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使用球形标定分析喷丸钛合金

导言

喷丸处理是一种机械表面处理方式，将小颗粒强力喷射到材料表面以引起塑性变形。这种变形引入了压应力层，从而提高材料强度和疲劳性能。从电子背散射衍射 （EBSD） 表征的角度来看，存在相当程度的塑性变形用传统方法标定就很具有挑战性，因为存在的塑性变形会显著降低 EBSD 花样的质量，使通过 Hough 变换进行的条带检测和随后的标定都变得很困难。

球形标定是一种对EBSD花样进行标定的新方法，它基于正向建模方法，将实验EBSD花样与模拟的EBSD花样进行比较，以找到正确的取向和相。在本应用简报中，使用传统的 Hough 标定和球形标定分别对喷丸钛合金进行了表征。球形标定结果有显著提高，包括表征材料表面严重变形区域的表征。

讨论

本文中在双相钛合金上进行了喷丸处理。该样品由 NSTDA 表征和测试服务中心的 Prathompoom Newyawond 先生友情提供。样品表面的横截面经过处理后用于EBSD分析。EBSD 数据是使用 Clarity™ 直接电子检测器和 APEX™ 软件收集的。采集了两种不同的EBSD扫描数据，一个是覆盖34 x 84 μm区域的较低倍率扫描，采样步长为100 nm，另一个是覆盖4.6 x 14 μm区域，步长为30 nm的高倍率扫描。

a） 较低放大倍率下感兴趣区域的图像质量图。b） 用 Hough 标定（HI） 测量的反极图 （IPF） 取向图，相对于喷丸表面的法线着色。c） 用 HI 测量的相图，钛 α 相为红色，钛 β 相为蓝色。
图 1. a） 较低放大倍率下感兴趣区域的图像质量图。b） 用 Hough 标定（HI） 测量的反极图 （IPF） 取向图，相对于喷丸表面的法线着色。c） 用 HI 测量的相图，钛 α 相为红色，钛 β 相为蓝色。

图1显示了较低放大倍率扫描的结果。图1a显示了EBSD图像质量（IQ）图。喷丸表面位于分析区域的右侧。IQ数值源自 EBSD 花样中条带的亮度和清晰度，由 Hough 变换检测。在连续灰度图像中，较强和较清晰的花样着色较亮，而较弱和较模糊的图案较暗。在喷丸表面，由于加工过程中引入的严重变形，图像质量显著下降。

图 1b 显示了通过 Hough 标定得出的反极图 （IPF） 取向图。在此图中，较低置信点已从中过滤，图上显示为黑色。取向相对于喷丸表面（本图像右侧）的法线显示，而不是更典型的SEM中样品表面法线。这种选择来表示经过表面处理的表面取向：每个点都按相对于彩色参考立体三角形的取向着色。图1c显示了通过Hough标定得出的相图。注意 α 晶粒之间的 β 晶粒薄片，并且，标定性能在靠近喷丸表面时会下降。

a） 使用球形标定 （SI） 测量的 IPF 取向图，该标定相对于喷丸表面的法线着色。b） 用 SI 测量的相图，钛 α 相为红色，钛 β 相为蓝色。
图2. a） 使用球形标定 （SI） 测量的 IPF 取向图，该标定相对于喷丸表面的法线着色。b） 用 SI 测量的相图，钛 α 相为红色，钛 β 相为蓝色。

图2a显示了球形标定后同一区域的IPF图。使用球形标定时，要在采集期间保存花样，然后使用 OIM Analysis™ 9 中的 OIM Matrix™模块进行重新处理。在本工作中，球形标定与NPAR™相结合，提高了EBSD花样的信噪比和后续花样匹配性能。请注意，与图1b中的Hough标定相比，球形标定在横截面样品的边缘处的数据质量更高，并且在处理表面的晶粒尺寸明显更细。图2c显示了球形标定后的相图。在整个分析区域，β 相都处在 α 颗粒之间。为了区分 alpha 和 beta 相，将采集花样与两相的模拟花样进行比较，并为相和取向选择最佳匹配结果。

a） 低倍率下 底部PRIAS ROI 的 PRIAS 图。b） PRIAS图与使用HI的彩色IPF图相叠加。c） PRIAS图与使用SI的彩色IPF图相叠加。
图3. a） 低倍率下 底部PRIAS ROI 的 PRIAS 图。b） PRIAS图与使用HI的彩色IPF图相叠加。c） PRIAS图与使用SI的彩色IPF图相叠加。

图3a显示了使用底部感兴趣区域（ROI）PRIAS通道的较低倍率扫描的PRIAS™图像。该图显示了样品表面的形态和样品表面的边缘。为了更好地显示 Hough 和球形标定之间的标定性能差异，两种方法的彩色 IPF 图都叠加在图 3b 和 3c 中的 PRIAS 图像上。在这些图中，如果标定性能不令人满意，则该点置信度较低，在图上是透明的，仅显示 PRIAS 信号。比较图3b和图3c表明，直到样品的边缘和β-板条晶粒内，球形标定结果都有大幅提高。

a） 用 HI 测量的 KAM 图。b） 用 SI 测量的 KAM 图。使用 SI 提高取向精度可改善母材金属和变形表面层之间的衬度。
图4. a） 用 HI 测量的 KAM 图。b） 用 SI 测量的 KAM 图。使用 SI 提高取向精度可改善母材金属和变形表面层之间的衬度。

核平均取向差 （KAM） 图非常适合表征喷丸过程中发生的塑性形变。Hough 和球形标定的 KAM 图分别如图 4a 和 4b 所示。请注意，球形标定提高了取向精度，降低了KAM图像中远离处理表面的噪点，并与表面的塑性形变区提供了更大的对比。使用 Hough 标定时，变形导致的花样质量下降会降低条带检测的准确性，从而增加 KAM 噪点水平。这些结果表明，球形标定提供了更清晰的喷丸效应图像。

a） 高倍率下感兴趣区域的图像质量图。b） 用 HI 测量的 IPF 取向图。c） 用 SI 测量的 IPF 取向图。观察到相对于 HI 的标定性能改进。
图5. a） 高倍率下感兴趣区域的图像质量图。b） 用 HI 测量的 IPF 取向图。c） 用 SI 测量的 IPF 取向图。观察到相对于 HI 的标定性能改进。

图5a显示了喷丸表面的更高放大倍率下IQ图。IQ 图在表面没有看到清晰的结构，表明与较大塑性变形相对应的花样较弱。图 5b 和 5c 分别显示了 Hough 和球形标定的 IPF 图，其中置信度较低的点显示为黑色。在这个严重变形的区域内球形标定结果有了显著提高，显示了在喷丸过程中形成的细晶区域。这些结果表明，在此过程中形成的微观结构需要球形标定来表征。

a） 从 SI 结果派生的晶粒图。b） 晶粒尺寸图，根据图 6c 中使用的颜色梯度着色。 c） 应用图 6b 中颜色的晶粒尺寸分布。
图6. a） 从 SI 结果派生的晶粒图。b） 晶粒尺寸图，根据图 6c 中使用的颜色梯度着色。 c） 应用图 6b 中颜色的晶粒尺寸分布。

图6a显示了从球形标定结果得出的晶粒图。在这张图中，使用 5° 容差角确定晶粒，然后随机着色以显示大小和形貌，晶粒在表面附近变小。图6b显示了晶粒尺寸图，图6c显示了应用与图6b相同的配色方案的晶粒尺寸分布。其中，小于 50 nm 的晶粒已在变形区域中剥离。

结论

本工作表明，喷丸过程在处理过的材料表面引入了一个明显的塑性形变区域。传统的 Hough 标定无法提供足够的灵敏度来分析这些严重变形的区域，但 OIM Analysis 9 中新的球形标定方法可分析其微观结构。这些数据可用于了解和优化喷丸参数，以达到给定材料应用所需的形变水平和深度。