JP6790989B2 - Three-dimensional morphological quantitative analysis method of pearlite tissue - Google Patents
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Description
本発明は、パーライト組織の三次元形態定量解析方法に関する。 The present invention relates to a method for quantitatively analyzing a three-dimensional morphology of a pearlite structure.
鉄鋼材料(以下、「鋼材」という。)等の金属材料は、含まれる元素の種類と量が同じでも、材料中の微細な合金組織の違いにより、強度、伸び、靱性等の機械的性質、耐食性等の化学的性質が異なる。そのため、鋼材開発においては、微細な合金組織の形態の違いを定量的に解析し、その影響をあわせて解析することが望まれる。 Metallic materials such as steel materials (hereinafter referred to as "steel materials") contain the same type and amount of elements, but have mechanical properties such as strength, elongation, and toughness due to differences in the fine alloy structure in the materials. Chemical properties such as corrosion resistance are different. Therefore, in the development of steel materials, it is desirable to quantitatively analyze the difference in the morphology of fine alloy structures and analyze the effects together.
たとえば、スチールコード、橋梁用鋼線、PC鋼線などの高炭素鋼線の素材として使用される鋼材は、一般に、パーライト鋼が用いられる。パーライト鋼は、その名のとおり、パーライト組織という合金組織を主に有する。
このパーライト組織は、鋼材中で、セメンタイト(Fe3C)とフェライト(αFe)の二つの相に分離した複合的な合金組織であって、セメンタイトとフェライトがそれぞれ層状に交互に積層し、ラメラ形態となって存在している合金組織である。
一般に、セメンタイトは強度が高いが脆く、フェライトは強度が低いが伸びやすい。そのため、パーライト組織では、このセメンタイトとフェライトが、鋼材中でそれぞれ、どのような配置や曲率の層によりラメラ形態を形成しているかを解析することは、鋼材の機械的性質を向上させる上で、重要な問題である。
For example, pearlite steel is generally used as the steel material used as a material for high carbon steel wire such as steel cord, bridge steel wire, and PC steel wire. As the name implies, pearlite steel mainly has an alloy structure called pearlite structure.
This pearlite structure is a composite alloy structure separated into two phases of cementite (Fe 3 C) and ferrite (αFe) in a steel material, and cementite and ferrite are alternately laminated in layers to form a lamella. It is an alloy structure that exists as.
In general, cementite has high strength but is brittle, and ferrite has low strength but is easy to stretch. Therefore, in the pearlite structure, it is necessary to analyze the arrangement and curvature of the cementite and ferrite forming the lamellar morphology in the steel material in order to improve the mechanical properties of the steel material. This is an important issue.
合金組織、たとえば、パーライト組織を解析するには、鋼材から採取した試験片を、観察研磨面がほぼ水平になるように研磨する。そして、この研磨された観察研磨面に表れるセメンタイト層1とフェライト層2の存在形態を、SEM等の電子顕微鏡により、図1に示したように、観察方向3から観察する。
しかしながら、通常の顕微鏡観察では、観察方向3から観察できるセメンタイト層1とフェライト層2の平面存在情報しか得られない。そのため、観察研磨面の深さ方向を含めたパーライト組織が、三次元形態としては、定量的にセメンタイト層1とフェライト層2がどのようにラメラ形態を形成しているかを解析することができない。したがって、特に深さ方向について、パーライト組織の形態と機械的性質との関係を把握することができない。
To analyze the alloy structure, for example, the pearlite structure, a test piece taken from a steel material is polished so that the observed polishing surface is almost horizontal. Then, the existence form of the
However, in ordinary microscopic observation, only planar existence information of the
これまで、パーライト組織等の鋼材の合金組織の三次元形態を知る方法には、鋼材の試験片の研磨と、研磨により現れる新たな観察研磨面の撮影を繰り返し、撮影された映像を研磨の順序通りに重ね合わせることにより解析していた。これには膨大な手間がかかるため、特に、鋼材の機械的性質に及ぼすラメラ形態を形成するパーライト組織のセメンタイト層1とフェライト層2の存在形態の影響について研究が進んでいなかった。
Until now, the method of knowing the three-dimensional morphology of a steel alloy structure such as a pearlite structure has been to repeatedly polish a test piece of a steel material and photograph a new observed polished surface that appears by polishing, and the photographed images are polished in the order of polishing. It was analyzed by superimposing it on the street. Since this requires a great deal of time and effort, research has not progressed on the influence of the existence morphology of the
パーライト組織を唯一、三次元的かつ定量的に評価しうる技術として、FIB−SEM観察によるシリアルセクショニング技術が近年研究されている(非特許文献1)。この技術は収束イオンビーム(FIB)で、観察サンプルの数100nm程度の微小な厚みを研削しては、FE−SEMにより組織断層写真の取得をくりかえし、鋼材の合金組織の内部の形態を計算機上で再構築しようとするものである。
この技術は各断層における研削を平行かつ一定の厚みで正確に行うことを前提に、得られた二次元像を補間してつなぎあわせ、三次元形態を計算機上で再構築できるが、膨大な費用及びマシンタイムを要するため、まだ、産業上活用できるものではない。
In recent years, a serial sectioning technique based on FIB-SEM observation has been studied as the only technique capable of evaluating a pearlite structure three-dimensionally and quantitatively (Non-Patent Document 1). This technology uses a focused ion beam (FIB) to grind a minute thickness of several hundred nm of the observed sample, and then repeatedly obtains a tissue tomographic photograph by FE-SEM to determine the internal morphology of the alloy structure of the steel material on a computer. It is intended to be reconstructed with.
This technology can reconstruct the three-dimensional form on a computer by interpolating and joining the obtained two-dimensional images on the premise that grinding at each fault is performed in parallel and accurately with a constant thickness, but it costs a huge amount of money. And because it requires machine time, it cannot be used industrially yet.
一方、非特許文献2に示されるように、ナノメートルオーダーの微細な形態ではない、材料中のボイドや欠陥(クラック)の進展のような現象は研磨と光学顕微鏡との組み合わせで評価することが可能であったが、パーライト組織のラメラ形態は、隣り合うセメンタイト層1とフェライト層2の層間間隔(ラメラ間隔)が数10nmからせいぜい100nm程度と光学顕微鏡では分解できない領域であるため安価かつ効率的に評価することは困難であった。
On the other hand, as shown in Non-Patent
以上のように、鋼材のパーライト組織の微細ラメラ形態を構成するセメンタイト層1とフェライト層2の存在形態を三次元的かつ定量的に評価することは、材質制御の上でも重要であるが、その困難さから、工業上実現できてはいなかった。
また、図1で示したように、微細ラメラ形態は、セメンタイト層1とフェライト層2の界面(ラメラ界面)が平面とは限らず、ある程度湾曲していることが一般的である。しかしながら、研磨面の二次元断層像を統計的に集約して取り扱おうとする場合において、湾曲していない平板状である場合を含め、この湾曲の度合いを深さ方向に定量的に測定することは困難であった。
As described above, it is important to three-dimensionally and quantitatively evaluate the existence morphology of the
Further, as shown in FIG. 1, in the fine lamella morphology, the interface (lamella interface) between the
以上のように、スチールコード、橋梁用鋼線、PC鋼線等の高強度鋼線の伸線加工の出発材としての鋼線材のパーライト組織の三次元形態を規定して鋼線の特性を向上させるための提案を行うことが求められているものの、簡便に、パーライト組織の三次元形態を定量的に解析する実効的な手段は提案されていなかった。
これは、パーライト組織はそのラメラ間隔が数10nm程度と非常に微細であり、その湾曲まで含めた微細な形態を定量的に捉えることが困難であったと思われる。
また、深さ方向のパーライト組織の形態を解析するには、観察研磨面を順次削り取る必要があるため、同じ試験片を再分析することができない。
As described above, the characteristics of steel wire are improved by defining the three-dimensional morphology of the pearlite structure of steel wire as a starting material for wire drawing of high-strength steel wire such as steel cord, bridge steel wire, and PC steel wire. Although it is required to make a proposal for making the pearlite structure, an effective means for quantitatively analyzing the three-dimensional morphology of the pearlite structure has not been proposed.
This is because the pearlite structure has a very fine lamellar spacing of about several tens of nm, and it seems that it was difficult to quantitatively capture the fine morphology including its curvature.
Further, in order to analyze the morphology of the pearlite structure in the depth direction, it is necessary to sequentially scrape the observed polished surface, so that the same test piece cannot be reanalyzed.
本発明は、試験片を非破壊で、簡便な方法により、深さ方向に広がるセメンタイト及びフェライトの三次元形態を定量的に解析できる、パーライト組織の三次元形態定量解析方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a three-dimensional morphological analysis method for a pearlite structure, which can quantitatively analyze the three-dimensional morphology of cementite and ferrite spreading in the depth direction by a non-destructive and simple method for a test piece. And.
本発明者は、以上のような状況に鑑み、鋭意工夫を重ねることにより、上記課題を解決する技術を完成させた。
すなわち、上記課題を解決する本発明の要旨は、次の通りである。
(1)セメンタイト層及びフェライト層によりラメラ形態を構成するパーライト組織を有する鋼材の、深さ方向に広がる前記パーライト組織の三次元形態定量解析方法であって、
前記鋼材から採取した試験片表面を研磨して観察研磨面とし、前記観察研磨面よりEBSD法で、
前記セメンタイト層の結晶面、(010)面又は(031)面について、前記観察研磨面の各点においてどの程度、前記観察研磨面から傾いているかという傾き情報を取得し、
前記各点の傾き情報から前記セメンタイト層の結晶面の曲率を求めることによって、
深さ方向に広がる前記セメンタイト層及び前記フェライト層の三次元形態を定量的に求めることを特徴とするパーライト組織の三次元形態定量解析方法。
(2)セメンタイト層と前記フェライト層の間の結晶方位関係により、前記セメンタイト層の結晶面と整合するフェライト層の結晶面、結晶方位を決定することを特徴とする(1)に記載のパーライト組織の三次元形態定量解析方法。
(3)前記EBSD法による測定は、観察研磨面の法線ベクトルと、前記セメンタイト層と前記フェライト層の界面の法線ベクトルのなす角度が30°以内であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のパーライト組織の三次元形態定量解析方法。
(4)前記観察研磨面を形成するにあたり、コロイダルシリカ分散の研磨液により10分以上研磨し、引き続き、10分以上電解研磨することを特徴とする(1)乃至(3)のいずれか一つに記載のパーライト組織の三次元形態定量解析方法。
In view of the above circumstances, the present inventor has completed a technique for solving the above problems by making diligent efforts.
That is, the gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
(1) A three-dimensional morphological quantitative analysis method for the pearlite structure spreading in the depth direction of a steel material having a pearlite structure forming a lamellar morphology with a cementite layer and a ferrite layer.
The surface of the test piece collected from the steel material is polished to obtain an observation-polished surface, and the observation-polished surface is subjected to the EBSD method.
With respect to the crystal plane, (010) plane or (031) plane of the cementite layer, tilt information indicating how much the cementite layer is tilted from the observation polishing plane at each point of the observation polishing plane is acquired.
By obtaining the curvature of the crystal plane of the cementite layer from the inclination information of each point,
A method for quantitatively analyzing a three-dimensional morphology of a pearlite structure, which comprises quantitatively determining the three-dimensional morphology of the cementite layer and the ferrite layer spreading in the depth direction.
(2) The pearlite structure according to (1), wherein the crystal plane and crystal orientation of the ferrite layer that matches the crystal plane of the cementite layer are determined by the crystal orientation relationship between the cementite layer and the ferrite layer. Three-dimensional morphological quantitative analysis method.
(3) The measurement by the EBSD method is characterized in that the angle formed by the normal vector of the observed polished surface and the normal vector of the interface between the cementite layer and the ferrite layer is within 30 ° (1) or. The method for quantitatively analyzing a three-dimensional morphology of a pearlite structure according to (2).
(4) One of (1) to (3), which comprises polishing with a colloidal silica-dispersed polishing liquid for 10 minutes or more, and then electrolytically polishing for 10 minutes or more in forming the observation polishing surface. The method for quantitatively analyzing the three-dimensional morphology of the pearlite structure described in 1.
本発明により、一断面をEBSD法(Electron Backscattered Diffraction)で測定するという簡便な方法で、パーライト組織を構成する深さ方向に広がるセメンタイト層1及びフェライト層2が平板状である場合も含め、その三次元形態(ラメラ形態)を簡便かつ明確に解析することを可能とした。
According to the present invention, one cross section is measured by an EBSD method (Electron Backscattered Diffraction), which is a simple method, including the case where the
以下に本発明について説明する。
まず、組織観察を複数枚にすることは、評価するための時間、費用の増大につながるため、一枚の観察研磨面のみにおける測定で実施する方法に限定し、開発した。
本発明者は、EBSD法(Electron Backscattered Diffraction)でパーライト組織を有する鋼材を構成する少なくともセメンタイト層1の結晶方位分布情報を取得し、セメンタイトとフェライトが一定の晶癖面関係を有することを利用して、セメンタイト層1の結晶面、(010)面又は(031)面が観察研磨面の各点において、どの程度観察研磨面から傾いているかという傾き情報取得することより、パーライト組織のラメラ形態の内部形態を検出する技術を開発した。この技術を用いることにより、だだの1断面の情報のみからパーライト組織のラメラ形態の間隔、平板状であるか、あるいは曲面状である場合は、曲面の形態を三次元的かつ定量的に検出することができる。
The present invention will be described below.
First, since making multiple microstructure observations leads to an increase in time and cost for evaluation, we have developed a method limited to the method of measuring only one observation and polishing surface.
The present inventor obtained the crystal orientation distribution information of at least the
パーライト組織は、既に述べたように、セメンタイト層1と、フェライト層2がそれぞれ層状に交互に積層し、ラメラ形態となって存在している。
図2は、パーライト組織を有する鋼材試験片の深さ方向断面を示す模式図である。すなわち、図1で示すUNKOWN面を切り出した模式図である。図2において、セメンタイト層1、フェライト層2の各層は湾曲している。
As described above, the pearlite structure exists in the form of lamella, in which the
FIG. 2 is a schematic view showing a cross section in the depth direction of a steel material test piece having a pearlite structure. That is, it is a schematic view which cut out the UNKOWN plane shown in FIG. In FIG. 2, each layer of the
図2に示したように、パーライト組織は、5で示されるコロニーと呼ばれる領域の集合体により形成されている。このコロニー5の一つ一つは、10〜50μm程度の大きさであり、この一つのコロニー5の領域内部では、深さ方向に、表面とほぼ同様な厚さや曲率で、セメンタイト層1、フェライト層2が形成されている。
As shown in FIG. 2, the pearlite structure is formed by an aggregate of regions called colonies shown by 5. Each of the
そのため、ある一つの隣接するセメンタイト層1とフェライト層2の界面(ラメラ界面。以下単に「界面」ともいう。)の形態に注目した場合、この界面の一部について、深さ方向の曲率、たとえば、図2の破線で囲んだ表面付近の界面(観察研磨面付近の深さ方向ラメラ界面)の曲率を求めることができれば、この一つの界面は、少なくとも同じコロニー5内に属する間は、同じ形態(曲率)を有すると推定できる。他の界面も同様に、表面付近の曲率を測定することによりコロニー5内部の界面の存在形態を推定する。このように表面付近の界面の曲率を求めることにより、同じコロニー5内に属する10〜50μmの深さまでは、この界面の形態を三次元的に解析することができる。
Therefore, when paying attention to the morphology of the interface (lamella interface; hereinafter simply referred to as “interface”) between one
そこで、この表面付近の界面の曲率情報を求めるために、EBSD法(Electron Backscattered Diffraction)を適用する。EBSD法は、通常、鋼材から採取した試験片表面を研磨して観察研磨面とし、この観察研磨面を非破壊で分析する。図3に、図2の破線で囲んだ部分を拡大し、フェライト層21、セメンタイト層1、フェライト層22の三層をのみを示す模式図を示す。
Therefore, the EBSD method (Electron Backscattered Diffraction) is applied in order to obtain the curvature information of the interface near the surface. In the EBSD method, the surface of a test piece collected from a steel material is usually polished to obtain an observation-polished surface, and this observation-polished surface is analyzed non-destructively. FIG. 3 is an enlarged portion of the portion surrounded by the broken line in FIG. 2, and shows a schematic view showing only the three layers of the
鋼材中のセメンタイトとフェライトの結晶方位関係は種々報告されているが、パーライト組織のラメラ界面の晶癖面関係の特定に利用できるものは通常、以下の3種類のみである。
Pitsch-Petch
[100]cem//[-311]fer,[001]cem//[131]fer,(010)cem//(-12-5)fer
Bagaryatsky
[001]cem//[-110]fer,[100]cem//[-1-11]fer,(010)cem//(112)fer
Isaichev
[100]cem//[111]fer,(031)cem//(1-10)fer
Various crystal orientation relationships between cementite and ferrite in steel materials have been reported, but usually only the following three types can be used to identify the crystal habit plane relationship at the lamellar interface of the pearlite structure.
Pitsch-Petch
[100] cem // [-311] fer, [001] cem // [131] fer, (010) cem // (-12-5) fer
Bagaryatsky
[001] cem // [-110] fer, [100] cem // [-1-11] fer, (010) cem // (112) fer
Isaichev
[100] cem // [111] fer, (031) cem // (1-10) fer
上記において、たとえば、[100]cem//[-311]ferは、セメンタイト層1の[100]方位が、隣接するフェライト層2の[-311]方位と平行であることを意味し、(010)cem//(-12-5)ferは、セメンタイト層1の(010)面が、隣接するフェライト層2の(-12-5)面と平行であることを意味する。なお、セメンタイトの結晶方位[a b c]の各方位の単位胞の長さは、a方向、0.509nm、b方向、0.674nm、c方向、0.4502nmである。
In the above, for example, [100] cem // [-311] fer means that the [100] orientation of the
すなわち、パーライト組織におけるセメンタイト層1とフェライト層2の界面では、セメンタイトは、ほぼ(010)面又は(031)面と平行となっている。このため、EBSD法により表面から測定できる、セメンタイト層1とフェライト層2の界面の極近傍の結晶方位関係をもって、界面の形状が(010)面又は(031)面と一致していると判断できる。
That is, at the interface between the
EBSD法により、(010)面又は(031)面が観察研磨面から50nm程度の深さまで、セメンタイト層1の各地点において、観察研磨面からどのような角度で傾いていくかという傾き情報が得られる。
図3には、例として、(010)面に注目した場合について、各地点で観察研磨面からどのような角度θ1(010)21、θ2(010)21、θ3(010)21で傾いているかを示した。
EBSD法により、観察研磨面からどのような角度θ1(010)21、θ2(010)21、θ3(010)21で傾いていくかを知ることができる。そのため、後述するように、(010)cem面と界面との傾きとの関係を各地点において、このような角度を数多く集積することによって、セメンタイト層1とフェライト層21の界面の曲率H21を得ることができる。
また、角度θ1(010)21、θ2(010)21、θ3(010)21を測定した地点の真下にあたる地点においては、結晶面(h k l)と観察研磨面の角度θ1(010)22、θ2(010)22、θ3(010)22は、それぞれ、角度θ1(010)21、θ2(010)21、θ3(010)21と一致すると推認できる(θ1(010)22=θ1(010)21、θ2(010)22=θ2(010)21、θ3(010)22=θ3(010)21と推認できる。)。すなわち、セメンタイト層1とフェライト層22の界面の曲率H22も、セメンタイト層1とフェライト層21の界面の曲率H21と同様であると推認できる。
By the EBSD method, it is possible to obtain tilt information on the angle at which the (010) plane or the (031) plane is tilted from the observed polishing surface at each point of the
In FIG. 3, as an example, when paying attention to the surface (010), what angles θ 1 (010) 21, θ 2 (010) 21, and θ 3 (010) 21 are observed from the polished surface at each point. Shown if it is tilted.
By the EBSD method, it is possible to know at what angles θ 1 (010) 21, θ 2 (010) 21, and θ 3 (010) 21 are tilted from the observation polishing surface. Therefore, as will be described later, the curvature H21 of the interface between the
In addition, at the point directly below the point where the angles θ 1 (010) 21, θ 2 (010) 21, and θ 3 (010) 21 were measured, the angle between the crystal plane (hkl) and the observed polishing surface θ 1 (010). 22, θ 2 (010) 22 , θ 3 (010) 22 , respectively, the angle θ 1 (010) 21, θ 2 (010) 21, θ 3 (010) 21 to match the presumably confirmed (theta 1 (010 ) 22 = θ 1 (010) 21, θ 2 (010) 22 = θ 2 (010) 21, θ 3 (010) 22 = θ 3 (010) 21). That is, it can be inferred that the curvature H22 at the interface between the
このように、EBSD法によって、表面から50nm程度の深さまでセメンタイト層1とフェライト層21の界面の曲率情報を得れば、同じ形態が続く同じコロニー5内である10〜50μmの深さまでは、セメンタイト層1と、その両隣のフェライト層21、22の界面(ラメラ界面)の曲率を三次元的に、定量的に解析することができる。
As described above, if the curvature information of the interface between the
また、セメンタイト層1の(010)面又は(031)面の傾き情報だけでなく、セメンタイト層1の結晶方位情報も、EBSD法により取得することができる。そのため、上記のセメンタイト層1と整合する結晶方位関係により、セメンタイト層1の結晶面と整合するフェライト層2(21、22)の結晶面、結晶方位も決定してもよい。
Further, not only the inclination information of the (010) plane or the (031) plane of the
上記のPitsch-Petch、Bagaryatsky、又はIsaichevの関係から、セメンタイト層1とフェライト層2の界面を形成するセメンタイト層1の結晶面が、(031)cemであった場合、Isaichevの関係に従い、このセメンタイト層1と整合する隣接するフェライト層2は、(1-10)ferであるといえる。そのため、セメンタイト層1の結晶面、結晶方位情報を測定すれば、フェライト層2の結晶面、結晶方位情報は、上記の関係に当てはめて決定することができる。
そのため、フェライト層2の面、結晶方位情報を決定する際に、必ずしもEBSD法により測定する必要はない。ただし、セメンタイト層1とフェライト層2の界面の結晶方位関係を、EBSD法により直接、測定、決定してもよい。また、EBSD法により、隣り合うセメンタイト層1とフェライト層2の結晶方位を測定し、当該界面が、Pitsch-Petch、Bagaryatsky、又はIsaichevのいずれの関係を有するかを判定してもよい。
From the above Pitsch-Petch, Bagaryatsky, or Isaichev relationship, if the crystal plane of the
Therefore, when determining the plane and crystal orientation information of the
一方、セメンタイトは立方晶(立方体構造)ではなく、直方晶(直方体構造)であり、異方性を有するので、結晶方位を決定しやすい。そのため、セメンタイト層1の結晶方位分布情報をEBSD法により測定する。
On the other hand, cementite is not a cubic crystal (cubic structure) but a rectangular parallelepiped (cuboidal structure) and has anisotropy, so that it is easy to determine the crystal orientation. Therefore, the crystal orientation distribution information of the
また、EBSD法による測定は、観察研磨面とラメラ界面の角度が30°を超えると、セメンタイトの結晶方位分布情報が、フェライトのそれにかき消されて検出困難になることから、観察研磨面の法線ベクトルと、セメンタイト層1とフェライト層2の界面の法線ベクトルのなす角度を30°以内とすることが好ましい。
Further, in the measurement by the EBSD method, when the angle between the observation polished surface and the lamella interface exceeds 30 °, the crystal orientation distribution information of cementite is drowned out by that of ferrite and it becomes difficult to detect. The angle formed by the vector and the normal vector at the interface between the
次に観察研磨面を形成する試料準備条件について述べる。
観察研磨面を形成するにあたり、コロイダルシリカ分散の研磨液により10分以上研磨することが好ましい。10分以上研磨を継続して行うことにより、EBSD法による測定の際にノイズとなる観察研磨面近傍のひずみを消すことができる。
Next, the sample preparation conditions for forming the observation polishing surface will be described.
In forming the observation polishing surface, it is preferable to polish for 10 minutes or more with a polishing liquid in which colloidal silica is dispersed. By continuing polishing for 10 minutes or more, it is possible to eliminate the strain in the vicinity of the observed polishing surface, which causes noise during measurement by the EBSD method.
コロイダルシリカ分散の分散液中のシリカ粒子は、通常通り、0.5μm以下とすることが好ましい。また、研磨圧も、通常通り、圧下圧5g/cm2以下で、研磨傷が消失する程度の圧力で、行うことが好ましい。 The silica particles in the dispersion liquid of the colloidal silica dispersion are preferably 0.5 μm or less as usual. Further, it is preferable that the polishing pressure is as usual at a reduction pressure of 5 g / cm 2 or less and a pressure such that polishing scratches disappear.
また、コロイダルシリカ分散の研磨液により10分以上研磨し、引き続き、10分以上電解研磨することが好ましい。 Further, it is preferable to polish with a colloidal silica-dispersed polishing solution for 10 minutes or more, and then electropolish for 10 minutes or more.
EBSD法による測定では、二次電子による信号強度は、セメンタイトの方がフェライトよりも低くなりやすい。そのため、電解研磨によりフェライト層2を若干、溶出させて観察研磨面での高さを低くし、セメンタイト層1を突出させる。セメンタイト層1を突出させると、信号強度が高まり、結晶方位分布情報等の精度が向上する。そのためには、電解研磨の時間を10分以上とすることが好ましい。また、電解研磨の時間は、120分以下とすることが好ましい。電解時間が長すぎると、セメンタイト層1を突出させ過ぎることになり、EBSDデータ採取の際、突出部により影ができて情報の精度が低下する虞がある。好ましい突出部の高さ、すなわちセメンタイト層1とフェライト層2の高低差は、5〜30nmである。
In the measurement by the EBSD method, the signal strength due to secondary electrons tends to be lower in cementite than in ferrite. Therefore, the
以上に説明したような本発明の方法により、表面からのEBSD法による測定のみで、パーライト組織の三次元形態が推定できる。
本発明を適用するパーライト組織を有する鋼材としては、主組織がパーライト組織であるので、強伸線加工して製造されるスチールコード、橋梁用鋼線、PC鋼線などの高炭素鋼線が好ましい。
According to the method of the present invention as described above, the three-dimensional morphology of the pearlite structure can be estimated only by the measurement from the surface by the EBSD method.
As the steel material having a pearlite structure to which the present invention is applied, since the main structure is a pearlite structure, high carbon steel wires such as steel cords, bridge steel wires, and PC steel wires manufactured by strong wire drawing are preferable. ..
実施例は、ラメラ界面の配向の分布が、セメンタイト(010)cemと平行な場合について測定したものを例として説明する。
本発明によるパーライト組織のラメラ形態を構成するセメンタイト層1、フェライト層2の結晶方位解析は、たとえば、以下の方法により行うことができる。ただし、以下の方法はあくまでも一様態として詳細の手順を述べるだけであり、本発明の内容を限定するものではない。本発明の一様態によれば、観察用鋼材試験片は、湿式カッターで十分水を供給しながら、試験片鋼材への熱流を極力抑制して切り出し、段階的に目の細かいエメリーペーパーで湿式研磨し、続いて3μmのダイヤモンドペースト、1μmのダイヤモンドペーストでラッピング(バフ研磨)し、最終的に0.05μmのコロイダルシリカ分散液で10分程度研磨後、電解研磨を行って観察研磨面を鏡面に仕上げる。
An example will be described as an example of the case where the distribution of the orientation of the lamella interface is parallel to the cementite (010) cem.
The crystal orientation analysis of the
観察・解析はSEM(走査型電子顕微鏡)で行った。日本電子FE−SEM(JEOL−7100F)などの汎用のSEMを用いて、二次電子像観察を加速電圧10kV、作動距離5.5mmで行った。結晶方位分布情報は同SEM内に設置のEBSD装置を用いた。EBSD測定は、TSL社製digiview−IV CCDカメラで加速電圧15kV、照射電流3.5×10−7A、対物絞り径70μmとし、電子線入射方向に対して観察研磨面を70°傾斜させてEBSDパターンを取得した。パターン同定においては、付属のデータベース中からフェライト(立方晶)とセメンタイト(直方晶)を選択して行った。データ取得は6×12μmの領域をステップサイズ0.1μmで行った。好ましくは、ステップサイズ0.04μmである。
ラメラ形態の三次元形態定量解析の考え方についてさらに詳細に説明する。通常、三次元の界面形態は、FIB(収束イオンビーム)等で実際に切り出さないと直接視ることはできない。
Observation and analysis were performed by SEM (scanning electron microscope). Using a general-purpose SEM such as JEOL FE-SEM (JEOL-7100F), secondary electron image observation was performed at an acceleration voltage of 10 kV and an operating distance of 5.5 mm. For the crystal orientation distribution information, an EBSD device installed in the SEM was used. For EBSD measurement, use a TSL digiview-IV CCD camera with an acceleration voltage of 15 kV, an irradiation current of 3.5 × 10-7 A, and an objective diaphragm diameter of 70 μm, and the observation polishing surface is tilted by 70 ° with respect to the electron beam incident direction. The EBSD pattern was acquired. In pattern identification, ferrite (cubic crystal) and cementite (orthorhombic crystal) were selected from the attached database. Data acquisition was performed in a region of 6 × 12 μm with a step size of 0.1 μm. Preferably, the step size is 0.04 μm.
The concept of three-dimensional morphological quantitative analysis of lamella morphology will be described in more detail. Normally, the three-dimensional interface morphology cannot be directly viewed unless it is actually cut out by a FIB (focused ion beam) or the like.
一方、ラメラ配向に対してごく浅い角度で切り出して観察した場合、ラメラ界面と垂直に近い方向から観察することとなり、EBSD法による測定により、ラメラ界面と平行な方向のセメンタイトの(010)cemの角度(傾き)を測定することが可能となる。観察研磨面からパーライト組織中のコロニー5、1個程度の大きさの深さ内では、観察研磨面(研磨面)と同じラメラ形態(alignment)が結晶学的に反復すると考えられるから、一観察研磨面の情報のみから、その付近のラメラの配向、形状を三次元、かつ定量的に推定することが可能である。より具体的には、鮮明なセメンタイトのEBSDパターンを取得するため、観察研磨面とラメラ界面の法線の角度として30°以内のごく浅い角度で配向するラメラを観察した。 On the other hand, when it is cut out and observed at a very shallow angle with respect to the lamella orientation, it is observed from a direction close to perpendicular to the lamella interface. It is possible to measure the angle (tilt). Within a depth of about 5 or 1 colonies in the pearlite structure from the observed polished surface, the same lamellar morphology (alignent) as the observed polished surface (polished surface) is considered to be crystallographically repeated. It is possible to three-dimensionally and quantitatively estimate the orientation and shape of the lamella in the vicinity from only the information on the polished surface. More specifically, in order to obtain a clear cementite EBSD pattern, lamella oriented at a very shallow angle within 30 ° as the normal angle between the observed polished surface and the lamella interface was observed.
ラメラ界面の配向の分布は、セメンタイト(031)cem又は(010)cemの方位と一致することが発明者の鋭意調査で明確になっている。(010)cemの方位と一致する場合、セメンタイト(010)cemの空間的な分布をグラフ上にプロットして近似関数をもとめ、その傾きをラメラ界面の曲率ととらえることが可能である。具体的には図4に示すように、傾きを表す分布の近似関数を、距離で積分することで、深さ方向のラメラ配向の形状(曲率、傾き)を得ることが可能である。
図3は、フェライト/セメンタイト界面の面方位関係(セメンタイト層1とフェライト層2間の結晶方位関係)がPitsch-Petch[(-12-5)fer//(010)cem]の関係であることを前提に例示している。通常、図示したこのような界面形態は、FIB等で実際に切り出さないと直接視ることはできない。しかしながら、EBSD技能向上により、セメンタイトの結晶方位分布と、セメンタイト層とフェライト層間の結晶方位関係の取得が可能になったことから、観察研磨面(研磨面)にそのラメラ形態(alignment)が結晶学的に複写されているとして、1観察研磨面の情報のみからラメラの配向、形状を三次元、かつ定量的に推定することがはじめて可能となった。
The inventor's diligent research has revealed that the orientation distribution of the lamella interface is consistent with the orientation of cementite (031) cem or (010) cem. If it matches the orientation of (010) cem, it is possible to plot the spatial distribution of cementite (010) cem on a graph to obtain an approximate function and to regard the slope as the curvature of the lamella interface. Specifically, as shown in FIG. 4, it is possible to obtain the shape (curvature, slope) of the lamella orientation in the depth direction by integrating the approximation function of the distribution representing the slope with the distance.
In FIG. 3, the plane orientation relationship between the ferrite / cementite interface (the crystal orientation relationship between the
上記の考え方により、フェライト/セメンタイト界面の観察研磨面に対する「傾き」の分布を知ることができる。EBSD法により、結晶方位分布の表示にもっとも一般的に用いられる逆極点(IPF)マップを作成した。逆極点(IPF)マップは、グラデーションによりラメラ界面の配向を表示することができる。 From the above idea, it is possible to know the distribution of the "tilt" of the ferrite / cementite interface with respect to the observed polished surface. By the EBSD method, the most commonly used inverse pole (IPF) map for displaying the crystal orientation distribution was created. The reverse pole (IPF) map can display the orientation of the lamella interface by gradation.
フェライト/セメンタイト界面の傾斜の程度をさらに定量的に評価するために、セメンタイト結晶格子A軸、及びC軸に沿ってその方向へ(010)cem単位ベクトルの射影の大きさを採取し、図面に平行な方向から視たラメラ界面の傾き、及び曲率を微分幾何学的に定量的に解析した。 In order to further quantitatively evaluate the degree of inclination of the ferrite / cementite interface, the magnitude of the projection of the (010) cem unit vector along the A-axis and C-axis of the cementite crystal lattice was sampled and shown in the drawing. The slope and curvature of the lamella interface seen from parallel directions were quantitatively analyzed by differential geometry.
幾何学形状の定量的な解析は以下の手順で行った。まず、図4(A)に示す観察研磨面上の評価したい領域、area−1及びarea−2に、各測定点のセメンタイト結晶格子A軸(セメンタイトa方向と平行な軸)方向、C軸(セメンタイトc方向と平行な軸)方向をそれぞれ平均して方向を決定し、観察研磨面に投影した軸xA、xCを設定する。軸xA、xCに沿って(010)cem(セメンタイトB軸(セメンタイトb方向と平行な軸)面の単位法線ベクトルeN)の位置と方位の情報をピックアップする。次に拾い上げた単位法線ベクトルeNの、軸xA、xC方向の射影(単位法線ベクトルeNの軸xA、xC方向成分)である単位ベクトルeNxA、eNxCを採取し、xA−eNxA、xC−eNxC座標上にプロットし、近似の直線をもとめる。xA−eNxA、xC−eNxC座標平面上でのこの近似の直線の傾き(変化率)すなわち−(∂eNxA/∂xA)及び(∂eNxC/∂xC)は、セメンタイト結晶格子のA軸、C軸に沿った方向の曲率を示している(単位は1/μm)。これにより、算出した2方向の曲率kA、kCによりガウス曲率K=kA×kC、平均曲率H=(kA+kC)/2が定量的に算出され、H、kA、kCの点を得ることができる。計算の結果、area−1ではA軸に沿った曲率kAは0.066/μm(軸xA方向の曲率半径RA15.2μm)、C軸に沿った曲率kCは−0.0085/μm(軸xC方向の曲率半径RC118μm)、area−2では、A軸に沿った曲率kAは0.0347/μm(軸xA方向の曲率半径RA28.8μm)、C軸に沿った曲率kCは0.0337/μm(軸xC方向の曲率半径RC29.7μm)であった。 Quantitative analysis of geometric shape was performed by the following procedure. First, in the regions to be evaluated on the observation polishing surface shown in FIG. 4 (A), area-1 and area-2, the cementite crystal lattice A axis (axis parallel to the cementite a direction) direction and the C axis (axis parallel to the cementite a direction) of each measurement point ( The direction is determined by averaging the directions (axis parallel to the cementite c direction), and the axes x A and x C projected on the observation polishing surface are set. The position and orientation information of (010) cem (unit normal vector e N of the cementite B axis (axis parallel to the cementite b direction) plane) along the axes x A and x C is picked up. Next, the unit vectors e NxA and e NxC , which are the projections of the unit normal vector e N picked up in the axes x A and x C directions (the axes x A and x C direction components of the unit normal vector e N ) are collected. , x a -e NXa, plotted on x C -e NXC coordinates, determine the linear approximation. x A -e NxA, x C -e NxC slope of the straight line of the approximation on the coordinate plane (rate of change) i.e. - (∂e NxA / ∂x A) and (∂e NxC / ∂x C) is cementite It shows the curvature in the direction along the A-axis and C-axis of the crystal lattice (unit is 1 / μm). As a result, the Gaussian curvature K = k A × k C and the mean curvature H = (k A + k C ) / 2 are quantitatively calculated from the calculated curvatures k A and k C in the two directions, and H, k A , and k. You can get a point of C. The calculated value of the curvature k A along the A axis in the area-1 0.066 / μm (axial x A direction of the radius of curvature R A 15.2μm), the curvature k C is -0.0085 along the C axis / Μm (radius of curvature RC 118 μm in the axis x C direction), in area-2, the curvature k A along the A axis is 0.0347 / μm (radius of curvature RA 28.8 μm in the axis x A direction), C curvature k C along the axis was 0.0337 / [mu] m (the curvature in the axial x C direction radius R C 29.7μm).
この計算結果から、図4(A)に例示した領域のラメラは全体的には図面上で右上の方向に行くに従い、図面の向こう側へ大きく落ち込んでいることがわかる。また、area−1とarea−2では、それぞれ微妙に異なる凹凸を持つことがわかった。計算結果を図示すると、図4(B)(C)のようになる。area−1では軸xA方向には上に凸、軸xC方向には若干ながら下に凸であるのに対し、area−2では軸xA方向、軸xC方向ともに上に凸となっている。観察研磨面に現れたラメラの見かけ上の「曲がり」がarea−1と2で顕著に逆方向になっているのは、ラメラ界面のこの微妙な凹凸が逆方向であることに対応している。また、微分幾何学の観点でいえば、ラメラの形態クラスは、area−1ではSaddle型(鞍型)に属し、area−2ではConcave(お椀型)に属するということができる。
From this calculation result, it can be seen that the lamellae in the region illustrated in FIG. 4 (A) as a whole are greatly depressed toward the other side of the drawing as they go in the upper right direction on the drawing. It was also found that area-1 and area-2 have slightly different irregularities. The calculation results are shown in FIGS. 4 (B) and 4 (C). In area-1, it is convex upward in the axis x A direction and slightly downward in the axis x C direction, whereas in area-2, it is convex upward in both the axis x A direction and the axis x C direction. ing. The apparent "bending" of the lamella appearing on the observed polished surface is significantly opposite in the
本発明は、観察研磨面からのEBSD法の測定により、試験片を非破壊のまま、パーライト組織のラメラ形態を三次元的かつ定量的に評価することが可能となる。それにより特に、パーライト組織が主組織である高強度高延性の鋼線を製造する際に必要な、鋼線材の組織及びそれを実現するための化学組成を明確にする手段が得られるため、産業上の効果は絶大である。 According to the present invention, the lamellar morphology of the pearlite structure can be evaluated three-dimensionally and quantitatively while the test piece is not destroyed by the measurement by the EBSD method from the observation polishing surface. In particular, it provides a means to clarify the structure of the steel wire and the chemical composition to realize it, which is necessary for producing high-strength and high-ductility steel wire in which the pearlite structure is the main structure. The above effect is enormous.
1…セメンタイト層、2、21、22…フェライト層、3…観察方向、4…測定可能深さ、5…コロニー 1 ... cementite layer, 2, 21, 22 ... ferrite layer, 3 ... observation direction, 4 ... measurable depth, 5 ... colony
Claims (4)
前記鋼材から採取した試験片表面を研磨して観察研磨面とし、前記観察研磨面よりEBSD法で、
前記セメンタイト層の結晶面、(010)面又は(031)面について、前記観察研磨面の各点においてどの程度、前記観察研磨面から傾いているかという傾き情報を取得し、
前記各点の傾き情報から前記セメンタイト層の結晶面の曲率を求めることによって、
深さ方向に広がる前記セメンタイト層及び前記フェライト層の三次元形態を定量的に求めることを特徴とするパーライト組織の三次元形態定量解析方法。 It is a three-dimensional morphological quantitative analysis method of the pearlite structure spreading in the depth direction of a steel material having a pearlite structure constituting a lamellar morphology by a cementite layer and a ferrite layer.
The surface of the test piece collected from the steel material is polished to obtain an observation-polished surface, and the observation-polished surface is subjected to the EBSD method.
With respect to the crystal plane, (010) plane or (031) plane of the cementite layer, tilt information indicating how much the cementite layer is tilted from the observation polishing plane at each point of the observation polishing plane is acquired.
By obtaining the curvature of the crystal plane of the cementite layer from the inclination information of each point,
A method for quantitatively analyzing a three-dimensional morphology of a pearlite structure, which comprises quantitatively determining the three-dimensional morphology of the cementite layer and the ferrite layer spreading in the depth direction.
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