EDS和EBSD在汽车行业中最新应用

                                                                                                           

随着汽车行业的发展,对汽车用材料的性能包括强度、韧性的要求越来越高。而要提高材料的性能,必须要对组织做充分的结构表征如纯净度、不同相的分布、含量,晶粒、织构等。

利用基于AZtec软件平台的牛津仪器能谱仪(EDS)和电子背散射衍射仪(EBSD)可以实现对组织和结构表征,帮助了解材料的工艺、组织与性能之间的关系。

本文将介绍EDS和EBSD在汽车行业中的应用,包括轻量化钢组织结构的表征、汽车清洁度分析及夹杂物分析。

 

1.      组织与结构表征

具有高强度及高延展性的“超级钢”在汽车行业中需求越来越大,这对于汽车安全及轻量化极为重要。而对于组织的全面了解,工艺的控制及优化才成为可能。

如下使用了宝钢测试中心提供的高强轻量化钢样品,利用AZtec EDS与EBSD对纵截面进行分析,解决如下问题:

(1)   相分布

(2)   织构类型

(3)   晶粒尺寸统计

(4)   亚结构

(5)   析出相鉴定

 

(1)   相分布

残余奥氏体对于钢铁的强度、韧性等性能起了重要作用,它可以在受到变形或者冲击过程中转变为铁素体,从而提高强度。通常使用X射线衍射仪五线法测量钢中残余奥氏体,但当样品中存在织构时,铁素体/奥氏体衍射线强度比值会有明显偏差,所得残奥值误差增加。而EBSD测量奥氏体的含量不受织构影响,同时可以得到奥氏体及铁素体分布,从而帮助对组织的了解。

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(2)    织构

织构的种类、强度与分布影响的材料的各向异形与成型性等性能。如图2为该样品铁素体取向分布图(IPF Mapping),在中心区域以绿色为主(<101>//轧制方向, RD),在边缘区域红色绿色组织相间(<101>//轧制方向以及<001>//轧制方向,RD)。

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  可进一步通过极图对同区域的织构进行表征,如图3。纵截面样品中心区域具有较强的{110}<1-10>及较弱的{111}<1-10>板织构(也叫轧制织构,晶面平行于轧面,晶向平行于轧向的织构),MAD值达8.19。而在靠近上表面及下表面区域,{110}<1-10>及{111}<1-10>织构较弱,另外还存在{110}<1-12>织构。织构的类型与强度与板材的轧制及退火工艺息息相关,可以用于表征轧制过程,并将影响材料最终的成型性能。

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 残奥及织构的分析也可用于新材料的开发。对于汽车用钢来讲强度和延展性是最关键的两个力学性能。然而,这两个性能常常是相悖的,即强度和延展性之间的对立。金属材料的强度会随着位错密度单调增长,同时延展性随位错数目的增多而减弱的现象依然存在。但是通过改进合金组分和加工策略可以避免两种性质对立的局面。香港大学的黄明欣博士与北京科技大学的罗海文教授(共同通讯作者)发展了一种变形分区(D&P)策略来解决上述问题。研究人员利用轧制和低温回火过程将中锰钢成功发展为超级钢(10%锰,0.47%碳,2%铝,0.7%钒)。这其中锰和碳原子都是奥氏体稳定剂,而铝的作用是抑制了回火过程中渗碳体的析出,钒的加入则可以形成碳化物来增强对滞后断裂的抵抗性。通过引入大量的可移动位错,研究人员成功地证明了提高位错密度能够同时提高材料强度和延展性。该工作以 “High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels”为题于2017年9月3日发表与Science上。AZtec EBSD被用于对该高性能材料进行组织表征。

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(3)    晶粒统计

晶粒尺寸是影响材料机械及物理性能最基本的组织参数。如图5为样品中的奥氏体及铁素体晶粒分布。利用AZtec EBSD可自动识别两类晶粒,奥氏体晶粒较小而铁素体晶粒较大。晶粒使用10°取向差进行晶粒区分,且每种组织均探测了超过10000个晶粒。奥氏体组织较为均匀,平均晶粒尺寸约1.43um,平均长宽比1.79。而铁素体平均晶粒尺寸为3.09um,拉长晶粒比例更高,长宽比最大至34.59。

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(4)    亚结构

在研究晶粒大小、取向的同时,亚结构的表征同样十分重要,它也将影响材料性能。 亚结构是指晶粒内的结构,可用于表征材料的应力或应变状态。如图6是某区域高倍组织,晶界(>10°)及亚结构(2°-10°)清晰可见。图中绿色区域为存在与有较大残余应力的铁素体晶粒内的亚结构(或位错),这些位错来自于相变或变形过程。不含有亚晶的晶粒已经发生了再结晶。另一种表征铁素体晶粒内应力分布的是Kernel Average Misorientation图(KAM)。该图代表了晶粒内部的取向差分布,即应力。更高的KAM值代表了更高密度的小角度晶界。组织中存在的亚结构或残余应力可用于后续的晶粒细化。

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(1)    析出相鉴定

材料中的合金元素通常通过析出强化阻止晶界迁移及控制晶粒尺寸,从而增加材料的屈服强度。EDS与EBSD的联用可以对析出物的成分及相进行表征。如图6为钢中Nb(Ti)C的表征。EDS用于成分分析,而通过EBSD,可确定该类析出物为面心立方结构。

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