Pb合金EBSD花样标定率的影响因素

【摘要】  采用FEI Sirion 200型场发射扫描电镜上配置的HKL公司Channel 5 EBSD系统，研究了Pb合金EBSD花样标定率的影响因素。结果表明，Pb合金样品处理、扫描电镜参数调整以及Channel 5软件参数设置都会直接影响标定率的高低。严格程序的样品处理和恰当的电镜及软件参数设置， 通常会获得很高的EBSD花样标定率，再结晶状态和形变状态的Pb合金EBSD花样标定率可分别达到99%和97%。

【关键词】  Pb合金 EBSD 花样 标定率

    Abstract: The influence factor of Pb alloy EBSD pattern indexing rate were studied by HKL technology the Channel 5 EBSD systems on FEI Sirion 200 heated field emission scanning electron microscope(SEM). The results indicated that, the Pb alloy sample preparation, the scanning electron microscope parameter adjustment as well as the Channel 5 software parameter establishment can affect the indexing rate directly.The strict procedure of sample preparation and the appropriate electron microscope and the software parameter establishment, usually can obtain the very high EBSD pattern indexing rate.  It may respectively achieve 99% and 97% in recrystallized condition and deformation condition.

    Key words:  Pb alloy; EBSD; indexing rate

    Pb?Ca?Sn?Al合金是一种用于制造先进免维护铅酸蓄电池阳极板栅的传统合金。该合金在电池工作条件下的晶界腐蚀抗力不足，是造成蓄电池充放电循环使用寿命不足的根本原因。根据国内外相关研究报道［1-4］，通过晶界特征分布优化的办法，在合金中大幅增加诸如∑3、∑9和∑27等相对于一般大角度晶界更耐腐蚀的低∑重位点阵（CSL）晶界（亦称特殊晶界）的比例,能有效阻断一般大角度晶界的连通性，将有可能显著提高Pb?Ca?Sn?Al合金的晶界腐蚀抗力，从而成倍延长铅酸蓄电池的使用寿命［5,6］。目前人们普遍采用背散射衍射（EBSD）技术来研究合金成分和形变热处理等对合金晶界特征分布的影响。在这一研究中，为了保证测试结果的可信度，一般要求EBSD花样的标定率在80%以上。考虑到铅合金是一种低熔点金属，其新鲜的表面容易在空气中氧化并严重影响EBSD花样的标定率，本文将主要研究铅合金EBSD花样的标定率的影响因素，如样品处理和电镜参数及EBSD软件参数的设置等，为铅合金晶界特征分布（GBCD）优化研究提供技术保证。

　　1实验方法

　　实验所用材料为Pb?Ca?Sn?Al四元合金板材（面心立方结构），其Ca、Sn和Al的含量分别为0?05%、1?5%和0?026%（质量百分数）。试片加工尺寸：10 mm×5 mm×2 mm。试片依次用1000＃~4000＃不同粗糙度的水砂纸打磨。经电解抛光后放入配有HKL?EBSD系统的FEI Sirion?200型热场发射扫描电子显微镜，观察其背散射电子衍射花样（Kikuchi菊池花样），通过HKL?EBSD自带的Channel 5软件对花样进行自动地和标定。由实验所得的不同的EBSD花样标定率，分析铅合金EBSD花样标定率的影响因素。

　　2结果与讨论

    2?1样品的处理对经过热处理的Pb合金样品，一般先通过机械磨光或水砂纸手工打磨。无论是机械磨光还是手工打磨，每个试样都需要经过1000＃~4000＃几道不同粗糙度的水砂纸打磨。需要注意的是在磨样品时，要用流水清洗，以保证不把粗砂颗粒带到下一道水磨过程。4000＃砂纸打磨之后，试样表面的划痕已经变得非常细小，这时就可以进行电解抛光了。电解抛光是使试样表面变平整的最好方法之一,既不会像机械抛光一样使表面产生新的应变层,也不会像化学抛光那样腐蚀晶界。电解抛光装置如图1所示。烧杯里装的是由冰醋酸与高氯酸组成的抛光液。阳极接一金属镊子夹住试样，放入抛光液中；阴极材料为一铅板。影响抛光过程的因素很多，除了样品材料、大小和厚度外，还有抛光液的组成、配比、电压值、电流密度、极板间距、温度以及抛光时间等。对于Pb合金，我们经过反复实验，发现30 V电压下，冰醋酸与高氯酸以 4∶1 的比例组成抛光液，常温下（25℃）抛光30秒钟可达到理想的抛光效果即表面平整如镜（如图2a），此时对应的菊池花样非常清晰（图3），铅合金EBSD花样的标定率达到99%。抛光结束后，迅速将试样取出，用酒精将表面抛光液清洗3次，然后浸泡在纯净的酒精中。因为我们采用的是场发射扫描电镜，对真空度的要求特别高。所以当样品从酒精中取出时，一定要用吸耳球吹干，否则影响电镜的真空度，进而影响花样的清晰度以至标定率。但是吹得时间过长，则会发现样品表面已有氧化膜的出现，这样的样品（如图2b）得到的菊池花样很差，导致其标定率只有60%，影响结果的可信度。所以在操作过程中一定要准确迅速。

　　2?2扫描电镜的参数调整大量的实验结果表明，在电压一定的情况下，当倾斜角为70°时花样最清晰。所以，对于原子序数一定的Pb合金样品来说，我们使用的是倾斜角为70°的EBSD专用样品座（如图4）。

    图3抛光好的Pb合金对应的的菊池花样图4装在FEI场发射扫描电子显微镜上的EBSDEBSD的分辨率包括空间分辨率和角度分辨率，EBSD的空间分辨率是EBSD能正确标定的两个花样所对应在样品上两个点之间的最小距离。它主要取决于扫描电镜的电子束束斑的尺寸。束斑的尺寸越大，则空间分辨率越小，同时也取决于标定EBSD花样的算法，因此降低工作电压、减小光阑和电子束的束斑等都可以提高EBSD的空间分辨率。角度分辨率是表示标定取向结果的准确程度，角度分辨率主要取决于电子束的强度，同时也取决于样品的表面状态和样品的原子序数。影响电子束强度的因素主要有：a. 光阑。光阑尺寸越大，电子束的强度越大b. 工作电压。工作电压越大，电子束打在样品表面时候的能量越大，EBSD信号就越强。c. 束斑。束斑的尺寸越大，即束流越大，EBSD信号越强，所以提高工作电压、增大光阑和电子束的束斑可以提高EBSD的角度分辨率。综上所述，光阑、工作电压和束斑对EBSD的空间分辨率和角度分辨率的影响是相互冲突的。由于扫描电镜的光阑固定，我们在测试Pb合金样品时，采用的是 30 μm 的物镜光阑，没有能够测试该参数对EBSD标定率的影响。我们分别用30 kV、25 kV、20 kV、15 kV 、10 kV的工作电压和Spot size 5、Spot size 6的束斑进行测试，发现再结晶状态的Pb合金采用20 kV 、Spot size 5时，EBSD样品标定率可达到理想的标定率99%。而对于形变量为90%以上的Pb合金来说，此时标定率只有75%左右，把Spot size由5改为6后，EBSD信号明显增强，此时的标定率可达到97%。当然，调整电子束对中和聚焦也是非常重要的，是成功的保障。在改变工作电压和束斑后，如果很难聚焦清楚，则有可能是灯丝发生了偏移，可利用电镜的软件程序进行自动和手动灯丝对中调节，可使图像效果明显增强。

　　2?3Channel 5软件参数设置

　　2?3?1必须有正确的标准文件我们以单晶硅为标准，在不同的工作电压、束斑、工作距离和探测距离下进行测定，可生成一系列的标准文件，在测定时根据具体情况选择最合适的标准文件。工作距离WD和探测距离DD越小，标定率越高。考虑到磷光屏的位置和操作的安全性，我们通常所采用的是工作距离为15 mm，探头进入距离为160?1 mm。

　　2?3?2选择正确的匹配文件Channel 5的标准谱图库中保存着上万种匹配文件，我们做Pb样品，就要选择Pb的匹配文件，还要注意它是面心结构还是体心立方。

　　2?3?3探头取向校正由于我们的电镜的EBSD探头有一定角度倾斜（图4），相应的Channel 5软件中的detector orientation应调整为（0，100，0）。

　　2?3?4正确设定扣除背底的一系列参数Timing per frame：该值越大，所得EBSD信号越强，标定率越高，但同时标定时间越长。Noise reduction：设定值越大，EBSD花样中噪音去除得越多，标定时间越长，花样更清晰，但标定率提高不明显。因为标定总时间主要由Timing per frame×Noise Reduction值决定，该值越大，其标定时间越长。通常，在背底未达到饱和的前提下，我们选择大的Timing per frame和小的Noise Reduction，这样，在同样标定时间的情况下，提高标定率；或者在不影响标定率的情况下，减少标定时间。Background correction：a. 对于完全再结晶样品，由于整个样品区域位错很少，且均匀分布，我们一般选择Static，但对于变形样品或回复状态样品则选择Dynamic比较好，可以动态扣除背底。b. 当EBSD花样的菊池带不是很sharp的时候，我们一般用substract来减去收集到的背底，反之，我们才考虑用divide选项。Band detection：a. 当菊池带不是很清晰的时候，我们采用Band center，反之，我们选择band edge。b. Diverge选择High可以明显提高标定率。c. 一般需要三个相交的菊池带就可以标定出结果来。我们设置Min＝4;Max＝5。如果Min增大，则降低了标定率，如果Max值增大，则标定时间增加。Binning level：该参数的改变并不能明显提高标定率，但能显著影响标定时间。对于变形状态Pb样品我们采用4×4即可满足要求，对于完全再结晶Pb样品采用 8×8 也可以。3结论对经过热处理的Pb合金样品，先通过机械磨光或水砂纸手工进行打磨,再进行电解抛光,最后通过酒精多次清洗为得到好的菊池花样提供样品准备;扫描电镜的工作电压、光阑和束的束斑对EBSD的空间分辨率和角度分辨率的影响是相互冲突的，所以调整电镜参数,正确设置Channel 5的标准文件、匹配文件、探头取向、扣除背底的一系列参数等，以在尽量短的标定时间内，得到更高的Pb合金EBSD样品标定率。

【】
  ［1］Palumbo G and Erb U. Enhancing the Operating Life and Performance of Lead?Acid Batteries via Grain?Boundary Engineering ［J］. MRS Bulletin, 1999 (11):27-32.

　　［2］Lee D S, Ryoo H S, Hwang S K. A grain boundary engineering approach to promote special boundaries in Pb?base alloy ［J］. Mater Sci Eng. 2003,A354:106-111.

　　［3］夏爽，周邦新，陈文觉，等.铅合金在高温退火过程中晶界特征分布的演化 ［J］.金属学报，2006,42:129-133.

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