日本开发最新物理分析技术

LIU1018

日本开发最新物理分析技术

    为满足环境及安全性能需求，近几年开发出TRIP（相变诱导钢）和DP（双相钢）的高附加值汽车用钢板。它们是适用于抗拉强度高且成型性好的结构用钢。控制显微组织是改善性能最重要的方法。众所周知，细化晶粒尺寸和引入残留奥氏体是有效控制钢的显微组织的工艺。FE-TEM和FE-SEM/EBSD等最新的典型物理分析技术是解决冶金基础的根本技术。
    日本神户研究院除能提供黑色金属必需的测量数据和技术支援外，还能提供和解决用户在铝合金、铜合金、钛合金等领域的需求。
    神户研究院的实验室与神户钢铁公司的实验室毗邻，拥有包括试验各种负载范围的力学性能试验机与显微镜，有观察纳米级组织的显微镜、高分辨率表面分析仪及化学成分分析仪等各种设备。而且，神户研究院已改进了上述设备，且开发出新技术。
    1    简介
    物理分析技术是开发新材料的基础。材料研究者的需求激励物理分析技术发展。如19世纪初，为测量高炉的内部温度，开始开发光谱化学分析方法。19 世纪末由伦琴发现X射线而加速完善物理分析技术，而X射线衍射与散射可判定金属和矿物的相结构。20世纪，采用电子束来研究金属材料的纳米级组织。
    另一方面，出于全球环境和安全保护，汽车工业不断发展，20 世纪需要开发轻型、性能安全可靠的汽车高强度钢板。
    控制显微组织是开发高强钢的重要途径。例如，由马氏体、铁素体、贝氏体及奥氏体等多相组成的TRIP（相变诱导）钢，其结构为复杂的细晶组织。众所周知，TRIP钢的强度和成型性主要取决于残留奥氏体的体积百分率及其稳定性。开发TRIP（相变诱导）钢显著促进了物理分析技术的进步。
    日本神户研究院（KRI）实验室及部门始建于1979年的KRI（神户研究院），当时只是日本神户钢铁公司研发分析部门。
    日本神户研究院的技术部门由4个部和5个实验室组成，分布在日本的主要城市。随着商务扩展，2001年增设激光、电光学部门。KRI（神户研究院）技术领域涉及物理分析、化学分析、腐蚀、材料试验，结构试验和熔炼、热轧和冷轧等试制的产品，KRI一直致力于为用户提供好建议和最恰当技术。
    通过上述运作，KRI通过对各种材料的实践分析和评估，由冶金工程师提供包括Cu、Al、Ti等典型的材料，以满足用户需求。
    2    残留奥氏体体积百分率的定性及定量化
    2.1    背景
    残留奥氏体的体积百分率及其形态是决定TRIP（相变诱导）钢成型性的重要因素。由试验可知，残留奥氏体（%）的形变行为在间断的抗拉试验下表现不同。因此，对残留奥氏体的形态和体积百分率要根据不同情况进行精确研究。当残留奥氏体体积百分率精度为1%时，很难用OM(光学显微镜)来确定，同样用传统XRD（X射线衍射）也难以精确测量体积百分率，因此要借助SEM和TEM映像观察残留奥氏体形态。
    用FE-SEM/EBSD这两种方法确定TRIP钢的残留奥氏体，以此研究残留奥氏体的形态和塑性变形的非稳态数据。
    通常使用的XRD（X射线衍射）方式可确定残留奥氏体的体积百分率。但由于X射线的物理因素，XRD方式只能确定表面数据。为了确定残留奥氏体的平均体积百分率，开发了磁饱和（SMM）测量方法。可以认为残留奥氏体相变是应变力、应变率及温度的函数。
    作为最新技术之一，日本开发的Spring-8型SR-XRD（同步加速器X射线衍射法），利用同步加速器辐射的单频X射线高分辨率可测量物体表面至20μm深度的残留奥氏体体积百分率的分布状况。
    2.2    EBSD方法
    EBSD(电子反向散射衍射形貌) 是目前对分析材料晶体取向最有用的技术。1954年，M.N.Alam，M.Blackman和D.W.Pashley首次引入EBSD进行检测。1973年，在J.A.Venables和C.J.Harland的建议下，SEM采用电子反向散射衍射形貌（EBSD）进行观察。近年来，常把电子反向散射衍射形貌（EBSD）安装在E-SEM(场致发射扫描电镜)上。
    加速电子大入射角辐射经电解抛光的样品表面，会与表面晶体相互作用后产生入射角非弹性的电子衍射，非弹性的入射电子束衍射到各个方向上。当反向波满足布拉格（Bragg）衍射条件，可观察到反向散射波强度衍射反映为过剩和缺陷的2个菊池（Kikuchi）线的电子衍射图像。大入射角为过剩，小入射角为缺陷。
    计算θ角即至反向衍射平面的入射角约为零。因此，过剩的菊池（Kikuchi）线可类似设定为1条直线。实际上，透过多个平面发生布拉格（Bragg）衍射，用衍射线来确定晶体取向。但要高速、高精确度分析较为困难。1992年，N.C.Krieger-Lassen 等人通过Hough转换，开发出高速数码分析系统。EBSD图像可用以分析材料的取向图、相图和晶界等。
    EBSD分析相变诱导钢板带。用荷兰飞利浦公司XL30S-FEGFE-SEM和EDAX-TSL OIM装置测量EBSD。取向图包含测量点的晶体取向信息。因此，经分析调整测量点的相邻角可估算出晶界。实验可知，其旋转角为5°和2°，显现绿线和红线，通过变换晶界确定旋转角来确定。而OM和SEM的映像并不能观察到小角晶界。
    抗拉强度1500MPa和延伸率8%的C-Si-Mn基相变诱导钢板带，其拉伸试验的图像误差小于1%。
    暗色区相应为体心立方的奥氏体区，灰色区相应为面心立方的铁素体及贝氏体-铁素体。黑色区域为高密度残余应变区的片状马氏体。
    实验可知，较小的残留奥氏体，分布致密，主要存在于板条贝氏体-铁素体晶界，而非铁素体晶界。残留奥氏体在1%的拉伸应变条件下转换成马氏体。通过多次EBSD测量未发现因辐射损伤所引起的相变。EBSD法是精确领会相变诱导钢板带的残留奥氏体的晶界、形态及衍射的最有效的分析技术。
    2.3   饱和磁测量法
    通常用Cu-ka辐射的5个主要峰值累积强度的XRD法来确定钢的残留奥氏体体积百分率，XRD法只能观察到深约10μm的表面数据。由于静水压释放及样品准备过程中应变低估，样品近表面处的相变诱导钢带残留奥氏体。而饱和磁测法能够评估所有批次的试样数据。试样的磁性提供了残留奥氏体体积百分率的信息。鉴于体心立方奥氏体是顺磁体，体心立方铁素体是铁磁体，饱和磁的值将取决于有无残留奥氏体。Is为不含残留奥氏体的磁饱和曲线，I为含有残留奥氏体磁饱和曲线，随着增加残留奥氏体量，会降低磁饱和曲线。由SMM测量的Is 和I，可计算出残留奥氏体的体积百分率。
    2.4   同步加速器辐射X射线衍射法
    同步加速器辐射(SR)是电子发射的电磁波,电子在光速运行时，受磁场作用电磁波会发生弯曲。目前世界上最大的第3代同步加速器辐射设备是位于日本Hyogo地区的Spring-8同步加速器。Spring-8提供8GeV能量， 同步加速器（SR）的范围从软X射线（光子能300 eV）到硬X射线区(光子能300keV）的极亮且高定向的电磁辐射波。
    同步加速器辐射(SR)不仅采用X射线衍射（XRD），且采用XAFS（X射线吸收精细结构）、XFS（X射线荧光光谱学）及XCT（X射线计算层析成像）上，实现高分辨率测量。 BL16XU是由投建的Spring-8射线的13家公司之一。
    相变诱导钢的表面残留奥氏体不稳定。表面以下的奥氏体晶粒受周围奥氏体晶粒的约束。因此，从表面到内部的残留奥氏体的体积百分率是变化的。通过GID（抛光-入射X射线散射）研究相变诱导钢带表面的残留奥氏体体积百分率与深度相关。消除精细抛光的Fe-0.2C-1.5Si-1.5Mn 相变诱导钢板带的表面应变。用BL16XU公司的15 keV X射线束的Spring-8装置测量Si(111)是双晶单色。通过晶体界面角度仪可知晶体界面角在0.58°、1.77°、3.01°和14.6°变化，X射线穿透深度分别为1、3、5和20μm，根据不同GID角的X射线衍射图像可知深度方向相的分布，Fe（220）随X射线深度的增加而增加。
    3    评估细晶组织力学性能的方法
    微米级细晶组织钢的力学性能是冶金分析所需的重要信息。开发纳米压痕法来评估微观尺寸及基底薄膜的力学性能。高精度的压力传感器和极尖细电极头的压力计用于测量硬度(非维氏硬度)和杨氏模数。印痕深度和宽度的分辨率取决于样品硬度。实验可知，第二相的平均硬度高于5GPa，比基体要高出许多。从20 ～100nm的硬度值不变，表明硬度值不受周边的晶粒影响。鉴于测量精度极高，表面粗糙程度的不同，硬度值在0～20nm的范围内变化。
    4    FE-TEM观察
    众所周知，TEM（透射电镜）是观察微米或纳米级组织最有效的技术之一。TEM映像能清楚观察到各相及其细晶组织。
    电子枪基本上取决TEM分辨率。FE-TEM（场致发射TEM）配置高亮度、稳定性好的场致发射电子枪。通过分析EDX确认析出物可清楚观察到纳米级析出物。
    5    结论
    物理分析技术是理解冶金材料的基础。本文介绍日本神户研究院几例相变诱导钢板钢带的相关技术。
    (1) FE-SEM/EBSD技术提供了相图和晶界数据；
    (2) SMM是非常简单的技术，且是唯一量化整个样品残留奥氏体体积百分率的技术；
    (3) 传统的X射线衍射的同步加速器（XRD-SR)较难应用，但可获得通常技术所得不到的非常重要的数据；
    (4) 纳米-压痕技术能观察到极小区域的硬度。可避免周围晶粒影响，直接获得目标晶粒的硬度；
    (5) 众所周知，TEM（透射电镜）是极重要的测量技术，随着各项技术的发展而在不断完善。