“近年来，电子背散射衍射（EBSD）在金属的显微结构表征方面引起了科研和技术人员巨大的关注，因为可以在不同的尺度和层次上表征显微结构。众所周知，金属的机械性能与显微结构方面密切相关，如晶粒的大小、形状和分布，织构，晶界特征以及晶界的平面分布。本文汇总了EBSD的新技术进展，特殊样品制备面临的挑战，以及在金属材料中的应用案例汇总。”
1 引言
EBSD衍射图案的质量很大程度上取决于样品的制备。样品制备不仅耗时，而且具有挑战性，因为样品必须完全平坦，表面没有损伤。EBSD的分辨率取决于几个因素：样品的制备，SEM设备类型以及待测样品的类型。例如，EBSD的空间分辨率对于致密金属材料来说在20纳米左右，而对于轻质材料（如铝）来说在50纳米左右。此外，EBSD样品通常向检测器倾斜70◦，如图1所示，倾斜表面的分辨率会增加三倍。
图1. EBSD的实验装置示意图
EBSD在材料表征方面的应用已被广泛接受。近年来，由于SEM的全面普及，EBSD数据采集速度提升，EBSD技术已经被应用于多个研究领域，尤其是在金属材料及其加工领域，发挥了重要作用，例如在金属的连接和变形过程。
本文主要目的是阐述EBSD技术在金属材料显微结构表征方面的潜力，以及EBSD在金属研究领域的一些新应用。
2 EBSD技术分析
EBSD提供了多晶材料的晶粒取向、显微结构和织构的信息。这些数据集使研究人员能够构建一些重要的分布图，如反极点图（Inverse pole figure-IPF）、晶粒取向分布（ grain orientation Spread-GOS）、Kernel平均取向差（Kernel average misorientation-KAM）、晶粒参考取向偏差（grain reference orientation deviation-GROD）和晶粒平均图像质量（Image quality-IQ）。这些分布图可以确定不同相的晶粒取向、晶粒取向差、位错密度以及晶格结构的应变或变形。
金属的机械性能与晶粒的大小、形状和分布密切相关。晶粒大小分布图可以很容易地获得晶粒和亚晶粒大小的分布（等效圆直径）。由于晶粒是通过定义错位的临界角和晶界来识别的，这些也是定性的关键。IPF图提供了关于晶粒取向的信息，其中每种颜色都与晶体学取向有关。
对于每张取向图，选择一个参考样品的取向，并根据晶体取向的确定和选定的观察取向来进行颜色分配。这可以通过在小范围内对Kikuchi图案进行点对点的索引来进行，或者也可以实现相位图分布。点对点的索引能够分析那些由于无法通过EDS分析的区域（相互作用体积高于分析区域）。在这种情况下，可以进行局部分析，以确定相。相分布图则是一个更全面的分析，通常会使用EBSD和EDS的组合来区分采集过程中的相。
晶界对材料的性能有很大的影响，如耐腐蚀性、蠕变性，甚至变形行为。许多关于晶界的报告指出，低Σ重合位点晶格（coincidence site lattice-CSL）边界的比例增加，其中Σ是重合位点的倒数密度，是导致性能改善的因素。
EBSD允许观察和识别不同类型的晶界。为了研究材料的晶界，可以有几种方法。识别晶界的分布图（低角度和高角度晶界和CSL晶界），晶界的特征分布，甚至是晶界平面分布。晶界分布可以用五个参数来表示，包括三个晶格错位的参数和两个晶界平面法线的参数。这对于进一步了解晶界的机制是至关重要的，因为这需要对晶界结构有更深入的了解。
极点图（PF）用于在两个维度上呈现三维取向信息，以显示样品内特定晶体学平面和取向的取向。一组特定的晶体学平面的投影位置显示在极点图中，其中法线或极点被投影在一个球体中。投影方式分等面积投影和立体投影。
织构的存在意味着材料有一个优先的结晶学取向。如果一种多晶体材料有织构，这意味着晶体轴不是随机分布的。为了获得极点图PF，有必要为每个晶体选择一个特定的晶体取向（例如，平面（100）的法线），这被称为极点。完整的织构图确定需要绘制不平行和不同衍射角的平面相对应的两个极点图PF。
对于再结晶和变形行为，评估塑性应变程度和相关的存储能量，对于建立和理解其中的机制至关重要。EBSD数据可以成为研究金属材料的应变和变形的一个重要工具。例如，IQ值和局部取向的变化被用来研究应变和储存能量。Kikuchi图案的质量和衍射带宽的变化可以用来评估弹性应变引起的晶格畸变程度，同时评估促进衍射图案质量下降的塑性应变。
此外，取向差的取向图也可以评估应变，因为材料中形成了位错；残余应变表现为晶格取向的局部变化。Kernel平均取向差KAM、晶粒平均取向差（Grain average misorientation-GAM）和局部平均取向差（Local average misorientation-LAM）图可用于研究局部晶粒的取向差，从而研究材料中存在的应变。晶粒取向分布GOS和晶粒参考取向偏差GROD分布图也可用于研究材料的应变，也是研究材料恢复和再结晶过程的重要工具。
3 样品制备
尽管EBSD制造商如EDAX、Oxford instruments、Bruker指出了一些EBSD样品的制备方法，但没有完整的细节。样品制备在很大程度上取决于要表征的材料的类型。一般来说，几乎所有样品都需要仔细地进行机械抛光以避免表面损伤。对于较软的材料，需要使用较少的研磨/抛光力度。有三种方法（二氧化硅抛光、电解抛光和离子研磨）用于EBSD样品的最终抛光，以获得高质量的菊花图案。
胶体二氧化硅抛光可能是最经济、最普遍的EBSD制备方法。胶体二氧化硅是一种市售的溶液，由带负电荷的二氧化硅（SiO2）颗粒组成。样品表面的轻微凹痕，可以使用这种溶液去除，以及机械抛光时的变形层。然而，抛光时间取决于材料。例如，Gee用胶体二氧化硅抛光30分钟完成WC/Co硬金属样品的EBSD制备。同时，Shamanian在6小时内用胶体二氧化硅制备L-605Co基超级合金接头进行EBSD分析。Singh用水和非结晶胶体二氧化硅（0.05毫米）的稀溶液对TiAl进行最后抛光，时间为12到18小时。这种方法可用于对易氧化的材料进行生产加工，以消除一些塑性变形。由于自由表面容易被氧化，应立即进行EBSD观察，然后进行电解抛光。
电解抛光表面的质量是由一些参数控制的，如电压、温度、流速和抛光时间。然而，对于某些材料，如镁合金，这种方法不是最合适的。这个过程的另一个限制涉及到电解质的选择，因为没有适用于所有材料的通用电解质，而且非导电材料不能通过电抛光制备。Hurley表明，冷轧单相铝合金可以通过机械研磨和抛光，然后在含有30%硝酸的甲醇溶液中，在-30℃和12V的电压下进行电抛光，用于EBSD分析。这个过程包括使用离子束（Ga+或Ar+）来去除材料，离子研磨是一种通用的抛光方法，适用于几乎所有材料的EBSD制备。
此外，EBSD与SEM-FIB结合带来了巨大优势，因为可以进行3D成像。然而，使用离子研磨的EBSD制备参数并不通用，需要为每种材料建立特定的参数。
4 EBSD在金属显微结构表征中的应用
在研究多样化的领域中，EBSD技术已被广泛用于金属材料的显微结构表征，可以开发、优化和实施新的制造工艺、甚至开发新的先进材料。此外，通过原位和非原位测试，还可以研究机械测试或热处理工艺对材料显微结构的影响。
4.1 焊接工艺
在评估金属材料连接的新工艺或新方法时，EBSD技术是一种强大的技术，不仅可以确定工艺和加工条件的有效性，还可评估界面的显微结构或工艺过程中对基体材料造成的变化。例如，Shamanian使用EBSD来表征由脉冲Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石；Nd:Y3Al5O12）激光焊接加工的L-605Co基合金焊缝。作者首先通过晶粒尺寸图、IPF图、相位分布图和晶界特征调查，对基材进行了显微结构表征。基于这些结果，他们观察到奥氏体晶粒中存在一些第二相，被确定为（W,Cr）7C3相。对晶界特征的评估显示，在基材上观察到的大多数晶界是高角度晶界（HAGBs），而CSL晶界由于形成了孪生晶界而具有Σ3特征。根据PF图像，基体材料没有表现出织构。这个初始特征旨在评估连接过程对基体材料的显微结构的影响。
图2显示了IPF和相位图、极图，以及基体材料和焊接区之间界面的晶界分布。作者发现，金属基体的晶粒大小不受熔接过程的影响，因为平均晶粒大小与初始基体金属相似。根据相图（图2d），热作用区的奥氏体基体中有一些（W, Cr）7C3相，与基体金属相似。根据边界分析，在热作用区形成的大多数边界具有HAGB特征。此外，对热作用区形成的CSL边界的定量分析表明，与基材类似，大量的CSL边界具有Σ3特征，对应于双孪晶边界。热作用区的PF和IPF显示，在焊接金属中存在强的横向（TD）|| < 1 0 0>和弱的焊接方向（WD）|| < 1 0 0>关系。当改变焊接条件以减少热量输入时，会得到类似的微观结构。然而，这种变化对奥氏体晶粒有影响。
图2.单一焊接样品的EBSD结果：(a)图像质量（IQ）图，(b)高角度晶界（HAGBs）和低角度晶界（LAGBs）分布图，(c)重合点晶格（CSL）边界图，(d)相分布图，(e)焊接方向反极图IPF，（f）焊接区的反极图IPF，（g）热作用区的反极图IPF，（h）焊接区的极图PF，以及（i）热作用区的极图PF。
Norouzi通过EBSD研究了Ti6Al4V与AISI 304不锈钢的扩散钎焊。EBSD与EDS提供的Ti-Cu和Fe-Ti相图，可以识别构成界面的相。IPF图显示，界面由较大的等轴晶粒组成。F-Ti和Ti-Cu金属间化合物存在于反应层中。EBSD结果显示，Ti-Cu金属间化合物的数量随着钎焊时间的增加而减少。
Sun通过EBSD研究了Ti6Al4V（TC4）与Ti-5Al-Sn2Zr-4Mo-4Cr（TC17）之间的扩散结合界面。EBSD和TEM的显微结构特征表明，结合界面是由α（TC4）/β（TC17）相界（PB）组成的。此外，在界面上发现的β晶粒表现出比TC17的β相更大的错位，这表明在α（TC4）/β（TC17）PB附近发生的动态再结晶。焊接界面的显微结构通过晶粒取向、晶粒和相形态分布进行评估。
图3. 使用Ti-Zr-Cu-Ni的Ti6Al4V钎焊界面的反极点图（IPF）和SEM图像：(a,b) 10%的Zr, (c,d) 18%的Zr, 和 (e,f) 37.5%的Zr
Jing通过EBSD研究了Ti-Zr-Cu-Ni钎焊填料在钎焊Ti-6Al-4Valloy时的Zr量影响。通过晶粒取向、晶粒和相形态分布来评估接头界面的微观结构。图3显示了不同Zr量的三层合金的焊接结果，所有界面都是无缺陷的。在用18%的Zr生产的接头中观察到强烈的优先定向晶粒。关于晶粒大小，随着Zr含量的增加，钎焊接头中形成了更多的粗晶粒。这种晶粒分析可以解释用37.5%的Zr生产的接头在拉伸试验中出现的脆性断裂现象。较大的晶粒尺寸可以降低材料的延展性。
焊接界面上的相识别对于了解与粘合过程与机械性能的关系是至关重要的。由于EBSD分析的相互作用体积很小，这种技术对于薄的反应层（其尺寸小于EDS的相互作用体积）的晶体学特征至关重要。Simões展示了Kikuchi图案索引在通过Ni/Ti反应性纳米层扩散粘结TiAl到钢的特征中的重要性。与此相反，Wang展示了晶粒取向图在表征通过扩散结合获得的多层界面中的应用，如图4所示。
图4. 在（a）900℃/15分钟和（b）950℃/64小时下粘合的TiAl/Ti3SiC2接头的相图
4.2 变形工艺
对于通过变形工艺（如挤压、锻造和轧制）生产的部件，了解加工后部件的行为并预测应用期间的加工硬化和退火行为至关重要。使用EBSD，有可能澄清变形工艺中的机制和改善加工工艺。在变形过程中，晶粒大小的取向和晶粒的细分机制是至关重要的。一些工作是通过TEM研究证明了亚结构随应变发展的模型，TEM可以研究和理解由塑性变形引入的细尺度位错结构的重新排列，然而，这种技术的局限性来自于小尺度范围的表征。
EBSD克服了这一限制，允许在更大的范围内进行表征和量化，为理解机械行为、加工硬化、织构演变和退火行为提供更好的基础。Hurley和Humphreys通过EBSD研究了冷轧单相铝合金的亚结构发展。作者已经通过TEM进行了一些研究，但是EBSD使他们获得了关于变形期间亚结构形成的新知识。EBSD包含了TEM的结果，但其优点是数据在统计上非常合理。
图5显示了欧拉取向图和PF图像。显微结构的特点是小单元或亚晶粒的存在。在轧制减少20%及以上时，观察到交替错位的细长位错单元的平行带，与轧制取向(RD)大约呈35-40°对齐。在50%的轧制后，形成了由细小的细胞连接起来的微剪切带，在晶粒内形成薄的二维平面结构。这些显微结构呈持久性特征，在进一步的应变过程中向轧制平面旋转，并形成大的错位。
图5：（a）EBSD相对欧拉取向图，减少20%轧制；（b）50%轧制后；（c）{111}极点图（PF）显示基体区域（绿色）和微剪切带（蓝色）的取向
Zribi利用EBSD研究了通过等通道角挤压（ECAE）加工的Al-7wt%Si合金的变形行为。铸态合金的显微结构特点是存在Al树枝状物和共晶区。图6显示了通过ECAE在20℃和160℃下处理的样品的EBSD结果。矩形表示共晶区，而椭圆和星形符号表示铝晶粒。在20°C下变形的样品中观察到了拉长的铝晶粒（图6a）。160℃时，铝晶粒几乎保持等轴状态（图6d）。EBSD成像显示，位错集中在硅晶体的对面。图6c,f的放大图显示，在20℃进行ECAE时，储存了高的GND密度。
图6. 在20℃(a-c)和160℃(d-f)条件下，Al-7wt%Si合金在铸态下的显微结构。(a,d)IPF图；(b,e)根据核心平均错位(KAM)计算的几何必要位错(GND)密度图；（c,f）：分别是(b,e)的放大图（椭圆和星号表示铝；矩形表示共晶区）
EBSD也可用于评估由变形过程产生的热处理样品的显微结构演变。Kamali使用EBSD观察了冷轧有序Fe-50Co-10V合金的显微结构演变。EBSD图为KAM和GOS，具有晶界错位和晶粒尺寸分布，可以理解热处理期间的铁氧体再结晶。如图7KAM图显示，高应变区的比例随着热处理温度的升高而明显下降。然而，即使是在750℃热处理2小时的样品，高应变区的比例也是18%，这意味着结晶没有完成。基于这些结果，作者估计在750℃下热处理5小时的再结晶率为97%，10小时为99%。
图7. 在不同温度下退火的Fe-50Co-10V合金的KAM图，显示了高应变（绿色）和低应变（蓝色）区域。
（待续）
