學術干貨丨EBSD制樣—好事多磨
引言
EBSD即電子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction），作為晶體微區取向和晶體結構的分析技術在近幾年取得了較快的發展，并已在材料微觀組織結構及微織構表征中得到廣泛應用。裝有EBSD系統和能譜儀的掃描電子顯微鏡就可以將顯微形貌、顯微成分和顯微取向三者集于一體，這大大方便了材料科學工作者的研究工作。EBSD分析不僅需要有很深的晶體學造詣，而且對樣品的要求很高，初學者很難在短時間內掌握其制樣工藝。而EBSD對不同的材質及材質相同組分不同的樣品制樣有不同的要求，因此初學者不能照搬別人的制樣方法，對于自己的樣品，需要在前人經驗的基礎上不斷實踐、摸索。
EBSD制樣一般經歷以下幾個步驟：線切割、除油、鑲樣、磨樣、拋光（機械拋光及電解拋光）。對制樣的不同要求主要表現在三個方面：磨樣、機械拋光、電解拋光。下面主要以鎂、鈦等合金為例對磨、拋經驗進行了簡單的匯總。
1．鎂合金的EBSD制樣
(1)磨樣：先把砂紙擦干凈，然后找一塊表面潔凈的玻璃片墊在砂紙下面（若擔心玻璃片移動，可以在玻璃片下墊一塊毛巾）。鎂合金一般從800目開始逐級磨到3000到5000目。剛開始的時候，用800目到1500目砂紙主要是為了把試樣表面磨平，在保證試樣表面與砂紙完全接觸前提下，用力可以稍微大一點，但用力一定要均勻。在磨到1500到3000目的時候用力就要更加注意了，要越來越輕為好，以手臂搭在實驗臺上的力延一個方向向前磨（聽到蹭東西的聲音而不是悶響），不能來回磨。換一次砂紙要把試樣旋轉90度再磨，這樣易于觀察上一次磨痕消除的情況，也提高了消除前一次磨樣留下的磨痕的效率，然后用紙巾擦拭掉式樣表面殘留的粉末。當磨面上只留下單一方向的均勻的細磨痕及較淺的變形層時才能進行拋光。
(2)機械拋光：機械拋光和制備金相試樣的步驟一樣，只是機械拋光之后不進行腐蝕，而是直接進行電解拋光。進行機械拋光時，先啟動拋光機（由于鎂合金較軟，轉速調到300r/min以內），試樣放在裝有拋光布（材料一般用絲綢、毛絨或毛呢，使用時直接放置在拋光盤上，用壓圈扣住，可以加適量的水使其和拋光盤連接牢固一些）的拋光盤上，在拋光布上不斷噴灑拋光液（一般粗拋使用15~0.25μm的金剛石懸浮液，細拋一般使用1μm或者0.25μm的硅乳膠溶液配合金絲絨軟布）。若用研磨膏拋光，選用金剛石拋光膏，從大粒度到小粒度逐漸拋過去，每次拋光完后，要仔細清洗拋光布，以免留下大的顆粒，形成較深的拋痕。拋光過程中，用力一定均勻，使樣品表面與拋光布完全接觸。細拋完成后，用金相顯微鏡觀察，若試樣表面平整且沒有明顯的深的拋痕，再用水和酒精分別拋光，用酒精清洗樣品，并迅速烘干。
(3)電解拋光：在電解拋光之前根據自己的樣品材質、結構、組分，選擇合適的電解液，可以先依據別人用過的電解液，看一下電解拋光效果。如果電解過渡，試樣表面凹凸不平，得不到菊池花樣或者只有部分點有菊池花樣，表明電解拋光失敗，需要降低電壓或縮短電解時間。同樣，電壓不夠高 或者電解時間不夠長，也得不到菊池花樣，需要提高電壓或者延長電解時間。總之，具體參數需要自己不斷摸索，一次次的總結。
下面以AZ31鎂合金(試樣尺寸、形狀如圖一)為例介紹電解過程主要步驟：
（1）按一定比例配好電解液（體積分數為10%的高氯酸+90%的酒精）
（2）倒入液氮將電解液溫度降至0℃左右（也可采用盛有冰水混合物的恒溫水槽），調節直流電源電壓至7V
（3）用指甲油對試樣非電解部位進行絕緣處理
（4）直流電源陰極連接電極板（材料為金屬鈦），陽極連接夾持試樣的夾子，試樣表面正對陰極電極板
（5）進行電解（電解裝置如圖2，電解時間約為5min）
（6）電解完成后，首先用丙酮清洗試樣表面的指甲油，然后再放入酒精中進行超聲波清洗1~2min，最后吹風機冷風沿斜向下的方向吹響樣品表面，以保證酒精從樣品表面的上部到下部逐漸被吹干，否則樣品表面已出現水漬。電解拋光液可以多次重復使用，用完直接倒入空的酒精瓶里。由于一般的EBSD 樣品較小，因而即使電解拋光處理幾十個樣品，也不需要對拋光液進行特殊的維護。但當處理的樣品數超過100個(平均表面積為4~6dm-2)時，電解液中的高氯酸含量會降低，應及時補充少量高氯酸和無水乙醇。處理的樣品過多致使拋光液被污染時，也可重新配制拋光液。
圖1 鎂合金電解試樣
圖2 電解裝置示意圖
2．鈦合金的EBSD制樣
（1）磨樣：經線切割后鈦合金試樣表面會產生嚴重的損傷層，就需要從低目數砂紙開始磨起，從120目依次磨到800目（大約磨到600目的時候就可以用金相顯微鏡大致觀察一下式樣表面形貌，以確定磨樣是否合格）。砂紙在用之前要擦干凈，每換一張砂紙需要把試樣旋轉90度。對于磨樣的手法和技巧因人而異，總體要做到式樣表面平整、劃痕少而淺，以確保經過機械拋光后的式樣表面平整、清潔、無劃痕。對于鈦合金，一般在磨到600目的時候是消除磨痕的關鍵工序，需要更加細心，力道要輕且均勻，保證試樣表面與砂紙完全接觸。同樣，當磨面上只留下單一方向的均勻的細磨痕及較淺的變形層時就可以進行機械拋光了。
（2）機械拋光：鈦合金拋光粉通常選用氧化鋁，粗拋時選用3-1μm粒度的微粉，精拋時選用0.5-0.2μm的微粉。拋光液中拋光粉和水的比例不固定，大約每藥匙拋光粉加300ml水，粗拋濃度可以稍微高一些（供參考）。如果實驗室條件可以，拋光機轉速可以調的快一些，約500-700r/min，可以節省拋光時間。開始拋的時候，拋光液呈水滴狀滴下，保證試樣不發熱，約5分鐘后改為水流狀流下。細拋完成后，用金相顯微鏡觀察，若試樣表面平整且沒有明顯的深的拋痕，再用水和酒精分別拋光，用酒精清洗樣品，并迅速烘干。經過機械拋光后，延性材料容易在試樣表面形成一層厚度為幾個微米的塑性變形層，硬質材料會在表面形成一層厚度在幾十個納米的晶格畸變層，都會影響EBSD制樣的質量。需要經過電解拋光，產生電化學溶解，從而得到平整、具有光澤的表面，不會引起試樣表面的晶格畸變。
（3）電解拋光：鈦合金電解拋光操作以及注意事項可以參照上述鎂合金。試樣電解拋光的成像質量取決于電解液的選擇和電解參數的控制。下面給出部分不同牌號鈦合金材料的電解拋光工藝參數:
TC4、BT31、TA2：
電解液組成：高氯酸:甲醇:正丁醇=1:6:3(體積比)
陰極材料：不銹鋼
電壓：30V
電流密度：100~150A·dm-2
溫度：≤-10 時間：30~60s
TC27：
電解液組成：高氯酸（6%）:甲醇（60%）=4:6(體積比)
陰極材料：不銹鋼
電壓：30~50V
電流密度：50~80?A·dm-2
溫度：0~20
時間：40~120s
3. 鋯合金的EBSD制樣
鋯合金比較硬，水磨，砂紙從250#-800#-1200#-2000#-4000#，每次更換砂紙之前，用水沖洗砂紙的兩個面，順便用水沖洗樣品，防止外來贓物的影響。每次更換砂紙，樣品轉90°。每次使的力道要均勻（個人感覺可大點，但是精磨的時候要小點）。
EBSD拋光液：甲醇:乙二醇:高氯酸=70:2:10 （體積比）
參數：溫度-20℃，電壓20V，電流0.2~0.4A，時間50~60s。
個人經驗：大面積擦拭大約20下，小面積可擦拭大約10下。
4. 高碳鋼的EBSD制樣
先用400號砂紙將切割痕跡磨掉，直至觀察面新亮，然后用800號砂紙粗磨，盡量除去之前粗大的磨痕，再用1200號繼續將觀察面磨光，最后再用2000號砂紙精磨，精磨到用肉眼看觀察面紋理比較均勻，甚至像鏡面一樣光潔最好。感覺如果手工在砂紙上磨的話，每道次磨30-50下就可以，如果在磨樣機上磨的話，每道次五分鐘左右就可以了。在粗砂紙上磨的時候力道要均勻，特別是直徑較小的試樣，感覺最好堅持較長時間再拿起來看，這樣不容易磨成多個斜面。
接下來是拋光，精磨的效果直接決定拋光的時長。如果在2000號砂紙上磨出鏡面效果，那么拋光三五分鐘就可以了。碳鋼較硬，僅用2.5μm拋光膏就可以了。上拋光膏后，將水調成1滴/秒的大小。連續拋十分鐘左右再開大水量拋三五分鐘，應給就可以了。拋好與否，就是在100倍左右放大倍率下觀察表面是否有凹坑或劃痕。
結語
電子背散射衍射（EBSD）技術目前已很成熟，可廣泛用于晶粒取向、微區織構、取向關系、慣習面測定及物相鑒定、應變分布測定、晶界性質研究和晶格常數等測定。但是，不同材質及組分的材料制樣并沒有系統的介紹，也沒有開展與制樣工藝相關的活動和研討，這就需要相關領域學者和研究人員不斷摸索、互相交流學習、共同為EBSD的廣泛應用做貢獻。
參考文獻
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