ac.cn

TN 16

A

1006-7167(2016)01-0027-04