林子博1,刘建辉2,吴忠旺1,李一鸣1,金自力1

(1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院 内蒙古自治区新金属材料重点实验室,包头 014010; 2.包头三德电池材料有限公司,包头 014010)

摘 要:介绍了一种适用于超大晶粒取向硅钢的高斯晶粒取向偏离角的 提出了将试探法和探测器扫描法相结合的方式进行测量。结果表明:该方法X可射以线同衍时射获测得量准方确法的, 实际衍射角度和取向偏离角度,试样制备方式简单,对设备的要求低且测量结果准确。

关键词:取向硅钢;高斯晶粒取向;偏离角;X射线衍射

中图分类号:TG113 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)02-0036-04

硅钢可分为无取向硅钢和取向硅钢两类[1-4]。 取向硅钢主要用于定向磁场,在成分相似的情况下, 取向硅钢的磁感应强度几乎只与高斯晶粒取向的偏 离程度有关,即高斯晶粒取向越理想,其磁感应强度 越大[5-7]。目前,测量晶面取向及偏离程度的方法包 括:蚀坑法、X 射线极图法和电子背散射衍射技术 (EBSD)[8-10]。蚀坑法是传统的织构表征方法,其根 据专门浸蚀剂腐蚀晶粒后的腐蚀坑形状来判断晶粒 取向,优点是操作简单易行,但不能准确地获得织构 类型,特别是偏离程度[11]。X 射线极图法原理是测 量3个不完整极图,进而得到取向分布函数,并能对 织构组分进行定量分析,但其测试步骤较为复杂,需 要专门配备欧拉环的 X 射线衍射仪,同时测试时间 通常需要几个小时[12]。EBSD 同样能够得到晶粒 的取向信息,其角分辨率可达0.2°,但其需要专门配 备 EBSD系统的扫描电子显微镜。同时,EBSD 对 样品的要求非常严格,如要求样品表面无应力层,对 样品机械抛光后再进行电解抛光或者振动抛光处 理,过程较为复杂[13]。

作者介绍了一种适用于超大晶粒取向硅钢的高 斯晶粒取向偏离角的X射线衍射测量方法,提出了将 试探法和探测器扫描法相结合的方式进行测量。

1 偏离角的 X射线衍射测量方法

利用 X射线衍射法(XRD)测量取向偏离角,目 前认 可 的 测 量 方 法 是 非 对 称 的 摇 摆 式 扫 描 (见 图1)[14]。其原理是:将光管和探测器的角度固定为 2θ,测试过程中两者固定不动,在 2ω 的角度范 围 内,从θ-ω 扫描到θ+ω;在出现衍射峰处,光管的 角度为θ1,入射线和衍射线的角平分线同试样法线 之间的夹角ω1 即为取向的偏离角,可以简单地通 过ω1=|θ1-θ|来计算。

上述方法必须首先在 Bragg-Brentano(称简 B- B)衍射模式下,利用 X射线衍射确定高斯晶粒取向 (110)面的2θ角,否则无法设定光管和探测器之间 的角度。如果高斯晶粒的(110)面相对样品表面存 在一定的取向偏离角度,那么在 B-B衍射模式下将 无法得到(110)面的衍射峰。这是因为,根据 X 射 线布拉格衍射理论,入射线、衍射线和衍射晶面的法 线必须在同一平面,且衍射晶面法线为入射线和衍 射线的角平分线[15]。在 B-B衍射模式下,入射线和 衍射线始终保持相同角度的联动,其角平分线始终 同样品表面法线重合,即只有平行于表面的(110)面 才能发生衍射并产生衍射峰。

通常钢铁产品的晶粒尺寸仅有几十微米,X 射 线照射面积内包含很多晶粒。由于取向分布的随机 性,总有一定晶粒的(110)面平行于试样表面,从而 能够得到(110)面的2θ 角。对于取向硅钢,由于晶 粒尺寸有几十毫米,因此照射面积内可能仅包含数 个或1个晶粒[16],如图2中的组织。如果大晶粒的 (110)面偏离测试表面水平面一定角度,则上述 B-B 衍射模式将无法得到(110)面的衍射峰(即2θ 角)。 图3为实际测试结果,在整个有效扫描范围内均无 法得到衍射结果。

虽然以衍射数据库中的硅钢(110)面衍射2θ角 为参照,但产品成分、工艺的差别,以及测试温度和 仪器误差等均会引起晶胞参数变化,从而改变衍射 角,增加测试误差。如果实际样品所用的标准衍射 角过大,也会无法检测出衍射谱线。

理论上,解决上述问题的方法为:① 选取同样 的样品制备成粉末,测试粉末样品(110)面的2θ角; ② 选取相同成分、细晶的硅钢样品,测量其(110)面 的2θ角。

方法①能够准确得到2θ角,但增加了测试过程 的复杂性,方法②不能准确获得理想的2θ角。通常 取向硅钢中高斯晶粒的取向偏离为5°~10°[17],因 此上述偏差对最终取向偏离的影响不容忽视。

2 测量原理和仪器

2.1 测量原理

对于偏离表面的(110)面,产生衍射的条件是入 射线同晶面的夹角为θ,入射线同衍射线的夹角为 2θ,在未知偏离角β和θ的情况下,可以采用试探的 方式,将光管角度设置在一定范围内,探测器在一定 角度范围内扫描。如果能够出现衍射峰,则可以同 时获得偏离角ψ 和衍射角θ。

试探法探测器扫描过程及测得偏离角如图4所 示。将取向硅钢放置在样品台中心位置后,将光管 角度设置为θ0 -α。其中θ0 可以根据标准中α-Fe (110)晶面对应的衍射半角或类似成分硅钢的试验 结果得到,该角度实际为预估的(110)晶面的衍射半 角。高斯晶粒的偏差角通常为5°~10°,α 通常也设 置为5°~10°,这 样 可 以 保 证θ0 -α 一 定 在 涵 盖 (110)晶面衍射角度的半角范围内。随后采用探测 器扫描的方式,使探测器在(θ0+α)-β 至(θ0+α) +β的角度范围内扫描。其中,β反映了实测样品 X 射线衍射2θ角同预估角度2θ0 之间可能存在偏差, 且偏差通常不超过3°~5°。上述设置可以保证实际探测模式的角度大于预估的理论角度2θ0,从而在 偏离情况下能够准确探测出真实的衍射角度。

记录探测器扫描的衍射谱线后,重新调整光管 固定的角度,将光管角度设置为θ0-α+Δθ1,其中 Δθ1<α,设置该角度是为了在小偏离角度下进行试 探。实际上,Δθ1 为试探扫描的步长,在初期步长可 设置为1°~2°,以提高测试速度。探测器在(θ0 + α+Δθ1)-β 至(θ0 +α+Δθ1)+β 的角度范围内扫 描。当探测器获得的谱线中出现衍射峰后,继续以 间隔角度 Δθ1 逐渐增加光管角度并进行扫描,直到 衍射峰的强度出现下降的趋势,即停止扫描,可得到 衍射强度最高时的光管角度θm1。

以衍射强度最高时的光管角度θm1 为中心,将 光管角度设置为θm1-Δθ1,进行对应角度范围的扫 描。依次增加光管的间隔角度 Δθ2,并进行对应角 度范围的扫描。测试间隔的角度逐渐减小,即 Δθ1 >Δθ2,以保证测试精度逐渐提高。同理,得到衍射 强度最高的光管角度θm2。

依此类推,以得到的衍射强度最高的光管角度 θmn 为中心,n 为大于等于2的正整数,将光管角度 设置为θmn-Δθn,进行对应角度范围的扫描,依次 增加光管的间隔角度 Δθn+1,并进行对应角度范围 的扫描,Δθn >Δθn+1,从而得到衍射强度最高时的 光管角度,最强衍射强度对应了最准确的衍射峰位。 同时,逐渐减小测试间隔角度,以保证最高的精度。 重复上述步骤,直至 Δθn+1 ≤Δθr,其中 Δθr 为设定 的偏离角分辨率,从而得到谱峰最高时的光管角度 θt 和探测器对应的角度θd。根据 X 射线衍射基本 原理,可知衍射角2θ=θt+θd;入射线和衍射线夹角 的半角θ=(180°-θt-θd)/2;偏离角ψ 为入射线和 衍射线的 角 平 分 线 与 试 样 表 面 法 线 之 间 的 夹 角, ψ=(θd-θt)/2。由于也可能出现对称位置的偏离, 因此ψ=|(θd-θt)/2|。上述过程中,光管移动的 间隔角度决定了偏离角的精确程度,例如测试中采 用仪器的间隔角度可以精确到0.01°。

2.2 测量仪器

采用 Bruker-D8Advance型衍射仪进行测量,靶材采用铜靶,电压为40kV,电流为40mA。测试 样品经过砂纸机械打磨清洗后,表面清洁平整。

EBSD采用ZEISSSigma300型电子显微镜对 试样进行取向分析,在点模式下获得其欧拉角。将 试样用不同型号的砂纸进行打磨和抛光,最后进行 电解抛光,电解抛光时试样接电源正极,不锈钢接负 极,采用89%甲醇+10%乙酰丙酮+1%四甲基氯 化铵(体积分数)溶液对试样进行浸蚀,迅速取出试 样,用清水冲洗表面,再用无水乙醇清洗和吹干。

3 测量结果

试样为冷轧退火后的取向硅钢,根据 XRD 标 准数据库查得α-Fe(110)晶面在铜靶下对应的衍射 角为44.8°,设置θ0 为22°,α 为5°,β 为 2°,Δθ1 为 2°,扫描速度v1 为6(°)/min,扫描步长s1 为0.01°。

根据上述参数设定,进行第一轮的测试。光管 的开 始 角 度 为 17°,探 测 器 扫 查 角 度 为 25.8°~ 29.8°,序号为1-1;第二次扫查时光管的开始角度为 19°,探测器扫查角度为 23.8°~27.8°,序号为 1-2。 随后的测试,依此类推。光管角度从17°开始,依次 间隔2°,最终到27°时衍射峰强度开始降低,探测器 扫查角度为23.8°~27.8°时的衍射谱线如图5所示, 最高峰时的扫查角度为25°。

第二轮扫查中,以25°为中心,选择 Δθ2 为0.5°, v1 为 6(°)/min,s1 为 0.01°,光 管 以 开 始 角 度 为 23.5°进行扫查。根据第一轮扫查的结果,将2θ 进 一步缩小至44.0°~45.5°,具体参数为表1中的2-1 至2-5。探测器扫查角度为23.5°~25.5°时的衍射 谱线如图6所示,光管角度为23.5°~25.5°,其峰值 出现在扫查角度为25°时。

第三轮扫查中,以25°为中心,选择 Δθ3 为0.2°, 其他条件不变,光管开始角度为24.7°,具体参数为 表1中的 3-1 至 3-4。探测器扫查角度为 24.7°~ 25.3°时的扫描衍射谱线如图7所示,其峰值出现在 扫查角度为24.9°时。这轮扫查中,得到谱峰最高时 的光管角度θt 为 24.9°,探测 器 对 应 的 角 度θd 为 19.86°,由此确定(110)晶 面 衍 射 对 应 的 衍 射 角 为 44.76°,该角度相对数据库中的角度偏差了0.03°,同 时得到取向偏离角ψ 为2.5°。

为了 验 证 上 述 结 果,同 时 对 相 同 样 品 采 用 EBSD进行 检 测。 其 中 得 到 该 晶 粒 的 欧 拉 角 为 (4.8°,41.8°,87.5°),由欧拉角和取向矩阵之间的关 系,可 以 得 到 实 测 的 平 行 轧 面 的 晶 面 指 数[18] 为 hkl =(sinφ2sin?,cosφ2sin?,cos?),h,k,l分 别为晶面指数;φ2 为自转角;? 为章动角。

立方晶系晶面之间的夹角[20]为 cosθ= h1h2 +k1k2 +l1l2 (h21 +k21 +l21)12 (h22 +k22 +l22)12 (1) 式中:θ为晶面夹角;k1,k2,h1,h2,l1,l2 分别为晶 面1和晶面2的指数。 同标准的高斯晶粒(110)面比较,经过归一化 后,(h2k2l2)= (0.707,0.707,0)。经 计 算 得 到 的 (h1k1l1)=(0.667,0.029,0.745),考虑取向的等价 性,调整为等价取向(0.667,0.745,0.029)。由式(1) 计算可得两者之间的夹角为3.4°,该数值同 X 射线 衍射法的测试结果基本一致。采用 X 射线衍射法 对样品表面质量的要求更低,同时测试时间更短。

4 结语

介绍了一种利用 X 射线衍射探测器扫描探测 超大高斯晶粒取向偏离角的方法,该方法能够在超 大晶粒取向硅钢中同时获得准确的衍射角度和取向 偏离角度;采用光管间隔角度 Δθ 从大到小的设置 思路,能够以较快的方式获得数据,该方法测量结果 准确。

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