导言
不锈钢在表面外观为基本需求的领域有很多应用，包括厨房台面、橱柜饰面和建筑外部和内部的覆层等。由于主要考虑其外观情况，因此必须减少任何氧化影响，以免损害最终产品的外观。不幸的是，当前的氧化皮去除工艺可能不足以去除板坯再加热后存在的所有氧化物。这些残留的氧化皮在轧制过程中会被压入材料表面，不美观，这是制造商和采购商都不能接受的。本研究调查了不锈钢在工业成型过程中产生的氧化皮，采用电子背散射衍射 (EBSD) 和能谱EBSD联用 (ChI-Scan™) ，将 EBSD 测量的结构信息与能谱 (EDS) 测量的成分信息相结合，研究氧化皮的微观结构和可能的相分布。
样品制备
316L 不锈钢样品在箱式炉中在 1200 °C 空气中氧化 4 小时。氧化后镶嵌在导电胶木边缘，使用 80 – 2,400目的碳化硅砂纸进行金相制备，然后用 6 和 1 μm 金刚石抛光剂抛光，最后使用二氧化硅胶体溶液抛光至少 25 分钟。 该制备的目的分析陶瓷氧化物皮，氧化皮很脆，制备起来要比金属样品更仔细。 用于检测样品的扫描电子显微镜 (SEM) 是位于 Loughborough 材料表征中心的带有 EDAX EDS 和 EBSD 系统的 Leo 1530 VP 场发射SEM，调节工作距离和工作电压以提供最佳的 EDS 和 EBSD 成像条件。 图 1 是在背散射成像模式下拍摄的图像。
使用ChI-Scan进行相鉴定
在 1,200 °C 下 加热4 小时后，在 316L 不锈钢上生长的氧化皮的背散射图像（图 1）显示，氧化皮具有三个可见层。 最底层呈现多孔和细晶颗粒， 中间层呈现较大晶粒，明显有抛光造成的损伤， 上层看起来比中层受损少。 不过，虽然这样的图像提供了一些关于微观结构的信息，但 EBSD 图像质量 (IQ) 图（图 2）能提供有关晶粒结构的更多详细信息。
图 1. 在 1,200 °C 下 加热4 小时后在 316L 不锈钢上形成的氧化皮的背散射电子显微图片。
图 2 显示了与图 1 相同的氧化皮的结构。该图像表明最靠近基板的氧化层（第 1 层）晶粒很细，中间层（第 2 层）是较大的等轴晶粒，而顶层（ 第 3 层）看起来更加无序，顶部边缘有一些细长的颗粒。 然而，单独使用 EBSD 很难准确区分三层，因为这些相具有相似的晶体结构。 将此 IQ 图与 EBSD 扫描期间同时采集的 EDS 数据相结合，可提供有助于区分各层的信息（图 3），并揭示各层之间和层内各相的空间分布。
图 2. 316L 不锈钢在 1,200 °C 空气中 加热4 小时后在室温下冷却后形成的氧化皮的 EBSD IQ 图。
图 3. a) 镍、b) 铬、c) 铁和 d) 氧在 316L 不锈钢上在 1,200 °C 空气中 加热4 小时后室温下冷却后形成的氧化皮的 EDS 图。
从图 3 中显示信息可以清楚地看出，三层中包含四个离散的相。图 3a 是覆盖在 IQ 图上的镍的成分图。该图显示镍均匀分布在第 2 层的等轴晶粒中。然而，这是唯一显示这种均匀分布类型的层。第 1 层中的许多晶粒富含镍，也有许多晶粒镍含量很少。在上层（第 3 层），大部分晶粒的镍含量非常低，但沿氧化皮边缘的许多晶粒显示出高镍含量。铬成分图（图 3b）表明只有第 1 层富含铬，而其余部分显示的铬含量很少。该层还显示出朝向该层顶部和底部的一些晶粒镍含量较高。铁图（图 3c）显示铁含量向顶部边缘增加。与第 3 层的其余部分相比，在顶部边缘显示出高镍含量的晶粒也显示出低铁含量。
对于 EDS 图中确定的四个相，使用化学组分和 EBSD 标定结果作为判定标准，从衍射花样数据库中选择相应的结晶相。 四个离散相被确定为赤铁矿和三个尖晶石相——铬、镍铁氧化物和铬铁氧化物。 结合晶体结构信息 (EBSD) 和化学成分数据 (EDS) ，使用 (ChI-Scan) 功能重新扫描采集的 EDS-EBSD 数据，以区分这些相。 在重新扫描中还考虑了氧化皮下的奥氏体不锈钢基体。
图 4. 在空气中1,200℃加热4 小时后室温下冷却， 316L 不锈钢上形成的氧化皮层的相图
图 4 中生成的相图显示了氧化皮三个层内的四个可能相。离基体最近的是一个混合相层，中间有一层镍铁氧化物层，在顶部边缘有一个赤铁矿层。一些镍-铁氧化物晶粒同样位于第 3 层的顶部边缘。如果在没有 ChI-Scan 的情况下尝试分析相分布，对赤铁矿层进行标定很容易，因为它具有与其他相不同的晶体结构（六角形），其它大部分都是不同的尖晶石氧化物（面心立方）。相比之下，仅使用其晶体学数据几乎不可能区分各个尖晶石相。但，当使用 ChI-Scan 将 EDS 信息纳入相区分过程时，尖晶石相很容易彼此区分开来。镍铁氧化物的区分在于它的镍含量高，氧化铬的区分在于它的铬含量高和铁的含量低，而铬铁氧化物的区分在于它的铬和铁含量都高。
结论
ChI-Scan 提供的 EDS 和 EBSD 联用功能，使分析人员能够可靠地区分不锈钢样品上生长的晶体结构相似和化学组分不同的氧化皮相， 该分析能帮助工艺工程师从最终产品中消除相关的氧化皮杂质。
参考文献
图像来自：
- M. Jepson & R.L. Higginson (2005) The Use of EBSD to Study the Microstructural Development of Oxide Scales on 316 Stainless Steel, in High-Temperature Materials 22: 195-200
详细介绍氧化皮的这项工作和类似研究的论文：
- G. D. West, S. Birosca and R. L. Higginson (2005) Phase determination and microstructure of oxide scales formed on steel at high temperature, Journal of Microscopy 217: 122-129
- R. L. Higginson and G. D. West (2005). The Study of Texture Development of High-Temperature Oxide Scales on Steel Substrates using Electron Backscatter Diffraction, Materials Science Forum 495-497: 399-404
- R. L. Higginson, G. D. West and M. A. E. Jepson (2007). The Characterisation of Oxide Scales Grown On Nickel Containing Steel Substrates Using Electron Backscatter Diffraction, Materials Science Forum 539-543: 4482-4487
- S. Birosca and R. L. Higginson (2005) Phase identification of oxide scale on low carbon steel, Materials at High Temperatures 22: 179-184
- R. L. Higginson, M. A. E. Jepson and G. D. West (2006) Use of EBSD to characterise high-temperature oxides formed on low alloy and stainless steels, Materials Science and Technology 22: 1325-1332