取向硅鋼超大高斯晶粒取向偏離角的X射線衍射測量

林子博, 劉建輝, 吳忠旺, 李一鳴, 金自力

(1.內蒙古科技大學 材料與冶金學院 內蒙古自治區新金屬材料重點實驗室, 包頭 014010；2.包頭三德電池材料有限公司, 包頭 014010)

硅鋼可分為無取向硅鋼和取向硅鋼兩類[1-4]。取向硅鋼主要用于定向磁場，在成分相似的情況下，取向硅鋼的磁感應強度幾乎只與高斯晶粒取向的偏離程度有關，即高斯晶粒取向越理想，其磁感應強度越大[5-7]。目前,測量晶面取向及偏離程度的方法包括：蝕坑法、X射線極圖法和電子背散射衍射技術(EBSD)[8-10]。蝕坑法是傳統的織構表征方法，其根據專門浸蝕劑腐蝕晶粒后的腐蝕坑形狀來判斷晶粒取向，優點是操作簡單易行，但不能準確地獲得織構類型，特別是偏離程度[11]。X射線極圖法原理是測量3個不完整極圖，進而得到取向分布函數，并能對織構組分進行定量分析，但其測試步驟較為復雜，需要專門配備歐拉環的X射線衍射儀，同時測試時間通常需要幾個小時[12]。EBSD同樣能夠得到晶粒的取向信息，其角分辨率可達0.2°，但其需要專門配備EBSD系統的掃描電子顯微鏡。同時，EBSD對樣品的要求非常嚴格，如要求樣品表面無應力層，對樣品機械拋光后再進行電解拋光或者振動拋光處理，過程較為復雜[13]。

作者介紹了一種適用于超大晶粒取向硅鋼的高斯晶粒取向偏離角的X射線衍射測量方法，提出了將試探法和探測器掃描法相結合的方式進行測量。

1 偏離角的X射線衍射測量方法

利用X射線衍射法(XRD)測量取向偏離角，目前認可的測量方法是非對稱的搖擺式掃描(見圖1)[14]。其原理是：將光管和探測器的角度固定為2θ，測試過程中兩者固定不動，在2ω的角度范圍內，從θ-ω掃描到θ+ω；在出現衍射峰處，光管的角度為θ1，入射線和衍射線的角平分線同試樣法線之間的夾角ω1即為取向的偏離角，可以簡單地通過ω1=|θ1-θ|來計算。

圖1 X射線衍射法非對稱搖擺式掃描原理示意

上述方法必須首先在Bragg-Brentano(稱簡B-B)衍射模式下，利用X射線衍射確定高斯晶粒取向(110)面的2θ角，否則無法設定光管和探測器之間的角度。如果高斯晶粒的(110)面相對樣品表面存在一定的取向偏離角度，那么在B-B衍射模式下將無法得到(110)面的衍射峰。這是因為，根據X射線布拉格衍射理論，入射線、衍射線和衍射晶面的法線必須在同一平面，且衍射晶面法線為入射線和衍射線的角平分線[15]。在B-B衍射模式下，入射線和衍射線始終保持相同角度的聯動，其角平分線始終同樣品表面法線重合，即只有平行于表面的(110)面才能發生衍射并產生衍射峰。

通常鋼鐵產品的晶粒尺寸僅有幾十微米，X射線照射面積內包含很多晶粒。由于取向分布的隨機性，總有一定晶粒的(110)面平行于試樣表面，從而能夠得到(110)面的2θ角。對于取向硅鋼，由于晶粒尺寸有幾十毫米，因此照射面積內可能僅包含數個或1個晶粒[16]，如圖2中的組織。如果大晶粒的(110)面偏離測試表面水平面一定角度，則上述B-B衍射模式將無法得到(110)面的衍射峰(即2θ角)。圖3為實際測試結果，在整個有效掃描范圍內均無法得到衍射結果。

圖2 取向硅鋼成品的毫米尺度晶粒形貌

圖3 無X射線衍射譜峰的實際情況

雖然以衍射數據庫中的硅鋼(110)面衍射2θ角為參照，但產品成分、工藝的差別，以及測試溫度和儀器誤差等均會引起晶胞參數變化，從而改變衍射角，增加測試誤差。如果實際樣品所用的標準衍射角過大，也會無法檢測出衍射譜線。

理論上，解決上述問題的方法為：① 選取同樣的樣品制備成粉末，測試粉末樣品(110)面的2θ角；② 選取相同成分、細晶的硅鋼樣品，測量其(110)面的2θ角。

方法①能夠準確得到2θ角，但增加了測試過程的復雜性，方法②不能準確獲得理想的2θ角。通常取向硅鋼中高斯晶粒的取向偏離為5°～10°[17]，因此上述偏差對最終取向偏離的影響不容忽視。

2 測量原理和儀器

2.1 測量原理

對于偏離表面的(110)面，產生衍射的條件是入射線同晶面的夾角為θ，入射線同衍射線的夾角為2θ，在未知偏離角β和θ的情況下，可以采用試探的方式，將光管角度設置在一定范圍內，探測器在一定角度范圍內掃描。如果能夠出現衍射峰，則可以同時獲得偏離角ψ和衍射角θ。

試探法探測器掃描過程及測得偏離角如圖4所示。將取向硅鋼放置在樣品臺中心位置后，將光管角度設置為θ0-α。其中θ0可以根據標準中α-Fe(110)晶面對應的衍射半角或類似成分硅鋼的試驗結果得到，該角度實際為預估的(110)晶面的衍射半角。高斯晶粒的偏差角通常為5°～10°，α通常也設置為5°～10°，這樣可以保證θ0-α一定在涵蓋(110)晶面衍射角度的半角范圍內。隨后采用探測器掃描的方式，使探測器在(θ0+α)-β至(θ0+α)+β的角度范圍內掃描。其中，β反映了實測樣品X射線衍射2θ角同預估角度2θ0之間可能存在偏差，且偏差通常不超過3°～5°。上述設置可以保證實際探測模式的角度大于預估的理論角度2θ0，從而在偏離情況下能夠準確探測出真實的衍射角度。

圖4 試探法探測器掃描過程及測得偏離角示意

記錄探測器掃描的衍射譜線后，重新調整光管固定的角度，將光管角度設置為θ0-α+Δθ1，其中Δθ1<α，設置該角度是為了在小偏離角度下進行試探。實際上，Δθ1為試探掃描的步長，在初期步長可設置為1°～2°，以提高測試速度。探測器在(θ0+α+Δθ1)-β至(θ0+α+Δθ1)+β的角度范圍內掃描。當探測器獲得的譜線中出現衍射峰后，繼續以間隔角度Δθ1逐漸增加光管角度并進行掃描，直到衍射峰的強度出現下降的趨勢，即停止掃描，可得到衍射強度最高時的光管角度θm1。

以衍射強度最高時的光管角度θm1為中心,將光管角度設置為θm1-Δθ1，進行對應角度范圍的掃描。依次增加光管的間隔角度Δθ2，并進行對應角度范圍的掃描。測試間隔的角度逐漸減小，即Δθ1>Δθ2，以保證測試精度逐漸提高。同理，得到衍射強度最高的光管角度θm2。

依此類推，以得到的衍射強度最高的光管角度θmn為中心,n為大于等于2的正整數，將光管角度設置為θmn-Δθn，進行對應角度范圍的掃描，依次增加光管的間隔角度Δθn+1，并進行對應角度范圍的掃描，Δθn>Δθn+1，從而得到衍射強度最高時的光管角度，最強衍射強度對應了最準確的衍射峰位。同時，逐漸減小測試間隔角度，以保證最高的精度。重復上述步驟，直至Δθn+1≤Δθr，其中Δθr為設定的偏離角分辨率，從而得到譜峰最高時的光管角度θt和探測器對應的角度θd。根據X射線衍射基本原理，可知衍射角2θ=θt+θd；入射線和衍射線夾角的半角θ=(180°-θt-θd)/2；偏離角ψ為入射線和衍射線的角平分線與試樣表面法線之間的夾角，ψ=(θd-θt)/2。由于也可能出現對稱位置的偏離，因此ψ=|(θd-θt)/2|。上述過程中，光管移動的間隔角度決定了偏離角的精確程度，例如測試中采用儀器的間隔角度可以精確到0.01°。

2.2 測量儀器

采用Bruker-D8 Advance型衍射儀進行測量，靶材采用銅靶，電壓為40 kV，電流為40 mA。測試樣品經過砂紙機械打磨清洗后，表面清潔平整。

EBSD采用ZEISS Sigma 300型電子顯微鏡對試樣進行取向分析，在點模式下獲得其歐拉角。將試樣用不同型號的砂紙進行打磨和拋光，最后進行電解拋光，電解拋光時試樣接電源正極，不銹鋼接負極，采用89%甲醇+10%乙酰丙酮+1%四甲基氯化銨(體積分數)溶液對試樣進行浸蝕，迅速取出試樣，用清水沖洗表面，再用無水乙醇清洗和吹干。

3 測量結果

試樣為冷軋退火后的取向硅鋼，根據XRD標準數據庫查得α-Fe(110)晶面在銅靶下對應的衍射角為44.8°，設置θ0為22°，α為5°，β為2°，Δθ1為2°，掃描速度v1為6 (°)/min，掃描步長s1為0.01°。

根據上述參數設定，進行第一輪的測試。光管的開始角度為17°，探測器掃查角度為25.8°～29.8°,序號為1-1;第二次掃查時光管的開始角度為19°，探測器掃查角度為23.8°～27.8°，序號為1-2。隨后的測試，依此類推。光管角度從17°開始，依次間隔2°，最終到27°時衍射峰強度開始降低，探測器掃查角度為23.8°～27.8°時的衍射譜線如圖5所示，最高峰時的掃查角度為25°。

圖5 探測器掃查角度為23.8°～27.8°時的衍射譜線

第二輪掃查中，以25°為中心，選擇Δθ2為0.5°，v1為6(°)/min，s1為0.01°，光管以開始角度為23.5°進行掃查。根據第一輪掃查的結果,將2θ進一步縮小至44.0°～45.5°，具體參數為表1中的2-1至2-5。探測器掃查角度為23.5°～25.5°時的衍射譜線如圖6所示，光管角度為23.5°～25.5°，其峰值出現在掃查角度為25°時。

表1 探測器掃描參數 (°)

圖6 探測器掃查角度為23.5°～25.5°時的衍射譜線

第三輪掃查中，以25°為中心，選擇Δθ3為0.2°，其他條件不變，光管開始角度為24.7°，具體參數為表1中的3-1至3-4。探測器掃查角度為24.7°～25.3°時的掃描衍射譜線如圖7所示，其峰值出現在掃查角度為24.9°時。這輪掃查中，得到譜峰最高時的光管角度θt為24.9°,探測器對應的角度θd為19.86°，由此確定(110)晶面衍射對應的衍射角為44.76°，該角度相對數據庫中的角度偏差了0.03°，同時得到取向偏離角ψ為2.5°。

圖7 探測器掃查角度為24.7°～25.3°時的衍射譜線

為了驗證上述結果，同時對相同樣品采用EBSD進行檢測。其中得到該晶粒的歐拉角為(4.8°,41.8°,87.5°),由歐拉角和取向矩陣之間的關系，可以得到實測的平行軋面的晶面指數[18]為(hkl)=(sinφ2sinφ,cosφ2sinφ,cosφ)，h,k,l分別為晶面指數；φ2為自轉角；φ為章動角。

立方晶系晶面之間的夾角[20]為

(1)

式中:θ為晶面夾角；k1,k2,h1,h2,l1,l2分別為晶面1和晶面2的指數。

同標準的高斯晶粒(110)面比較，經過歸一化后，(h2k2l2)=(0.707,0.707,0)。經計算得到的(h1k1l1)=(0.667,0.029,0.745)，考慮取向的等價性，調整為等價取向(0.667,0.745,0.029)。由式(1)計算可得兩者之間的夾角為3.4°，該數值同X射線衍射法的測試結果基本一致。采用X射線衍射法對樣品表面質量的要求更低，同時測試時間更短。

4 結語

介紹了一種利用X射線衍射探測器掃描探測超大高斯晶粒取向偏離角的方法，該方法能夠在超大晶粒取向硅鋼中同時獲得準確的衍射角度和取向偏離角度；采用光管間隔角度Δθ從大到小的設置思路，能夠以較快的方式獲得數據，該方法測量結果準確。