GB/T 19501-2013 微束分析 电子背散射衍射分析方法通则

　　ICS 71. 040. 50 G 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 19501—2013代替 GB/T 19501—2004

　　微束分析 电子背散射衍射分析方法通则

　　Microbeam analysis—Generalguide forelectron backscatterdiffraction analysis

　　2013-07-19发布 2014-03-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 19501—2013

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准代替 GB/T 19501—2004《电子背散射衍射分析方法通则》。

　　本标准与 GB/T 19501—2004相比 ,主要内容变化如下 :

　　— 增加了规范性引用文件(见第 2 章) ;

　　— 增加或修改了部分术语 ,删除晶粒夹角(见第 3 章) ;

　　— 增加了分析步骤内容(见第 4章) ;

　　— 增加分析结果发布补充内容(见第 5 章) ;

　　— 增加了附录 A(资料性附录) ;

　　— 修改了测量条件(见第 4章) ;

　　— 删除了原标准中试样的制备 ;

　　— 删除了原标准中分析步骤 ;

　　— 删除了原标准中测量误差 。

　　本标准由全国微束分析标准化技术委员会( SAC/TC 38) 提出并归 口 。

　　本标准起草单位 :宝钢集团中央研究院 。

　　本标准主要起草人 :姚雷 、田青超 、郑芳 、顾佳卿 、陈家光 。

　　本标准所代替标准的历次版本发布情况为 :

　　—GB/T 19501—2004。

　　Ⅰ

　　GB/T 19501—2013

　　微束分析 电子背散射衍射分析方法通则

　　1 范围

　　本标准规定了电子背散射衍射分析方法 。

　　本标准适用于安装了电子背散射衍射附件的扫描电镜和电子探针进行物相识别 、晶体取向 、显微织构以及晶界特性等方面的分析 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 15074 电子探针定量分析方法通则

　　GB/T 27025 检测和校准实验室能力的通用要求

　　ISO 24173 微束分析 电子背散射衍射取向测定方法通则(Microbeam analysis—Guidelines for orientation measurementusing electron backscatter diffraction)

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　电子背散射衍射 electron backscatterdiffraction;EBSD

　　当入射电子束照射到高倾斜的晶体样品时 ,其背散射电子与原子面发生的衍射 。

　　3. 2

　　电子背散射花样 electron backscatterpattern;EBSP

　　由电子背散射衍射产生的具有准线性特征的 、并被探测器截获的图案 , 即菊池带 ,可将其显示在荧光屏或照相胶片上 。

　　3. 3

　　花样中心 pattern centre;PC

　　荧光屏平面上的一点 ,其垂线过电子束轰击样品点 。

　　3. 4

　　试样与荧光屏的距离 specimen-to-screen distance;SSD

　　花样中心与试样表面电子束轰击点之间的距离 。

　　注 : 如果试样与荧光屏之间的距离变小 ,那么 EBSP将会向花样中心方向缩小 ,会观察到更多的菊池带 。 3. 5

　　Hough变换 Hough transform

　　能自动探测图像内特殊形状特征的一种图像处理的数学技术 。

　　注 : 在 EBSD 中 ,线性 Hough变换用于识别菊池带在 EBSP 中的位置及取向 ,使得花样指数可以标定 。每个菊池带在 Hough空间中被转化为最大值而被识别 。这种 Hough变换本质上是 Radon变换的一种特例 。一般情况下 , Hough变换用于二进制图像 ,Radon变换用于灰度图像 。

　　1

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　　3. 6

　　EBSD 空间分辨率 EBSD spatialresolution

　　不同晶粒(被明显的晶界分开) 内两个测量点之间的最小距离 ,EBSD 系统能正确标定出这两个点上产生的不同 EBSP。

　　3. 7

　　步长 step size

　　在 EBSP采集过程中 ,试样上相邻两个单独的电子束测量点之间的距离 。

　　3. 8

　　取向噪音 orientation noise

　　在理想单晶内某一区域内 ,经反复测量取向所获得的取向分布 。

　　注 1:该区域必须足够小 , 电子束漂移时不会导致检测到的取向发生变化 。

　　注 2:这种分布是 EBSD技术中角分辨率的统计特性的反映 。

　　3. 9

　　伪对称 pseudosymmetry

　　由于某些晶体取向的 EBSP 之 间 存 在 内 在 相 似 性 , 因 此 某 个 EBSP 可 能 对 应 几 种 不 确 定 的 标 定结果 。

　　注 1: 这种问题主要出现在一些矿物样品,如石英和橄榄石 ,有时也会出现在某些金属相中 。

　　注 2: 一般可以通过减小样品与荧光屏之间的距离来获取更多的菊池带 ,使伪对称的影响降低到最小 。

　　3. 10

　　显微织构 microtexture

　　在显微结构中 ,空间位置相互关联的多晶体中各晶粒的取向分布 。

　　3. 11

　　晶体学取向 crystallographicorientation

　　相对于样品坐标系的晶体坐标系的位向(例如立方晶系的[100] , [010] , [001]) 。

　　注 :对样品坐标系可以用 X、Y、Z表示 ;对于轧制材料 ,通常用 RD、TD、ND表示(RD-轧向 、TD-横向 、ND-法向) 。

　　3. 12

　　取向差 misorientation

　　两种晶体坐标系位向的差 ,通常用一个角/轴对来表示 。

　　注 1: 取向差是指使一个晶体与另一个晶体相一致所需要的旋转 。它可以用一个旋转矩阵 ,一套欧拉角 ,一个角/轴对或者 Rodriguez矢量表示 。最常使用的是一个角/轴对 ,但是一般只用最小的角来描述 。

　　注 2: EBSD软件计算样品表面基于 EBSP 的特殊点的晶体取向 。该软件能够计算任意两点之间的取向差(在取向图中相邻或者不相邻的两点) 。

　　3. 13

　　取向图 orientation map;OM

　　面扫描逐点测量晶体取向 ,所得到的取向数据分布图 。

　　注 : 也称为晶体取向图(COM) 、自动晶体取向图或者取向显微图像 。

　　3. 14

　　EBSD 晶界 EBSD grain boundary

　　在 EBSD取向图上以大于某一最小取向差来区分相邻近区域的线 。 当该取向差为 15度及以上时为大角晶界 ,其他为小角晶界 。

　　3. 15

　　重位点阵 coincidencesitelattice;CSL

　　两个互相穿插的平移点阵相对作平移 、旋转等操作 , 当到达某一位置时这两部分点阵中的一些阵点

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　　会重合 ,这些重合位置的阵点本身构成三维空间格子的超点阵 ,称为重位点阵 。经常用∑ 值来表示重合位置的特点 ,它是 CSL单胞的体积与晶体点阵单胞体积之比 :

　　∑ = 晶体点阵单胞体(CSL单胞体积)积 …………………………( 1 )

　　3. 16

　　EBSD 晶粒 EBSD grain

　　具有相似取向的区域 ,如相邻测量点之间的取向差大于设定临界值则认为是不同区域 。

　　3. 17

　　相识别 phase identification

　　通过测量的 EBSP特征 与 可 能 相 的 模 拟 计 算 的 EBSP 进 行 比 较 , 对 样 品 中 未 知 相 进 行 的 晶 体 学识别 。

　　注 : 这是个自动过程 ,EBSD软件自动搜索已选定的晶体相数据库 ,并决定与所获得的 EBSP最匹配的相 ,该过程称为相识别 。另一方面 ,它还可以是手动过程 ,如对称性 ,带宽 ,高 阶 劳 厄 区(HOLZ) 线 等 的 EBSP特 征 均 可 用 于相识别过程 。通常情况下 ,结合能谱法(EDX)或波谱法(WDX)获得的化学成分信息可以减少可能相的数量 ,能提高处理速度和结果的可信度 。

　　4 试验方法

　　4. 1 原理

　　入射电子束进入试样 , 由于弹性和非弹性散射 ,使之在入射点附近发散 ,成为一点源 。在表层几十纳米范围内 ,非弹性散射引起能量损失一般只有几十电子伏特 , 这与几万电子伏特能量相比是一个小量 。 因此 , 电子的波长可以认为基本不变 。这些背散射电子 , 随后入射到一定的晶面 ,满足布拉格衍射条件时 ,便产生布拉格衍射 。

　　背散射电子产额随入射电子与试样表面夹角减小而增大 ,将试样高角度倾斜 ,可以使电子背散射衍射强度增大 。 图 1是电子束在一组晶面上衍射并形成一对菊池带的示意图 ,发散的电子束在这些平面的三维空间上发生布拉格衍射 ,产生两个辐射圆锥 , 当荧光屏置于圆锥交截处 ,截取一对平行线 ,每一线对即菊池线 ,代表晶体中一组平面 ,线对间距反比于晶面间距 ,所有不同晶面产生菊池衍射构成一张电子背散射衍射谱(EBSP) ,菊池线交叉处代表一个结晶学方向 。

　　图 1 电子束在一组晶面上背散射衍射示意图

　　EBSP所包含的晶体学参数特征信息可用于作未知相的识别 。对于已知相 , 花样的取向与晶体的取向直接对应 ,获得每一个晶体取向后 ,可得到晶体间的取向关系 ,用于研究相界 、界面开裂或界面反应等[1-4] 。 晶格内存在应变会造成衍射花样中菊池带模糊 , 因此从衍射花样质量可定性评估应变量 。

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　　4. 2 仪器和辅助设备

　　4. 2. 1 配备 EBSD 附件的扫描电镜或电子探针等 。

　　4. 2. 2 镀膜仪 。

　　4. 2. 3 磨片机和抛光机 。

　　4. 2. 4 离子溅射仪或离子抛光仪 。

　　4. 2. 5 超声波清洗仪 。

　　4. 2. 6 电解抛光仪 。

　　4. 3 标准物质的选择

　　通常选择立方晶系的单晶体作为标定标准物质 , 以产生高质量的 EBSD 花样 ,推荐 Ge、Si或 Ni单晶体 ,并预先确认这些标准物质平行于测试面和倾斜轴的晶面方向 。这些已知晶面和方向的精度决定了 EBSD 系统绝对取向的测量精度 , 因此 ,这些面和方向的精度应该在 0. 5°之内 。

　　4. 4 试样的制备

　　EBSD分析的是试样表面几十纳米范围内的晶体 , 因此所选取的部位(如晶粒尺寸 ,变形状态)应具有该分析区域显微结构的代表性 。为了防止不规范制样影响 EBSD数据 ,应确保制备出无附加变形 、无污染 、平整的试样表面 。试样制备参见附录 A。

　　4. 5 测量条件

　　4. 5. 1 加速电压的选择

　　一般采用加速电压为 15kV~ 25kV, 随着加速电压增加菊池线对间距减小 , 图像清晰度增强 ,试样表面状态对衍射花样质量的影响减轻 。若试样导电性差 ,则应选择较低的加速电压(5kV~ 10 kV) 。

　　4. 5. 2 束流的选择

　　根据试样的特性及 EBSP 的质量 ,一般选择 1 nA~ 5 nA束流 。 当束流降低时 , 图像分辨率提高 ,荷电和污染问题减少 ,但 EBSP信号相应减弱 ,可以通过适当延长测量时间补偿 。对导电性差的样品采用 ,采用较小的束流 。

　　4. 5. 3 束斑直径选择

　　通常以最小束斑直径(聚焦状态)分析 。为保证 EBSP 的质量 ,建议在测试过程中保证电子束聚焦在试样表面 ,并采用动态聚焦以补偿试样倾斜的影响 。

　　4. 5. 4 曝光时间选择

　　大部分 CCD相机具有控制曝光时间总量的能力 。较长的曝光时间通常会得到高信噪比的 EBSP,如果曝光时间过长 , 图像中心点区域可能会曝光过度(即完全变白) 。

　　4. 5. 5 背底采集

　　电子束在多晶体材料表面扫描时测量得到的 EBSP可以作为背底信息 。一般推荐采用低倍快速扫描方式来获得背底信息 。

　　4. 5. 6 标定

　　EBSD系统标定是确定试样测试点和 EBSD探头之间的几何关系 , 即确定荧光屏上花样中心(PC)

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　　的坐标位置以及试样至荧光屏的距离(SDD) 。EBSD 系统几何标定要求试样有固定的倾斜角 ,荧光屏或者相机有固定的装配位置 ,并选定扫描电镜/电子探针的工作距离 ,通常在 10 mm~ 25 mm 范围内选择 。采用标准物质对 EBSD 系统进行几何标定 。 系统参数的任何变化都将影响花样指数标定的结果 ,因此必须反复校验 ,直至获得一个更精确的平均结果 。

　　4. 6 分析步骤

　　4. 6. 1 试样测试前的准备 :试样测试前应在光学显微镜下观察 ,确定试样的位向及待测区域并作标记 。

　　4. 6. 2 检查仪器的稳定性 :开机半小时后 ,按 GB/T 15074中的要求校验仪器的稳定性 。

　　4. 6. 3 按照 4. 5设定仪器分析条件 。

　　4. 6. 4 装入试样 ,使试样坐标系与电镜坐标系重合 。倾转试样(一般倾斜角度为 70°) ,若使用倾斜试样台 ,可省略此步骤 。改变工作距离至已经标定的位置 ,根据试样的晶体结构合理选择相应的参数 。

　　4. 6. 5 用二次电子像或 EBSD前置背散射电子图像观察试样 ,确定分析区域 。

　　4. 6. 6 采集背底(通常使用较低的放大倍数和快速扫描模式) ,并进行扣除背底操作 。

　　4. 6. 7 收集分析区域典型的 EBSP,并判断其是否有伪对称性 ,检查花样标定是否正确 ,对校准参数进行优化 。

　　4. 6. 8 根据实验要求 ,可采取点 、线及面的分析方法 。

　　注 : 线或面分析采取如下步骤 :定义采集区域和步长 ,对于多晶体材料 EBSD 扫 描 所 采 用 的 步 长 一 般 不 超 过 EBSD晶粒平均直径的 1/5, 最 好 不 超 过 1/10, 以 保 证 在 扫 描 图 像 上 晶 界 清 晰 可 见 和 所 获 得 的 晶 体 取 向 信 息 准 确可靠 。

　　4. 6. 9 收集 EBSP,计算机数据自动处理、存储和输出。

　　注 : 对于需要精确测量试样的取向 、复杂相结构的识别等操作 ,推荐将标准物质与待测试样按照同样的倾斜角度安装在一起 ,并采用相同的加速电压 、工作距离 、倾斜角和探测器距离来进一步校正 ,参见 4. 5. 6。

　　5 分析结果发布

　　按 GB/T 27025及 ISO 24173有关规定执行 。分析结果中还应包含如下内容 :

　　a) 试样制备方法和分析的区域 。

　　b) 扫描电镜/电子探针和 EBSD操作条件 , 如电子枪类型 、加速电压 、工作距离 、束流(如果可以获得) 、试样倾斜角度 、扫描类型(电子束扫描/试样台扫描) 、步长和放大倍数(或图像宽度) 。

　　c) 至少含一幅原始数据图(未经任何数据处理) 。

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　　附 录 A

　　(资料性附录) EBSD试样制备

　　A. 1 前言

　　由于背散射衍射电子来自于试样表面几十纳米范围 ,试样制备引起的表面缺陷 ,例如表面形变 、表面污染 、氧化或者反应产物覆盖层 ,都会影响电子背散射衍射信号 ,从而导致 EBSP质量下降或者出现假象 。为了避免这些影响 ,对于大多数块状试样 ,需要精心制备才能保证获得真实的 EBSP。对于脆性材料可直接利用其平整解理断面 , 晶体薄膜也无需特别的制备过程 。不同材料都应根据其特性 ,选择合适的制备方法 。

　　A. 2 切割

　　大块试样进行切割时 ,应该保留和记录试样坐标系的位向 。对于轧制板材,必须记录其轧向 、横向和法向 。

　　使用砂轮机切割要尽量避免试样切割面产生过热或者引起严重的变形 ,特别是试样快要切断时 ,残留区域最容易引起高温损伤 。这些损伤层可能深入到材料内部 ,导致在随后的研磨和抛光过程中不能去除 。

　　A. 3 镶嵌

　　小块试样通常需要镶嵌 ,应采用导电性良好 、在真空中稳定的材料镶嵌 EBSD试样 , 以使试样的研磨和抛光在一种稳定的介质支撑下进行 。这种介质可以是冷固性树脂 ,也可以是热镶嵌混合物 。

　　A. 4 研磨

　　切割后用砂纸研磨 ,在研磨过程要注意选择合适的砂纸 ,每一道次要将前一道次残留的加工形变层完全去除 。

　　建议在每一步研磨后 ,用光学显微镜检查研磨表面 ,保证来自前一阶段(不管是切割还是研磨阶段)造成的损伤全部去除 ,为下一步的抛光做准备(见图 A. 1) 。

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　　说明 :

　　A— 严重形变层 ;

　　B— 形变大的层 ;

　　C— 形变微小层 ;

　　D— 原始组织层 。

　　图 A. 1 砂纸研磨表面形变层消除过程示意图

　　A. 5 抛光

　　为了减小形变层影响 ,EBSD试样制备可以采用机械抛光 +化学抛光 、机械抛光 +电解抛光 ,还可以采用机械抛光与化学浸蚀交替进行 。对于许多金属试样来讲 ,金刚石抛光粉或抛光膏均适用于抛光初期阶段 。通常采用金刚石抛光剂抛光到 1 μm 或者 0. 25 μm 的颗粒尺寸 , 随后再用 0. 05 μm 的硅乳胶溶液进行抛光 。硅乳胶在抛光过程中易在表面形成沉积膜 ,可在抛光的最后几秒种内通过向抛光盘喷水 ,清洗试样表面来去除沉积膜 。有时 ,采用 0. 5% ~ 1%(体积分数)的盐酸或 1%(体积分数)硝酸酒精溶液能进一步清洗试样表面的残留硅乳胶溶液 。硅乳胶溶液对大多数有材料都能产生较好的抛光效果 ,尤其是对于较难制备的复相组织材料具有特别好的效果 ,如热轧板表面氧化层 、陶瓷和地质材料 。

　　A. 6 浸蚀

　　一般情况下 ,可通过轻微浸蚀来去除表面应变层 。试样表面经轻微浸蚀后花样质量会显著提高 ,如低碳钢采用机械抛光与 4%(体积分数) 硝酸酒精浸蚀交替进行两次即可去除形变层 , 能获得比较好的花样质量 ,但过渡浸蚀也可能导致第二相优先浸蚀或者晶界过分浸蚀从而影响分析 。一般金相着色的腐蚀剂 ,在试样表面会形成不同厚度氧化层 , 因此这类腐蚀剂通常不适用于 EBSD试样制备 。

　　A. 7 电解抛光

　　电解抛光是制备单相金属材料试样非常有效的方法 。抛光前试样表面要清除油迹及其他污染物 。通过对电解液成分 、电压 、电流密度 、温度和时间等方面的控制 ,能够溶解金属试样表面的变形层 。典型的电解抛光曲线见图 A. 2,选择 CD 段有利于电解抛光 ,几种常用金属电解抛光参数见表 A.1。经电解抛光的试样表面不能用棉花擦拭 ,否则在 EBSP质量图上会呈现擦伤的暗条纹 。 电解抛光参数选择不当 ,表面出现氧化色时 ,会影响 EBSP质量 ,严重时无法测出 EBSP。

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　　图 A. 2 典型的电解抛光曲线

　　表 A. 1 几种常用金属电解抛光参数

　　金属材料名称

　　电解液成分

　　抛光规范

　　备注

　　电流密度A · cm- 2

　　直流电压V

　　温度℃

　　时间

　　碳钢 、不锈钢

　　高氯酸酒精

　　水

　　54 mL

　　750 mL

　　146 mL

　　0. 3~ 1. 3

　　8~ 20

　　室温

　　20 s~ 60 s

　　铜及铜合金

　　硝酸

　　甲醇

　　100 mL

　　200 mL

　　0. 75~ 1. 5

　　40~ 50

　　20~ 30

　　60 s

　　镁合金

　　AC-2

　　20

　　室温

　　60 s

　　镁合金专用抛光液

　　镁铝合金

　　磷酸

　　酒精水

　　400 mL

　　380 mL 250

　　0. 35

　　50~ 60

　　42~ 45

　　4 min~

　　6 min

　　钛及钛合金

　　A3

　　35~ 45

　　18~ 20

　　20 s~ 30 s

　　钛合金专用抛光液

　　A. 8 离子溅射

　　离子溅射减薄可以去除金属或非金属材料研磨抛光中形成的加工形变层 。离子溅射仪用 Ar离子束作轰击试样表面 ,所得试样表面无磨料污染 、无划痕 、损伤小 ,适用于难抛光的软材料 , 例如 Cu、Al、

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　　GB/T 19501—2013

　　Au、焊料及聚合物等 ;也适用于难加工的硬材料如陶瓷 、玻璃等 , 以及软 、硬组合的多层材料断面制备 。

　　聚焦离子束(FIB)技术是将微分析与微加工相结合的新技术 ,双束 FIB仪器具有把离子束和电子束聚焦到试样表面同一区域的能力 ,可以实现在真空下的原位试样制备与分析 。 因此 ,FIB适用于那些极活泼的或者易氧化的 、采用普通方法不易制备的试样制备 。

　　要注意离子蚀刻 、溅射形成的非晶化表面及离子注入对 EBSD分析结果的影响 。

　　A. 9 非导电试样制备

　　对于非导电试样 , 由于荷电效应引起电子束的漂移 ,很难进行 EBSD测试 ,可以通过喷镀薄的导电膜来防止电荷积累 。如选择碳导电膜 ,镀厚度为 2 nm~ 20 nm;如果采用高原子序数的材料(如金 、金-钯 、钨)制备导电镀层 ,那么只需要非常薄(大约 1 nm)的镀层厚度 。也可将试样加工成尺寸小于 2 mm × 2 mm 的小块 ,并降低入射电子加速电压 , 以降低荷电效应 。

　　低真空扫描电镜(或环境扫描电镜)可直接分析没有喷镀导电膜的非导电材料 ,试样表面也不会有电荷聚集现象 。

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　　GB/T 19501—2013

　　参 考 文 献

　　[1] Randle V, Electron Backscatter Diffraction, Guide Book Series, Published by Oxford In- struments, Microanalysis Group, 1994.

　　[2] K. Z. Baba-Kishi and D. J. Dingley, Application of Backscatter KikuchiDiffraction in the Scanning Electron Microscope, 1989, J. Appl. Cryst. , Vol. 22, 189-200.

　　[3] 杨平 . 电子背散射衍射技术及其应用 . 北京 :冶金工业出版社 ,2007.

　　[4] 陈家光 ,李忠 . 电子背散射衍射在材料科学研究中的应用 . 理化检验(物理分册) , 2000, Vol. 36(2) , 71-74.

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