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 EDAX^® Clarity™ 直接电子检测器和 EDAX 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。

Figure 1. a) An image quality map of lower magnification region of interest. b) An inverse pole figure (IPF) orientation map measured with Hough indexing (HI) colored relative to the normal of the shot-peened surface. c) A phase map measured with HI, with the titanium alpha phase colored red and the titanium beta phase colored blue.

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。

Figure 2. a) An IPF orientation map measured with spherical indexing (SI) colored relative to the normal of the shot-peened surface. b) A phase map measured with SI, with the titanium alpha phase colored red and the titanium beta phase colored blue.

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。

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。

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。

Figure 5. a) An image quality map of the higher magnification region of interest. b) An IPF orientation map measured with HI. c) An IPF orientation map measured with SI. Indexing improvements observed relative to HI.

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。

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。