掃描電鏡在鋼鐵產品研究和生產實踐中的應用

張愛梅

（寶鋼集團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及研究領域一種主要的檢測分析儀器，其特點是可直接對斷口形貌進行觀察，無須破壞斷口，對斷裂部位進行最直接的原因分析，是其它檢測儀器無法替代的，因此常用于失效分析。同時，在檢測過程中，配合能譜儀對試樣直接進行微區成分分析，對試樣中的夾雜物、異物可直接進行定性、定量分析。目前，掃描電鏡結合能譜儀，主要應用于材料斷口分析、微區成分分析、層厚測量、顯微組織形貌以及鋼鐵產品質量與缺陷分析等方面。

2 掃描電鏡及能譜儀的特點

2.1 掃描電鏡的特點

掃描電鏡是一個復雜的系統，濃縮了電子光學技術、真空技術、精細機械結構以及現代計算機控制技術。它是在加速高壓作用下將電子槍發射的電子經過多級電磁透鏡匯集成細小（直徑一般為1～5nm）的電子束,在末級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產生二次電子、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），將各種探測器收集到的信息按順序、成比率地轉換成視頻信號，再傳送到同步掃描的顯像管并調制其亮度，就可以得到一個反應試樣表面狀況的掃描圖像[1]。掃描電鏡的主體結構如圖1所示。

掃描電鏡彌補了光學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，又有介于光學顯微鏡和透射顯微鏡之間的性能指標，具備樣品制備簡單、放大倍率連續可調、景深大、分辨本領高等特點，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，同時它的自由度大，可對試樣作三維移動，試樣制作簡單，表面無需進行特別處理。

2.2 X射線能譜儀特點

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

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

目前掃描電鏡都配有X射線能譜儀，收集譜線時一次即可得到可測的全部元素，因而分析速度快。另外，在掃描電鏡所觀察的微觀領域中，一般并不要求所測成分具有很高的精確度，并且其無標樣分析的精確度能勝任常規研究工作。能譜儀主要是用來分析材料表面微區的成分，分析方式有定點定性分析、定點定量分析、夾雜物的成分分析，其特點是分析速度快，作為掃描電鏡的輔助工具，可在觀察形貌同時，進行微小區域的成分分析，提高了分析效率。

3 掃描電鏡ZEISSEVO-M18及能譜儀檢測分析應用實例

某鋼鐵企業2010年新近一臺帶能譜分析的掃描電鏡，型號為ZEISSEVO-M18，不需要空壓機和冷卻系統。工作距離范圍：2～140mm。放大倍數為5×～300,000×，可用粗調和細調的方式連續可變，具有放大倍數預置和自動補償功能。能譜分析儀為英國牛津OXFORD-INCA型。近幾年來，在斷口分析、組織分析、微小區域的成分分析及產品質量缺陷分析中發揮了重要的作用。

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主要可控制的性能指標，它是指對高低不平的試樣各部位能同時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。對于斷口試樣，只有景深大才能有效的觀察，而光學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

從掃描電鏡的擴展區斷口形貌來看（圖2），含鐵素體+珠光體組織－60℃低溫斷口為解理和準解理形態；而不含珠光體的針狀鐵素體組織的斷口則以準解理為主，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，具有較高的阻止裂紋擴展的能力。

同一化學成分下，工藝制度不同可產生不同的微觀組織，這將引起沖擊性能的不同。因此在實際生產高級別管線鋼過程中，用兩階段控制軋制和強制加速冷卻工藝。粗軋階段，在高溫奧氏體區進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晶區進行六道次連續軋制，可使奧氏體晶粒充分壓扁，并在晶粒內部形成滑移帶。再通過強制加速冷卻過程，使變形奧氏體在中溫區發生針狀鐵素體轉變。此時變形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，使晶粒細化，保證獲得針狀鐵素體組織，從而得到高鋼級管線鋼所要求的高強度、高韌性和優良的焊接性能。

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金相法所難以比擬的優點：在掃描電鏡下,可以方便地從40～50000倍自由調節放大倍率,觀察到在普通光學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,擴大掃描電鏡在微觀分析中的應用范圍。圖3為82B片層珠光體雙相結構組織，一般在光學顯微鏡500倍下，其片層結構很難分辨，在掃描電鏡下，其鐵素體和滲碳體的片層結構清晰可見。

圖3 掃描電鏡下的82B珠光體片層形貌

82B主要為索氏體，不應有馬氏體、網狀滲碳體及對性能有害的組織。組織對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盤條要求不經過熱處理可以直接進行高速、連續、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】,同時盡可能地避免馬氏體組織的出現,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定的孔型系統中完成的，變形條件基本固定，各道次的變形參數已確定，主要是通過對軋制溫度的控制即控溫軋制來實現的。控溫軋制的主要目的是細化晶粒：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大；通過對精軋后線材的急劇水冷，達到所設定的吐絲溫度，不僅可以將形變奧氏體迅速轉變成過冷奧氏體，為組織轉變作好充分準備，同時也控制了過冷奧氏體晶粒尺寸。實際生產中，通過對不同的高線吐絲溫度下組織的對比分析，確定82B生產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，同時快速通過珠光體相變區，進入索氏體相變區.并在索氏體相變區充分完成奧氏體的相變，索氏體含量達到85%以上,且無馬氏體和滲碳體組織,表明此時的組織為最佳的索氏體組織。

3.3 B510L及J55鋼定點成分分析及應用

3.3.1 微區定點分析應用

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

B510L是熱軋汽車鋼中的主要牌號之一，主要用于制造汽車縱梁、橫梁、前后車橋、保險杠等結構件，需要承受一定的負荷，要求鋼板良好的冷沖壓成型性、對夾雜物級別有一定的要求，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果。

圖4（a）為汽車大梁用鋼B510L中條狀夾雜物形貌，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果看，該條狀夾雜物為MnS、FeS的夾雜物。此類夾雜對B510L沖壓成型有很大的影響，在實際生產中應嚴格控制S含量，避免此類夾雜。

圖4 B510L中條狀夾雜電鏡-能譜分析

J55鋼級是美國石油協會API 5CT標準中的一個石油套管鋼級，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,主要是在焊縫區域出現大尺寸夾雜，用掃描電鏡-能譜儀對上述夾雜物進行分析，夾雜物能譜分析結果見圖5。

圖5 J55中大顆粒復合夾雜物夾雜電鏡-能譜分析

3.3.2 在面掃描方面的應用

在分析的過程中，經常發現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，使用點采集進行譜分析時，在采集點少的情況下，往往不能真正反映出夾雜物的全部組成，而采用區域采集方法則可以彌補這一不足。區域采集可以將選定區域內的所有點組合建立一個有代表性的譜線，從而反映出夾雜物的組成情況，提供準確的分析信息。B510L熱軋卷板表面偶爾會出現卷渣缺陷，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，選定區域為劃定的矩形框，圖6（b）為矩形框內的合成譜，圖6（c）為區域成分。

圖6 區域采集形貌和能譜圖

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

3.4 熱軋卷板翹皮缺陷分析的實際應用

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。通過檢測分析，判斷產品質量缺陷及其產生的原因。如連鑄坯裂紋、氣泡、中心縮孔；板坯過燒導致的晶界氧化；軋制過程造成的機械劃傷、折疊、氧化鐵皮壓入。翹皮缺陷是普通碳鋼熱軋板主要發生缺陷之一，在煉鋼和軋鋼環節均可產生。利用金相顯微鏡和掃描電鏡手段，根據翹皮缺陷皮處的能譜分析結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象,主要為Si、Mn的氧化顆粒(圖7)。其對應的熱軋工序中,連鑄板坯熱軋前需經過加熱爐加熱,并且保溫一定時間,如果連鑄板坯表面或邊角部位有裂紋或者開裂現象,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等易氧化元素會出現不同程度的氧化,因而在氧化鐵皮周圍出現了二次氧化現象。進入熱軋工序,連鑄板坯表面裂紋和加熱爐中產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現翹皮皮下有夾渣成分出現(圖8)。造成這種情況的原因為結晶器水口的保護渣被卷入鑄坯的內表層,經熱軋軋輥反復多次軋制碾壓后,保護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）成分分析發現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。鋼坯在進入熱軋工序前需要進入表面除鱗工序,除鱗效果不徹底，鋼坯表面或邊角部位會殘留有高溫氧化鐵,經后續軋制過程軋輥碾壓而進入熱軋板次表層,形成表面翹皮缺陷。

通過翹皮缺陷皮處的能譜分析，可以進一步判斷出引起熱軋板表面翹皮缺陷的原因，為現場生產操作提供分析依據。在煉鋼過程中，采取了穩定拉速、減少液位波動、加強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,結合優化粗軋壓下制度,基本上消除了由軋制過程引起的翹皮缺陷。

4 結束語

掃描電子顯微鏡的樣品制備簡單、放大倍率連續可調、景深大、分辨本領高等特點，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，進行微小區域的成分分析，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,同時得到成分信息和晶體學的信息，在判斷鋼鐵材料中夾雜物的種類，根據異常斷口形態判斷可能的失效原因等方面具有很強的優勢，掃描電流必將在鋼鐵材料工藝研究和品種開發等方面發揮更大的作用。

[1]陳世樸.金屬電子顯微分析［M］,北京：機械工業出版社，1992.

[2]王國紅，宗斌，魏建忠.碳鋼盤條中珠光體類型組織的區分和判定[J].冶金標準化與質量,2005,43(4):13～16.