掃描電鏡在鋼鐵產(chǎn)品研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

張愛梅

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部）

1 前言

掃描電鏡及能譜儀是材料檢測(cè)及研究領(lǐng)域一種主要的檢測(cè)分析儀器，其特點(diǎn)是可直接對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察，無須破壞斷口，對(duì)斷裂部位進(jìn)行最直接的原因分析，是其它檢測(cè)儀器無法替代的，因此常用于失效分析。同時(shí)，在檢測(cè)過程中，配合能譜儀對(duì)試樣直接進(jìn)行微區(qū)成分分析，對(duì)試樣中的夾雜物、異物可直接進(jìn)行定性、定量分析。目前，掃描電鏡結(jié)合能譜儀，主要應(yīng)用于材料斷口分析、微區(qū)成分分析、層厚測(cè)量、顯微組織形貌以及鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量與缺陷分析等方面。

2 掃描電鏡及能譜儀的特點(diǎn)

2.1 掃描電鏡的特點(diǎn)

掃描電鏡是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，濃縮了電子光學(xué)技術(shù)、真空技術(shù)、精細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。它是在加速高壓作用下將電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過多級(jí)電磁透鏡匯集成細(xì)?。ㄖ睆揭话銥?～5nm）的電子束,在末級(jí)透鏡上方掃描線圈的作用下，使電子束在試樣表面做光柵掃描，入射電子與試樣相互作用會(huì)產(chǎn)生二次電子、背散射電子、X射線等各種信息。這些信息的二維強(qiáng)度分布隨試樣表面的特征而變（這些特征有表面形貌、成分、晶體取向、電磁特性等），將各種探測(cè)器收集到的信息按順序、成比率地轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，再傳送到同步掃描的顯像管并調(diào)制其亮度，就可以得到一個(gè)反應(yīng)試樣表面狀況的掃描圖像[1]。掃描電鏡的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

掃描電鏡彌補(bǔ)了光學(xué)顯微鏡和透射電鏡的某些不足，它既可以直接觀察大塊樣品，又有介于光學(xué)顯微鏡和透射顯微鏡之間的性能指標(biāo)，具備樣品制備簡(jiǎn)單、放大倍率連續(xù)可調(diào)、景深大、分辨本領(lǐng)高等特點(diǎn)，是觀察樣品表面的有效工具，尤其適合于觀察粗糙的表面，如金屬斷口等。由于景深大，掃描電鏡圖象的三維立體感強(qiáng)，同時(shí)它的自由度大，可對(duì)試樣作三維移動(dòng)，試樣制作簡(jiǎn)單，表面無需進(jìn)行特別處理。

2.2 X射線能譜儀特點(diǎn)

X射線能譜儀分析原理：在高能量電子束照射下，樣晶原子受激發(fā)產(chǎn)生特征x射線，不同元素所產(chǎn)生的x射線一般都不同，所以相應(yīng)的X射線光子能量就不同。

通常存在以下關(guān)系：E=h C／A。式中：E為子能量；h為普朗克常數(shù)；C為光速；A為特征X射線波長(zhǎng)。可以看出，只要能通過某種探測(cè)器測(cè)出X射線光子的能量，就可以找到相的元素。這就是對(duì)進(jìn)行定性和定量分析的理論基礎(chǔ)。

目前掃描電鏡都配有X射線能譜儀，收集譜線時(shí)一次即可得到可測(cè)的全部元素，因而分析速度快。另外，在掃描電鏡所觀察的微觀領(lǐng)域中，一般并不要求所測(cè)成分具有很高的精確度，并且其無標(biāo)樣分析的精確度能勝任常規(guī)研究工作。能譜儀主要是用來分析材料表面微區(qū)的成分，分析方式有定點(diǎn)定性分析、定點(diǎn)定量分析、夾雜物的成分分析，其特點(diǎn)是分析速度快，作為掃描電鏡的輔助工具，可在觀察形貌同時(shí)，進(jìn)行微小區(qū)域的成分分析，提高了分析效率。

3 掃描電鏡ZEISSEVO-M18及能譜儀檢測(cè)分析應(yīng)用實(shí)例

某鋼鐵企業(yè)2010年新近一臺(tái)帶能譜分析的掃描電鏡，型號(hào)為ZEISSEVO-M18，不需要空壓機(jī)和冷卻系統(tǒng)。工作距離范圍：2～140mm。放大倍數(shù)為5×～300,000×，可用粗調(diào)和細(xì)調(diào)的方式連續(xù)可變，具有放大倍數(shù)預(yù)置和自動(dòng)補(bǔ)償功能。能譜分析儀為英國(guó)牛津OXFORD-INCA型。近幾年來，在斷口分析、組織分析、微小區(qū)域的成分分析及產(chǎn)品質(zhì)量缺陷分析中發(fā)揮了重要的作用。

3.1 X70管線鋼斷口形貌觀察及軋制工藝

景深是掃描電鏡一個(gè)主要可控制的性能指標(biāo)，它是指對(duì)高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦最大限度的能力。由于景深大，掃描電鏡圖象的三維立體感強(qiáng)。對(duì)于斷口試樣，只有景深大才能有效的觀察，而光學(xué)顯微鏡往往由于景深小而不能勝任。圖2是X70管線鋼不同的顯微組織下－60℃的沖擊斷口形貌，（a）為鐵素體＋珠光體＋部分針狀鐵素體(記為F＋P),(b)為針狀鐵素體與少量的M－A組織（記為AF）。

圖2 X70不同組織－60℃沖擊斷口SEM形貌

從掃描電鏡的擴(kuò)展區(qū)斷口形貌來看（圖2），含鐵素體+珠光體組織－60℃低溫?cái)嗫跒榻饫砗蜏?zhǔn)解理形態(tài)；而不含珠光體的針狀鐵素體組織的斷口則以準(zhǔn)解理為主，并含有較多撕裂脊和少量的韌窩，比鐵素體+珠光體含組織的試樣具有更高的韌性。從斷口可以看出針狀鐵素體組織具有高的沖擊韌性，特別是裂紋擴(kuò)展功的提高有助于提高材料的止裂性能，是材料斷裂控制的重要性能。因此也說明了針狀鐵素體不易裂紋失穩(wěn)，具有較高的阻止裂紋擴(kuò)展的能力。

同一化學(xué)成分下，工藝制度不同可產(chǎn)生不同的微觀組織，這將引起沖擊性能的不同。因此在實(shí)際生產(chǎn)高級(jí)別管線鋼過程中，用兩階段控制軋制和強(qiáng)制加速冷卻工藝。粗軋階段，在高溫奧氏體區(qū)進(jìn)行多道次大變形量軋制，可以使奧氏體晶粒充分破碎。精軋階段在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行六道次連續(xù)軋制，可使奧氏體晶粒充分壓扁，并在晶粒內(nèi)部形成滑移帶。再通過強(qiáng)制加速冷卻過程，使變形奧氏體在中溫區(qū)發(fā)生針狀鐵素體轉(zhuǎn)變。此時(shí)變形γ 的晶界和滑移帶為針狀鐵素體形成提供了大量形核位置，使晶粒細(xì)化，保證獲得針狀鐵素體組織，從而得到高鋼級(jí)管線鋼所要求的高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良的焊接性能。

3.2 82B組織的觀察及軋制溫度的影響

掃描電鏡下的組織分析具有光學(xué)金相法所難以比擬的優(yōu)點(diǎn)：在掃描電鏡下,可以方便地從40～50000倍自由調(diào)節(jié)放大倍率,觀察到在普通光學(xué)金相顯微鏡下所不可能看到的材料的立體圖像，可以更有效地分析金屬材料的微觀組織,擴(kuò)大掃描電鏡在微觀分析中的應(yīng)用范圍。圖3為82B片層珠光體雙相結(jié)構(gòu)組織，一般在光學(xué)顯微鏡500倍下，其片層結(jié)構(gòu)很難分辨，在掃描電鏡下，其鐵素體和滲碳體的片層結(jié)構(gòu)清晰可見。

圖3 掃描電鏡下的82B珠光體片層形貌

82B主要為索氏體，不應(yīng)有馬氏體、網(wǎng)狀滲碳體及對(duì)性能有害的組織。組織對(duì)軋制過程中溫度及冷卻的控制提出了要求。由高碳鋼線材的用途和深加工要求可知，82B盤條要求不經(jīng)過熱處理可以直接進(jìn)行高速、連續(xù)、大壓縮率(總壓縮率85%)的拉拔，因此要求盤條索氏體化率較高，在85%以上，要求盡量減少滲碳體組織的析出【2】,同時(shí)盡可能地避免馬氏體組織的出現(xiàn),以得到單一的索氏體組織圖3所示。

由于高線盤條的軋制是在規(guī)定的孔型系統(tǒng)中完成的，變形條件基本固定，各道次的變形參數(shù)已確定，主要是通過對(duì)軋制溫度的控制即控溫軋制來實(shí)現(xiàn)的?？販剀堉频闹饕康氖羌?xì)化晶粒：通過低溫開軋，可以控制原始奧氏體晶粒的尺寸；通過降低終軋溫度，可以阻止形成奧氏體晶粒長(zhǎng)大；通過對(duì)精軋后線材的急劇水冷，達(dá)到所設(shè)定的吐絲溫度，不僅可以將形變奧氏體迅速轉(zhuǎn)變成過冷奧氏體，為組織轉(zhuǎn)變作好充分準(zhǔn)備，同時(shí)也控制了過冷奧氏體晶粒尺寸。實(shí)際生產(chǎn)中，通過對(duì)不同的高線吐絲溫度下組織的對(duì)比分析，確定82B生產(chǎn)的吐絲溫度不宜超過880℃，吐絲后快速冷卻，加大奧氏體的過冷度，使線材索氏體化程度提高。也就是使盤條冷卻過程避開滲碳體析出區(qū)，同時(shí)快速通過珠光體相變區(qū)，進(jìn)入索氏體相變區(qū).并在索氏體相變區(qū)充分完成奧氏體的相變，索氏體含量達(dá)到85%以上,且無馬氏體和滲碳體組織,表明此時(shí)的組織為最佳的索氏體組織。

3.3 B510L及J55鋼定點(diǎn)成分分析及應(yīng)用

3.3.1 微區(qū)定點(diǎn)分析應(yīng)用

在對(duì)試樣上的夾雜物進(jìn)行基本形貌觀察的同時(shí)，可利用X衍射線能譜儀對(duì)夾雜物上感興趣的部位進(jìn)行分析。首先可以采用點(diǎn)采集，就是在夾雜物的任意位置點(diǎn)擊并采集該點(diǎn)的譜線進(jìn)行分析，同時(shí)可對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行定量分析。

B510L是熱軋汽車鋼中的主要牌號(hào)之一，主要用于制造汽車縱梁、橫梁、前后車橋、保險(xiǎn)杠等結(jié)構(gòu)件，需要承受一定的負(fù)荷，要求鋼板良好的冷沖壓成型性、對(duì)夾雜物級(jí)別有一定的要求，確定夾雜物的分析很重要。圖4為B510L夾雜物形貌能譜及定量分析結(jié)果。

圖4（a）為汽車大梁用鋼B510L中條狀?yuàn)A雜物形貌，圖4（b）為夾雜物上十字叉部位的譜線，從譜線及定量分析結(jié)果看，該條狀?yuàn)A雜物為MnS、FeS的夾雜物。此類夾雜對(duì)B510L沖壓成型有很大的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制S含量，避免此類夾雜。

圖4 B510L中條狀?yuàn)A雜電鏡-能譜分析

J55鋼級(jí)是美國(guó)石油協(xié)會(huì)API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)石油套管鋼級(jí)，其廣泛使用在石油和天然氣的開采中,J55熱軋鋼帶制管后存在的主要問題制管后的探傷不合格,主要是在焊縫區(qū)域出現(xiàn)大尺寸夾雜，用掃描電鏡-能譜儀對(duì)上述夾雜物進(jìn)行分析，夾雜物能譜分析結(jié)果見圖5。

圖5 J55中大顆粒復(fù)合夾雜物夾雜電鏡-能譜分析

3.3.2 在面掃描方面的應(yīng)用

在分析的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于夾雜物形成過程不同，其不同位置的成分大不相同的。因此，使用點(diǎn)采集進(jìn)行譜分析時(shí)，在采集點(diǎn)少的情況下，往往不能真正反映出夾雜物的全部組成，而采用區(qū)域采集方法則可以彌補(bǔ)這一不足。區(qū)域采集可以將選定區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)組合建立一個(gè)有代表性的譜線，從而反映出夾雜物的組成情況，提供準(zhǔn)確的分析信息。B510L熱軋卷板表面偶爾會(huì)出現(xiàn)卷渣缺陷，為明確卷渣成分，采取面掃描能反映卷渣的組成，從中可以明確卷渣的主要成分為Al2O3，CaO。其中圖6（a）為形貌圖，選定區(qū)域?yàn)閯澏ǖ木匦慰?，圖6（b）為矩形框內(nèi)的合成譜，圖6（c）為區(qū)域成分。

圖6 區(qū)域采集形貌和能譜圖

利用帶能譜儀的掃描電鏡進(jìn)行的夾雜物定性、定量分析為煉鋼的技術(shù)人員研究冶煉、精煉、連鑄和軋材各個(gè)工藝過程鋼中夾雜物的變化，合理控制鋼中夾雜物和穩(wěn)定鋼材質(zhì)量提供依據(jù)。

3.4 熱軋卷板翹皮缺陷分析的實(shí)際應(yīng)用

由于掃描電鏡的分辨率和景深比電子探針高，可從新鮮斷口上獲得更為全面的信息。通過檢測(cè)分析，判斷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷及其產(chǎn)生的原因。如連鑄坯裂紋、氣泡、中心縮孔；板坯過燒導(dǎo)致的晶界氧化；軋制過程造成的機(jī)械劃傷、折疊、氧化鐵皮壓入。翹皮缺陷是普通碳鋼熱軋板主要發(fā)生缺陷之一，在煉鋼和軋鋼環(huán)節(jié)均可產(chǎn)生。利用金相顯微鏡和掃描電鏡手段，根據(jù)翹皮缺陷皮處的能譜分析結(jié)果可以判斷引起熱軋板表面翹皮缺陷的原因，一般分為三種情況。

（1）翹皮皮下成分分析有二次氧化現(xiàn)象,主要為Si、Mn的氧化顆粒(圖7)。其對(duì)應(yīng)的熱軋工序中,連鑄板坯熱軋前需經(jīng)過加熱爐加熱,并且保溫一定時(shí)間,如果連鑄板坯表面或邊角部位有裂紋或者開裂現(xiàn)象,加熱過程中這些縫隙中保留有少量空氣,鋼坯裂紋和空氣接觸,使得鋼坯中的Si、Mn等易氧化元素會(huì)出現(xiàn)不同程度的氧化,因而在氧化鐵皮周圍出現(xiàn)了二次氧化現(xiàn)象。進(jìn)入熱軋工序,連鑄板坯表面裂紋和加熱爐中產(chǎn)生的二次氧化被軋合而遺留在熱軋板表面,形成表面翹皮缺陷。

圖7 連鑄坯的角裂造成的翹皮

（2）翹皮缺陷成分分析發(fā)現(xiàn)翹皮皮下有夾渣成分出現(xiàn)(圖8)。造成這種情況的原因?yàn)榻Y(jié)晶器水口的保護(hù)渣被卷入鑄坯的內(nèi)表層,經(jīng)熱軋軋輥反復(fù)多次軋制碾壓后,保護(hù)渣上浮到熱軋板表面最終形成翹皮缺陷。

圖8 卷渣造成的翹皮

（3）成分分析發(fā)現(xiàn)翹皮處橫截面上僅有氧化鐵存在（圖9）。這種情況主要是在熱軋過程中造成的。鋼坯在進(jìn)入熱軋工序前需要進(jìn)入表面除鱗工序,除鱗效果不徹底，鋼坯表面或邊角部位會(huì)殘留有高溫氧化鐵,經(jīng)后續(xù)軋制過程軋輥碾壓而進(jìn)入熱軋板次表層,形成表面翹皮缺陷。

通過翹皮缺陷皮處的能譜分析，可以進(jìn)一步判斷出引起熱軋板表面翹皮缺陷的原因，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作提供分析依據(jù)。在煉鋼過程中，采取了穩(wěn)定拉速、減少液位波動(dòng)、加強(qiáng)連鑄輥的配列檢查和管理等措施，從而消除或減少熱板板卷由于連鑄板坯的缺陷造成翹皮缺陷；軋制工序上，主要采取了粗軋遮蔽措施,通過減少粗軋除鱗和軋輥冷卻水量,提高軋件邊角部溫度,結(jié)合優(yōu)化粗軋壓下制度,基本上消除了由軋制過程引起的翹皮缺陷。

4 結(jié)束語

掃描電子顯微鏡的樣品制備簡(jiǎn)單、放大倍率連續(xù)可調(diào)、景深大、分辨本領(lǐng)高等特點(diǎn)，是觀察樣品表面的有效工具。掃描電鏡配有X射線能譜儀，可在觀察形貌同時(shí)，進(jìn)行微小區(qū)域的成分分析，提高了分析效率。帶能譜分析的掃描電鏡在得到較好的試樣微觀組織形貌的前提下,同時(shí)得到成分信息和晶體學(xué)的信息，在判斷鋼鐵材料中夾雜物的種類，根據(jù)異常斷口形態(tài)判斷可能的失效原因等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，掃描電流必將在鋼鐵材料工藝研究和品種開發(fā)等方面發(fā)揮更大的作用。

[1]陳世樸.金屬電子顯微分析［M］,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2]王國(guó)紅，宗斌，魏建忠.碳鋼盤條中珠光體類型組織的區(qū)分和判定[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2005,43(4):13～16.