EBSD實驗的案例
晶體塑性每日文章推薦（十七）
文章doi：10.1016/j.actamat.2023.119103
文章通過原位EBSD實驗和晶體塑性有限元方法，研究了晶界遷移對局部變形的微觀影響機制，并進行了定量分析，作者的研究結果表明，晶界遷移不會改變激活的滑移系統，同時晶界遷移造成的應力下降與孔隙閉合造成應力下降的機理類似，并探討了GND造成的硬化，晶界遷移與材料拉伸行為的關聯機制。研究對于增材結構的缺陷探討具有較強的啟發意義。
作者的研究對象為316L合金,包含兩個不同溫度歷史的樣品。如下圖所示
原位的EBSD拉伸實驗結果示意圖
作者數值研究使用的本構模型
流動方程（熱激活）：
硬化模型（位錯理論）：
其中SSD的演化為：
gnd的計算：
基于L2范數最小化計算得到唯一解
材料參數為：
數值模型與實驗結果為：
研究得到的結論為：
（1）晶界遷移顯著緩解了孔隙周圍的應力集中（從1100 MPa到830 MPa），對3μm到1μm的孔隙閉合表現出等效的應力緩解效果
（2）晶粒取向效應（~50 MPa）對空隙附近應力減輕的影響明顯小于晶界遷移效應（~280 MPa）
推薦該文章的兩個原因是：
（一）文章的概念圖非常出色，同時思考問題很有工程意義。
（二）模型的數值方法計算GND和SSD以及熱激活流動非常易于數值實現，同時數值計算非常高效，并在晶體塑性研究中被廣泛用于。
展開 基于linux虛擬機的晶體塑性有限元計算平臺（已安裝damask和neper等） ￥100
之前lingzhi老師有講通過《基于EBSD實驗數據的晶體塑性有限元建模》，DAMASK也可以，通過mtex和其內部的轉化命令實現，現在還是限于二維和準三維（本人都有研究，如有需求可私信）；不過Dream3D（開源軟件）可以將EBSD數據進行處理直接輸出DAMASK模擬所需要的的幾何文件（這部分本人還沒有研究），也有和ABAQUS的接口輸出inp文件，感興趣的同學可以自行去搜索學習。
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展開 退火銅晶粒生長模型（熱力耦合），用于TSV、TGV填充晶粒演化（相場模擬） ￥99
結合電子背散射衍射（EBSD）實驗與耦合熱–力的多晶相場模擬，揭示電鍍 TXV-Cu 在退火過程中的晶粒演化行為及其對可靠性的影響;基于相場方法的退火晶粒演化模型，將溫度依賴的界面遷移率、界面能及熱膨脹效應納入描述框架，從而在數值模擬中再現 TXV-Cu 的微觀組織演變過程。該模型不僅能夠為實驗觀察提供理論支撐，還可進一步用于預測不同工藝參數下 TXV-Cu 的組織演化規律，為優化工藝與提升器件可靠性提供指導。
哈工大耿林教授團隊Acta Mater.：層狀結構在Ti-Al金屬層狀復合材料塑性改善中的作用
Ti層與Al層組織演化的實驗結果與模擬結果對比
上圖由EBSD實驗并基于Sachs模型和泰勒模型得到，拉伸方向與橫向平行。
圖14.裂紋和塑性變形對LMC塑性的貢獻
【小結】
原位中子衍射、原位DIC以及原位μ-CT共同揭示了層狀結構對LMC形變及斷裂行為的影響及其強韌化機理。研究發現層狀結構改變了LMC在形變過程中的應力狀態，其變形可分為三個階段（彈性階段、彈-塑性階段及塑性階段），變形階段的劃分與組元層的彈性模量、屈服強度及層狀結構參數密切相關。在變形不同階段均存在明顯的應力分區現象，盡管這種應力分區行為有利于改善Ti層與Al層間的變形協調性，但同時導致了界面處內應力的累積。此外，在層狀結構下，應變轉移行為能緩解Ti層的應變局域化，從而提高Ti的塑性。界面處的內應力累積和Ti層應變局域化都能促進裂紋過早在界面處形核，但這些裂紋的擴展受到了層狀結構的限制，這是LMC展現出高塑性的原因之一。文章不僅形象有力地揭示了層狀結構對LMC塑性改善的作用，而且為研究設計高性能LMC材料指明了新方向。
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金屬凝固過程組織結構演變的完美呈現 | 同步輻射在金屬材料表征方面的應用
于是多種層析技術應運而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認識和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時間和溫度場等。由于問題的復雜性，直到今天，人們也沒有完全認識和徹底呈現凝固過程中的微觀組織演化。
科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競爭力的手段。
何為同步輻射
在過去的幾年里，材料研究的前沿領域取得了迅速的進展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴大我們對材料前沿的基本理解。
中國第一臺第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過14億元
同步輻射是相對論和超相對論電子在磁場中旋轉產生的輻射，是高能天體物理學中的主要過程。它最初是在早期的電子感應加速器實驗中觀察到的，在實驗中電子首先被加速到超相對論能量，加速器發出強大X射線輻射。同步輻射的高亮度、高方向性和能量可變性使其具有不同于其它X射線源的特性，是材料科學研究和材料開發的重要工具。
圖1 同步輻射產生原理和使用方法
圖1說明了同步加速器產生同步輻射的概況。20世紀80年代使用的同步輻射是用彎曲的電磁鐵沿著圓形路徑彎曲離子而發出的。自20世紀90年代以來，一種被稱為波動器的磁路被用來主動振蕩電子路徑，創造了一種利用干涉效應提取強X射線的技術。
展開 晶體塑性每日文章推薦（九）
理論部分（基于亞彈性框架）：
晶體塑性對應的流動方程（冪律流動）
晶體塑性對應的硬化方程（Voce硬化）
對于鋯合金考慮了基面，柱面，錐面滑移，對應的材料參數為
損傷基于udmgini子程序經進行編寫，用于確定裂紋萌生位置，并根據能量準則確定裂紋擴展情況
程序框架為：
基于ebsd的實驗建模
四類準則對應的數值模擬結果如下：
不考慮xfem方案對應的數值結果
使用xfem對應的結果
不同準則裂紋擴展路徑
不同取向不同準則對裂紋擴展的預測
最終作者的結果表明了
（1）MAXPS和MAXSLP方法都能正確預測主要裂紋的位置，但只有后者能預測正確的裂紋方向
（2）MAXSLP方法預測裂紋在HCP晶體的棱鏡平面上傳播，而MAXPS方法預測裂紋位于基面上
（3）MAXPPE和MAXDIS方法計算的裂紋成核位置與觀察到的小裂紋一致。
（4）當使用MAXPPE方法時，裂紋通常沿最活躍的滑移系統的方向傳播。
（5）當使用MAXPS方法時，通常觀察到最小的數值不穩定性，因為當裂紋穿過晶界時，多晶體模型中的方向沒有發生快速變化
（6）晶體各向異性顯著影響裂紋的形核和擴展過程。結果表明，甚至裂紋成核位置也隨晶體取向的變化而變化。
展開 晶體塑性每日文章推薦（十四）
其次，模擬了高分辨率電子背散射衍射（HR-EBSD）實驗的二維（單體素厚）重建，提取并比較了兩個晶粒的組合，以確定實驗中的殘余彈性應力與所提出的模型預測的殘余彈性力的比較情況。
研究中使用的材料是316L不銹鋼，它是面心立方（FCC）；因此，滑移可能發生在12個滑移系統上（｛111｝＜110＞）
只用一組滑移系開動的雙晶模型
三維模型：
模擬得到的尺寸效應效果
需要注意的是當前模型不會考慮考慮變形過程中晶粒變形的影響（體素網格變形過程中與晶界距離保持不變）如果向結構施加大的載荷，則晶粒有可能發生顯著程度的變形。這將導致晶粒的旋轉和形狀變化。由于所提出的方法考慮了方向和幾何形狀對局部變形的影響，并且如果變形足夠顯著，導致這些特征發生劇烈變化。盡管如此，作者提出的方法對更深入理解晶粒尺度的變形特征仍然有重要借鑒意義
這里展示一下簡單的實現效果：
幾何模型：包含0.3mm*0.3mm包含67個晶粒的二維模型，包含90000個體素網格：
邊界條件：施加X方向變形的周期性邊界條件，應變為5%
初始滑移系統的平均屈服強度：
滑移系統1的初始屈服強度：
滑移系統1的臨界滑移距離：
累計taylor剪切為：
等效mises應力為：
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展開 晶體塑性有限元仿真入門(5)—歐拉角與晶體取向
圖4 EBSD分析獲得的反極圖分布圖(顏色代表取向)，多晶體組成示意圖
EBSD工作原理
如圖5所示，EBSD利用從樣品表面反彈回來的高能電子衍射，得到一系列的菊池花樣。根據菊池花樣的特點得出晶面間距d和晶面之間的夾角θ，從數據庫中查出可能的晶體結構和晶胞參數。再利用化學成分等信息采用排除法確定該晶粒的晶體結構，并得出晶粒與膜面法向的取向關系。通過以上基本操作，可以得到樣品表面測試點的Phase和Orientation實驗數據。
圖5 EBSD分析的工作原理(Phase discriminated, Orientation determined)
通過步進間距將樣品表面劃分為m*n個采樣點，并依次獲得這m*n個采樣點菊池花樣和匹配的Phase、Orientation實驗數據，最后對m*n個采樣點的這些數據進行整理、匯總、計算等，可以進行晶粒尺寸分析、織構分析、相分析、應變分析、再結晶分析、晶界分析、斷裂分析等。如圖6所示，EBSD獲得多晶體試樣表面的取向信息過程，類似于相機的成像過程，首先將畫面分解成為m*n個像素點，然后依次獲得各個像素點的信息，獲得全部信息后進行整理、匯總、計算。
圖6 EBSD分析的工作原理(多晶體分析)
晶體取向分析
歐拉角
通過EBSD實驗，我們可以獲得多晶體試樣表面m*n個采樣點的取向信息(Euler1、Euler2、Euler3)。與彩色圖像每個像素點存在RGB三組信息類似，取向信息的每個采樣點存在三組歐拉角角度信息，這三組角度信息代表了晶格在空間中的唯一取向信息。如圖7所示，空間中任意取向的晶格，通過將全局坐標系依次采用三組歐拉角進行旋轉后，都可以與晶體坐標系重合。
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