一种带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样的制备方法

技术领域

本发明属于金属检测试样制备技术领域，具体涉及一种带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样的制备方法。

背景技术

电子背散射衍射(EBSD)是指扫描电镜发射的电子束在大角度(70℃)倾斜的试样表层区激发并形成菊池衍射花样，通过对衍射花样的标定来确定晶体结构、取向和晶界特性等相关信息的分析技术。

在EBSD数据采集的过程中，试样表面状态是EBSD数据采集的关键，即EBSD试样表面要求平整、清洁、无残余应力层。随着科学技术的发展，出现了电解抛光、离子抛光、振动抛光等方法，各类金属基体高解析率的EBSD制样已不是难题。但是对带腐蚀产物膜样品的高解析率EBSD试样制备仍存在一定难度，原因在于：带腐蚀产物膜样品EBSD试样制备不能采用电解抛光，会破坏腐蚀产物膜；而离子抛光限于制备小试样(通常小于10mm)，并且一般只对试样中心的小块区域具有较好抛光效果，不适用位于边缘带腐蚀产物膜的试样制备。其他的抛光方式对带腐蚀产物膜样品的EBSD试样制备也存在不同程度的局限性。

目前来说，采用振动抛光制备带腐蚀产物膜样品的EBSD试样较为常见。振动抛光的优势在于方便和快捷，但对试样磨制和机械抛光的质量要求很高；振动抛光工艺中的振幅、施加载荷和振动时间也会因材料的不同而改变，没有统一的标准要求；振动抛光后试样表面的质量效果也是根据经验而判断，试样EBSD图像解析率低的情况时常出现。常见的原因一般为表面不平整、残余应力层未去除、导电性差等。腐蚀产物膜本身结构的稳定性也会对EBSD解析率产生影响，这一般要求振动抛光的振幅不宜过大，以防破坏腐蚀产物膜结构；振幅也不能过小，这会严重影响振动抛光去除试样表面残余应力层的效率。而腐蚀产物膜和金属基体交界处残余应力一般要比腐蚀产物膜内部大，这使得选定一个合适的振幅对提高带腐蚀产物膜试样的EBSD解析率有重要作用。在确保试样表面导电性良好的情况下，对于试样EBSD图像解析率一般的情况，可以适当延长振动抛光时间，进一步去除试样截面的残余应力层，来尝试提高试样EBSD图像解析率；而对于因试样磨制或机械抛光质量不够而造成EBSD图像解析率低的情况，只能重新制样。

综上所述，制备带腐蚀产物膜截面样品的高解析率EBSD试样仍存在一定难度，并且没有明确的振动抛光工艺参数。因此，开发一种高效、稳定带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样制备方法，对于研究材料腐蚀发生路径和腐蚀产物膜演变过程具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的诸多不足之处，提供了一种带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样的制备方法，包括如下步骤：(1)对带腐蚀产物膜的试样进行截取和冷镶嵌；(2)对截面试样进行磨制、机械抛光；(3)对截面试样进行振动抛光和超声清洗；(4)对截面试样进行表面喷碳处理；(5)对截面试样进行EBSD面扫描，获得图像数据；(6)对所述图像数据进行处理和分析，完成表征。上述方法通过制备过程中采取保护产物膜、提高试样导电性和信号采集率、设定适当的振动频率获得高质量抛光表面的方法，所制得EBSD试样具有较高的解析率，样品标定率达到85％以上，能够满足对腐蚀产物膜进行相关定性和定量表征。本发明容易操作、经济成本低、腐蚀产物膜特征保留显著。

本发明的具体技术方案如下：

一种带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样制备方法，包括以下步骤:

(1)带腐蚀产物膜样品的截取和冷镶嵌：

采用手工锯截取腐蚀后样品中间部位高度10mm的试样，得到含腐蚀产物膜的截面试样，放到圆形塑料管模具中心位置并对其进行冷镶嵌；

带腐蚀产物膜样品不得采用热镶嵌，否则会引起产物膜的分解与破坏。冷镶嵌过程中应在冷镶剂中添加Cu粉或Ni粉等金属粉末，以增强镶嵌强度以及镶料的导电性；

所述带腐蚀产物膜样品为碳钢或低合金钢，腐蚀的类型为二氧化碳腐蚀，腐蚀产物膜是以碳酸亚铁晶体为主的薄膜；

所采用的冷镶的具体工艺过程为：首先，将高度与截取试样基本持平的圆形塑料管模具固定在表面粘有双面胶的玻璃板上，并压实以防冷镶料从底部漏出，将截取试样固定在圆形塑料管模具的中心位置；将冷镶剂和固化剂以及Cu粉或Ni粉混合均匀作为冷镶料，静置10分钟让冷镶料中融入的气泡析出；将上述混合物缓慢倒入圆形塑料管模具中，室温静置12小时即可。

优选的首先将冷镶剂和固化剂加入到在一次性塑料杯中，之后在适量添加Cu粉或Ni粉，用玻璃棒搅拌使冷镶料充分混合，之后静置10分钟让冷镶料中融入的气泡析出；

所述冷镶剂选自双酚A型环氧树脂，固化剂选用邻苯二甲酸二丁酯和乙二胺，环氧树脂、邻苯二甲酸二丁酯和乙二胺的混合比例为20：3：2，其中添加Cu粉或Ni粉的量为冷镶剂质量的50％～80％。

(2)截面试样的磨光、机械抛光和清洗：

将截面试样的表面经碳化硅水砂纸手工磨制，砂纸粗粒度从360目至2500目，使制备完成的截面试样最终高度在5～6mm，将磨好的上述试样用无水乙醇清洗，并吹干，再依次用平均粒径为1.5μm、0.5μm的金刚石抛光膏对试样表面进行机械抛光；试样的背面也用360目砂纸下进行粗磨，使得金属样品露出，增强样品与样品台间的导电性；将完成抛光的所述试样用无水乙醇清洗，并吹干；

带腐蚀产物膜样品的磨抛需采用更小的力度，砂纸粗细过渡应更平缓，抛光时间不宜过长，以避免破坏腐蚀产物膜。

(3)截面试样的振动抛光和超声清洗：

将机械抛光后的试样放入振动抛光机进行振动抛光，振动抛光机的振幅设定为7000Hz，振动时间范围根据振动抛光效果选定在为3～4h；之后用无水乙醇冲洗完成振动抛光的截面试样表面，之后立即泡在盛有无水乙醇烧杯中放入超声波清洗机清洗，并吹干；

上述振动频率能够同时保证带腐蚀产物膜截面试样的表面抛光质量和制样效率。带腐蚀产物膜样品的抛光不宜采用电解抛光和离子抛光。电解抛光会直接破坏腐蚀产物膜；离子抛光时会因腐蚀产物膜和基体的物性差别导致抛光质量的差别以及截面处的台阶，降低识别率。

(4)截面试样的表面喷碳：对截面试样的镶嵌材料做导电处理，进行表面喷碳，喷碳层厚度应控制在10-30nm之间，喷碳层太薄将影响样品导电性，太厚则会对解析率造成较大影响。

(5)EBSD面扫描：用导电胶将截面试样的表面和背面都与样品台固定，进行EBSD面扫描，获得图像数据；

(6)EBSD数据分析：对所述图像数据进行处理和分析，完成表征。

上述步骤中：步骤(1)中采用手工锯截取试样产生的热量小，对腐蚀产物膜截面的组织特征不会有影响，也不会引入其他杂质。当腐蚀产物膜致密且与基体结合强度较高时，可以先截取试样之后再镶嵌，对于样品截取处被轻微破坏的腐蚀产物膜可以在磨制时磨除；若腐蚀产物膜疏松且与基体结合强度较弱时，则需先将样品整体镶嵌后再截取试样，以保护腐蚀产物膜的完整性；

使用透明的环氧树脂类冷镶剂和固化剂以及适量的Cu粉或Ni粉混合后形成的冷镶料来镶嵌截面试样，由于冷镶料本身具有的固定作用可以对腐蚀产物膜结构起到保护作用，同时适量的Cu粉或Ni粉可以增强镶嵌强度以及镶料的导电性；本申请中不宜使用热镶法对带腐蚀产物膜的截面试样进行镶嵌，原因在于腐蚀产物膜在热镶高温条件下(150～200℃)可能会发生分解；如腐蚀产物膜为碳酸亚铁(FeCO

步骤(1)中镶嵌的圆形塑料管模具高度要与截取试样的高度基本持平，将圆形塑料管模具固定在表面粘有双面胶的玻璃板上，并压实以防冷镶料从底部漏出，同时将截取试样固定在圆形塑料管模具的中心位置；之后将冷镶料缓慢倒入圆形塑料管模具中，确保不融入气泡，以使冷镶料完全包裹截面试样，充分保护腐蚀产物膜的完整性。

所述步骤(2)中，截面试样表面使用的碳化硅水砂纸粗粒度从高到低顺序依次为360目、800目、1500目、2000目、2500目，砂纸粗细过渡比较平缓，并且最终磨制的砂纸粗粒度较低，这样可以避免破坏腐蚀产物膜，并一定程度上减薄磨制过程中产生的应力层厚度，以提高振动抛光的制样效率；制备完成的截面试样最终高度在5～6mm，这种高度范围可以确保试样截取时被轻微破坏的腐蚀产物膜被完全磨除，进而获得完整的腐蚀产物膜截面；还能够确保制备的截面试样不会因高度过大而误撞EBSD探头；

抛光时使用呢绒面料抛光布在金相抛光机上对带腐蚀产物膜样品的截面试样进行两次抛光，转速为500rpm左右，先使用粒度为1.5μm的金刚石研磨膏进行粗抛光，去除截面试样上的粗大划痕；之后再使用粒度为0.5μm的金刚石研磨膏进行精细抛光，以去除截面试样上未去除的细小划痕。抛光时间不宜过长，以避免破坏腐蚀产物膜；在每一次试样抛光结束前，用酒精冲洗所述试样的抛光位置，使所述试样抛光面上残留的抛光膏和抛光痕迹冲洗掉，以便更清晰的观察所述试样的抛光效果。

步骤(3)中，振动抛光机的振幅设定为7000Hz，振动抛光3小时后，将截面试样取出后观察截面试样的振动抛光效果，若截面试样表面有呈现微波纹状的松弛特征，则振动效果良好；若没有，可以适当延长振动抛光时间，一般不超过4小时。除此之外，也可根据需要选定其他适当的振动抛光工作参数，具体可根据样品情况而定；振动抛光完成后应立即将试样浸泡于盛有无水乙醇的烧杯中，避免抛光液风干于样品表面；之后将试样放入超声波清洗机清洗，以尽量去除溶入截面试样腐蚀产物膜中的振动抛光液；步骤(2)、(3)中吹干方法为用吹风机的冷风吹干。

步骤(4)中，在带腐蚀产物膜截面试样的表面喷镀一层厚度范围在10～30nm的碳导电层，这样可以使带腐蚀产物膜截面试样的冷镶料和腐蚀产物膜具有良好的导电性，提高上述制备样品的EBSD信号采集率。若碳导电层太薄，电子会在样品表面富集出现放电情况，影响花样采集；太厚则会减弱背散射电子信号，降低识别率。

步骤(5)中，用导电胶将截面试样的表面和背面都与样品台固定，以增强带腐蚀产物膜截面试样的导电性，进而提高EBSD的扫描速度和信号质量；之后把试样放入热场发射扫描电镜样品室内，获得清晰图像；选择试样基体和腐蚀产物膜中存在的晶体学结构，设定EBSD工作参数：加速电压工作范围20～25kV，探针电流工作范围10～15nA；具体的EBSD工作参数根据试样的衍射花样信号质量来选定，本申请中优选的EBSD工作参数：加速电压25kV，探针电流15nA，采用“大电流大电压”，可以加快样品的扫描速度，同时增强衍射花样信号质量。选定腐蚀产物膜的分析区域，采集图像数据。设定扫描步长不超过平均晶粒尺寸的1/10，选定区域扫描时，应避免EBSD全视场面的四个边缘区域，这样可以增强EBSD衍射花样的信号质量。

步骤(6)中，将图像数据进行降噪处理，得到修正后的扫描结果；再进一步对所述扫描结果的特征信息进行定性和定量的表征分析。

本发明的有益技术效果：

该方法提高了采用EBSD技术表征带腐蚀产物膜截面试样的效率和成功率。在后续的EBSD面扫描中，利用已有的腐蚀产物膜晶体学参数，使用专业EBSD系统采集试样腐蚀产物膜的显微形貌、相组成、晶粒尺寸、晶粒取向等信息，用于对材料的腐蚀产物膜进行一系列定性/定量的表征，对研究腐蚀产物膜的演变过程具有重要意义。本发明试样制备过程中所花费的经济成本较低，适宜进行推广应用。本发明不仅满足带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样检测要求，同时满足腐蚀产物膜截面形貌的微观观察。与目前腐蚀产物膜截面微观形貌的制样方法所表征的图片相比，本发明制备的试样可以更直观清晰的观察到腐蚀产物膜内部以及与基体交界处的腐蚀特征。

附图说明

图1为本发明所述截面试样制备方法的流程示意图，

图2是实施例1中镶嵌后带腐蚀产物膜截面试样的示意图，

图3是实施例1中制备完成后截面试样固定在样品台上的示意图，

图4是本发明实施例1中无碳化物贝氏体钢腐蚀产物膜和基体交界处的相分布图，

图5是本发明实施例2中30CrMoA合金钢腐蚀产物膜和基体交界处的相分布图。

具体实施方式

下面结合两个实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一种带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样制备方法，具体步骤如下：

无碳化物贝氏体钢带腐蚀产物膜的截面试样是在模拟油田环境下(3.5％的NaCl溶液，实验温度：80摄氏度，试验压力：2MPa的CO

具体技术步骤为：

利用手工锯截取无碳化物贝氏体钢腐蚀后样品中间部位高度约10mm的试样，采用冷镶料对截取试样进行镶嵌，如图2所示。截面试样的背面在360目砂纸下进行粗磨，使得金属样品露出，增强样品与样品台间的导电性。利用360目、800目、1500目、2000目、2500目的砂纸打磨无碳化物贝氏体钢截面试样表面，每次用不同号的砂纸磨制时间为1～2min，每换一次砂纸将试样沿同一方向旋转90度，将上一号的砂纸留下的划痕磨掉，并且最终磨制的砂纸粗粒度较低，这样可以避免破坏腐蚀产物膜，并一定程度上减薄磨制过程中产生的应力层厚度，以提高振动抛光的制样效率；磨制过程中使用水作为润滑并去除污染物，最终试样的高度在5～6mm。

使用呢绒面料抛光布在金相抛光机上对无碳化物贝氏体钢截面试样进行两次机械抛光，转速为500rpm左右。先使用粒度为1.5μm的金刚石研磨膏进行粗抛光，去除截面试样上的粗大划痕；之后再使用粒度为0.5μm的金刚石研磨膏进行精细抛光，以去除截面试样上未去除的细小划痕。在每一次无碳化物贝氏体钢截面试样抛光结束前，用酒精冲洗无碳化物贝氏体钢截面试样的抛光位置，使无碳化物贝氏体钢截面试样抛光面上残留的抛光膏和抛光痕迹冲洗掉，以便更清晰的观察所述试样的抛光效果。

将抛光好的无碳化物贝氏体钢截面试样放到振动抛光机内进行振动抛光，振动抛光的工艺参数设定为：振幅为70％(7000Hz)，施加载荷500g，振动时间为3h。用无水乙醇冲洗完成振动抛光的无碳化物贝氏体钢截面试样表面，之后立即泡在盛有无水乙醇烧杯中放入超声波清洗机清洗，并用吹风机冷风吹干。

对磨制和抛光后的无碳化物贝氏体钢截面试样做导电处理，在截面试样的表面喷镀一层厚度约为10nm的碳导电层。

将制备好的无碳化物贝氏体钢截面试样用导电胶固定在样品台上，如图3所示，然后放入热场发射扫描电镜的样品室。电镜的工作参数设定为：加速电压25kV，探针电流15nA。待使用扫描电镜SEM获得清晰的表面图像后，将EBSD衍射花样收集探头伸入样品室，之后使用Aztec软件的EBSD模块进行图像数据采集，并在相数据库中选择无碳化物贝氏体基体和腐蚀产物膜中的三种晶体学结构：贝氏体铁素体为体心立方晶体、残余奥氏体为面心立方晶体、碳酸亚铁为菱方六面体，依次对应的相名称为Fe-BCC、Fe-FCC和Siderite。将图像放大至1000倍，选取扫描区域，步长尺寸设定为0.15μm，开始采集数据。

使用Channel 5数据处理软件对EBSD图像结果进行降噪和数据处理，利用取向成像技术将EBSD面扫描结果得到的贝氏体、残余奥氏体、碳酸亚铁这三种晶体结构进行定性和定量分析。该实施例中得到的EBSD数据相分布图如图4所示，其中深灰色表示贝氏体铁素体，黑色表示残余奥氏体，浅灰色表示碳酸亚铁。

实施例2

一种带腐蚀产物膜样品的EBSD截面试样制备方法，具体步骤如下：

30CrMoA合金钢带腐蚀产物膜的截面试样是在模拟油田环境下(3.5％的NaCl溶液，实验温度：80摄氏度，试验压力：2MPa的CO

具体技术步骤为：

利用手工锯截取30CrMoA合金钢腐蚀后样品中间部位高度约10mm的试样，采用冷镶料对截取试样进行镶嵌，如图2所示。截面试样的背面在360目砂纸下进行粗磨，使得金属样品露出，增强样品与样品台间的导电性。利用360目、800目、1500目、2000目、2500目的砂纸打磨30CrMoA合金钢截面试样表面，每次用不同号的砂纸磨制时间为1～2min，每换一次砂纸将试样沿同一方向旋转90度，将上一号的砂纸留下的划痕磨掉，并且最终磨制的砂纸粗粒度较低，这样可以避免破坏腐蚀产物膜，并一定程度上减薄磨制过程中产生的应力层厚度，以提高振动抛光的制样效率；磨制过程中使用水作为润滑并去除污染物，最终试样的高度在5～6mm。

使用呢绒面料抛光布在金相抛光机上对30CrMoA合金钢截面试样进行两次机械抛光，转速为500rpm左右。先使用粒度为1.5μm的金刚石研磨膏进行粗抛光，去除截面试样上的粗大划痕；之后再使用粒度为0.5μm的金刚石研磨膏进行精细抛光，以去除截面试样上未去除的细小划痕。在每一次30CrMoA合金钢截面试样抛光结束前，用酒精冲洗30CrMoA合金钢截面试样的抛光位置，使30CrMoA合金钢截面试样抛光面上残留的抛光膏和抛光痕迹冲洗掉，以便更清晰的观察所述试样的抛光效果。

将抛光好的30CrMoA合金钢截面试样放到振动抛光机内进行振动抛光，振动抛光的工艺参数设定为：振幅为70％(7000Hz)，施加载荷500g，振动时间为4h。用无水乙醇冲洗完成振动抛光的30CrMoA合金钢截面试样表面，之后立即泡在盛有无水乙醇烧杯中放入超声波清洗机清洗，并用吹风机冷风吹干。

对磨制和抛光后的30CrMoA合金钢截面试样做导电处理，在截面试样的表面喷镀一层厚度约为10nm的碳导电层。

将制备好的30CrMoA合金钢截面试样用导电胶固定在样品台上，如图3所示，然后放入热场发射扫描电镜的样品室。电镜的工作参数设定为：加速电压25kV，探针电流15nA。待使用扫描电镜SEM获得清晰的表面图像后，将EBSD衍射花样收集探头伸入样品室，之后使用Aztec软件的EBSD模块进行图像数据采集，并在相数据库中选择30CrMoA合金钢基体和腐蚀产物膜中的三种晶体学结构：铁素体为体心立方晶体、渗碳体为复杂的斜方晶体、碳酸亚铁为菱方六面体，依次对应的相名称为Fe-BCC、Fe

使用Channel 5数据处理软件对EBSD图像结果进行降噪和数据处理，利用取向成像技术将EBSD面扫描结果得到的铁素体、渗碳体、碳酸亚铁这三种晶体结构进行定性和定量分析。该实施例中得到的EBSD数据相分布图如图5所示，其中深灰色表示铁素体，黑色表示渗碳体，浅灰色表示碳酸亚铁。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围，以上实施案例的说明可用来帮助理解本发明的原理及方法。但是以上实施案例并不唯一，不应理解为对本发明的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明原理和方法，可在具体实施方式及应用范围上进行灵活的改变。