Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Полярные фигуры, показывающие кристаллографическую текстуру гамма-TiAl в альфа-2-гамма сплаве, измеренную с помощью рентгеновских лучей высокой энергии. [1]

В науке материалов , текстуры являются распределением кристаллографических ориентаций поликристаллического образца (она также является частью геологической ткани ). Считается, что образец, в котором эти ориентации полностью случайны, не имеет четкой текстуры. Если кристаллографические ориентации не случайны, а имеют некоторую предпочтительную ориентацию, то образец имеет слабую, умеренную или сильную текстуру. Степень зависит от процента кристаллов, имеющих предпочтительную ориентацию. Текстура присутствует практически во всех разработанных материалах и может иметь большое влияние на свойства материалов. Кроме того, геологические породы имеют текстуру из-за их термомеханической истории процессов формирования.

Одним из крайних случаев является полное отсутствие текстуры: твердое тело с совершенно случайной ориентацией кристаллитов будет иметь изотропные свойства на масштабах длины, значительно превышающих размер кристаллитов. Противоположная крайность - идеальный монокристалл, который, вероятно, имеет анизотропные свойства по геометрической необходимости.

Характеристика и представление [ править ]

Текстуру можно определить разными методами. [2] Некоторые методы позволяют количественный анализ текстуры, а другие - только качественные. Среди количественных методов наиболее широко используется дифракция рентгеновских лучей с использованием текстурных гониометров, за которой следует метод EBSD ( дифракция обратного рассеяния электронов ) в растровых электронных микроскопах . Качественный анализ может быть выполнен с помощью фотографии Лауэ , простой дифракции рентгеновских лучей или с помощью поляризованного микроскопа. Нейтронная и синхротронная высокоэнергетическая дифракция рентгеновских лучей подходят для определения текстуры объемных материалов и in situ.анализа, тогда как лабораторные приборы для дифракции рентгеновских лучей больше подходят для анализа текстур тонких пленок.

Текстура часто представлена ​​с помощью полюсной фигуры , на которой заданная кристаллографическая ось (или полюс) каждого из репрезентативного числа кристаллитов нанесена в стереографической проекции вместе с направлениями, соответствующими истории обработки материала. Эти направления определяют так называемую эталонную систему отсчета образца и, поскольку исследование текстур началось с холодной обработки металлов, обычно называются направлением прокатки RD , поперечным направлением TD и нормальным направлением ND . Для тянутой металлической проволоки ось цилиндрического волокна повернута как направление образца, вокруг которого обычно наблюдается предпочтительная ориентация (см. Ниже).

  • Четырехколесный дифрактометр или люлька Эйлера для измерения текстуры с помощью дифракции рентгеновских лучей

  • Режим χ для измерения отражения

  • Режим Ω для измерения передачи

Общие текстуры [ править ]

Есть несколько текстур, которые обычно встречаются в обработанных (кубических) материалах. Они названы либо ученым, открывшим их, либо материалом, в котором они чаще всего встречаются. Они даны в индексах Миллера для упрощения.

  • Компонент куба: (001) [100]
  • Латунная деталь: (110) [- 112]
  • Медный компонент: (112) [11-1]
  • Компонент S: (123) [63-4]

Функция распределения ориентации [ править ]

Полное трехмерное представление кристаллографической текстуры дается функцией распределения ориентации ( ), которая может быть достигнута путем оценки набора полюсных фигур или дифракционных картин. Впоследствии все полюсные фигуры могут быть получены из .

Определяются как объемная доля зерен с определенной ориентацией .

Ориентация обычно определяется с помощью трех углов Эйлера . Углы Эйлера затем описывают переход от системы отсчета образца к кристаллографической системе отсчета каждого отдельного зерна поликристалла. Таким образом, мы получаем большой набор различных углов Эйлера, распределение которых описывается .

Функция распределения ориентации не может быть измерена напрямую никакими методами. Традиционно и дифракция рентгеновских лучей, и EBSD могут собирать полюсные фигуры. Существуют различные методологии получения из полюсных фигур или данных в целом. Их можно классифицировать в зависимости от того, как они представляют . Некоторые представляют как функцию, сумму функций или разлагают ее в ряд гармонических функций. Другие, известные как дискретные методы, делят пространство на ячейки и сосредотачиваются на определении значения в каждой ячейке.

Истоки [ править ]

Сканирование кованого шатуна в разрезе, на котором протравлен поток зерна.

В проволоке и волокне все кристаллы имеют тенденцию иметь почти одинаковую ориентацию в осевом направлении, но почти случайную радиальную ориентацию. Наиболее известные исключения из этого правила - стекловолокно , которое не имеет кристаллической структуры , и углеродное волокно , в котором кристаллическая анизотропия настолько велика, что качественная нить накала будет искаженным монокристаллом с приблизительно цилиндрической симметрией (часто сравниваемой с желе. рулон ). Монокристаллические волокна тоже не редкость.

Изготовление металлического листа часто включает сжатие в одном направлении и, при эффективных операциях прокатки, растяжение в другом, что может ориентировать кристаллиты в обеих осях с помощью процесса, известного как поток зерна . Однако холодная обработка разрушает большую часть кристаллического порядка, и новые кристаллиты, возникающие при отжиге, обычно имеют другую текстуру. Контроль текстуры чрезвычайно важен при изготовлении листов кремнистой стали для сердечников трансформаторов (для уменьшения магнитного гистерезиса ) и алюминиевых банок (поскольку глубокая вытяжка требует чрезвычайно высокой и относительно однородной пластичности.).

Текстура керамики обычно возникает из-за того, что кристаллиты в суспензии имеют форму, которая зависит от ориентации кристаллов, часто игольчатую или пластинчатую. Эти частицы выстраиваются по мере того, как вода покидает суспензию или образуется глина.

Литье или другие переходы из жидкого состояния в твердое (например, осаждение тонкой пленки ) создают текстурированные твердые тела, когда у атомов достаточно времени и энергии активации, чтобы найти место в существующих кристаллах, вместо того, чтобы конденсироваться в виде аморфного твердого тела или образовывать новые кристаллы случайного типа. ориентация. Некоторые грани кристалла (часто плотноупакованные плоскости) растут быстрее, чем другие, и кристаллиты, для которых одна из этих плоскостей обращена в направлении роста, обычно превосходят кристаллы в других ориентациях. В крайнем случае, только один кристалл выживет после определенной длины: он используется в процессе Чохральского (если не используется затравочный кристалл ) и при отливкелопатки турбин и другие детали, чувствительные к ползучести .

Свойства текстуры и материалов [ править ]

Свойства материала, такие как прочность , [3] химическая активность, [4] сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением , [5] свариваемость , [6] поведение при деформации, [3] [4] стойкость к радиационным повреждениям , [7] [8] и магнитные восприимчивость [9] может сильно зависеть от текстуры материала и связанных с ней изменений микроструктуры . Во многих материалах свойства зависят от текстуры, и развитие неблагоприятных текстур при изготовлении или использовании материала может создать слабые места, которые могут инициировать или усугубить поломки. [3][4] Детали могут не работать из-за неблагоприятной текстуры материалов, из которых они изготовлены. [4] [9] Неисправности могут коррелировать с кристаллическими текстурами, образованными во время изготовления или использования этого компонента. [3] [6] Следовательно, рассмотрение текстур, которые присутствуют и могут образовываться в разработанных компонентах во время использования, может иметь решающее значение при принятии решений о выборе некоторых материалов и методов, используемых для производства деталей из этих материалов. [3] [6] Когда детали выходят из строя во время использования или неправильного обращения, понимание текстуры, возникающей в этих частях, может иметь решающее значение для осмысленной интерпретации данных анализа отказов .[3] [4]

Текстуры тонких пленок [ править ]

В результате эффектов подложки, приводящих к предпочтительной ориентации кристаллитов, в тонких пленках обычно возникают выраженные текстуры . [10] Современные технологические устройства в значительной степени полагаются на поликристаллические тонкие пленки с толщиной в нанометровом и микрометровом диапазонах. Это справедливо, например, для всех микроэлектронных и большинства оптоэлектронных систем или сенсорных и сверхпроводящих систем.слои. Большинство текстур тонких пленок можно разделить на два различных типа: (1) для так называемых волоконных текстур ориентация определенной плоскости решетки предпочтительно параллельна плоскости подложки; (2) в двухосных текстурах плоскостная ориентация кристаллитов также имеет тенденцию выравниваться относительно образца. Последнее явление соответственно наблюдается в процессах почти эпитаксиального роста, когда определенные кристаллографические оси кристаллов в слое имеют тенденцию выравниваться вдоль определенной кристаллографической ориентации (монокристаллической) подложки.

Создание текстуры по запросу стало важной задачей в технологии тонких пленок. Например, в случае оксидных соединений, предназначенных для прозрачных проводящих пленок или устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), полярная ось должна быть ориентирована вдоль нормали к подложке. [11] Другой пример - кабели из высокотемпературных сверхпроводников , которые разрабатываются как оксидные многослойные системы, нанесенные на металлические ленты. [12] Регулировка двухосной текстуры в слоях YBa 2 Cu 3 O 7-δ оказалась решающей предпосылкой для достижения достаточно больших критических токов. [13]

Степень текстуры часто подвергается эволюции во время роста тонкой пленки [14], и наиболее выраженные текстуры получаются только после того, как слой достигает определенной толщины. Таким образом, производители тонких пленок нуждаются в информации о профиле текстуры или градиенте текстуры для оптимизации процесса осаждения. Однако определение градиентов текстуры с помощью рассеяния рентгеновских лучей непросто, потому что разная глубина образца влияет на сигнал. Только недавно были разработаны методы, позволяющие адекватно деконволюцию дифракционной интенсивности. [15] [16]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Liss KD, Bartels A, Schreyer A, Clemens H (2003). «Рентгеновские лучи высоких энергий: инструмент для передовых массовых исследований в материаловедении и физике» . Текстуры Microstruct . 35 (3/4): 219–52. DOI : 10.1080 / 07303300310001634952 .
  2. ^ Х.-Р. Венк и П. Ван Хоутт (2004). «Текстура и анизотропия». Rep. Prog. Phys . 67 (8): 1367–1428. Bibcode : 2004RPPh ... 67.1367W . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 67/8 / R02 .
  3. ^ Б с д е е О. В. Энглером & Рэндл (2009). Введение в анализ текстуры: макротекстура, микротекстура и сопоставление ориентации, второе издание . CRC Press. ISBN 978-1-4200-6365-3.
  4. ^ a b c d e У. Ф. Кокс, К. Н. Томе, Х. -Р. Венк и Х. Мекинг (2000). Текстура и анизотропия: предпочтительные ориентации в поликристаллах и их влияние на свойства материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-79420-6.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ DB Knorr, JM Peltier и RM Pelloux, "Влияние кристаллографической текстуры и температуры испытаний на возникновение и распространение йодных коррозионных трещин под напряжением в циркалое" (1972). Цирконий в атомной промышленности: Шестой международный симпозиум . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. С. 627–651.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ a b c Питер Радлинг; А. Штрассер и Ф. Гарзаролли. (2007). Сварка циркониевых сплавов (PDF) . Швеция: Advanced Nuclear Technology International. С. 4–3 (4–13).
  7. ^ YS Ким; HK Woo; К.С. Им и С.И. Квун (2002). Причина повышенной коррозии циркониевых сплавов гидридами . Цирконий в атомной промышленности: тринадцатый международный симпозиум . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. п. 277. ISBN. 978-0-8031-2895-8.
  8. ^ Brachet J .; Portier L .; Форгерон Т .; Hivroz J .; Hamon D .; Guilbert T .; Bredel T .; Yvon P .; Mardon J .; Жак П. (2002). Влияние содержания водорода на температуры α / β-фазового превращения и на термомеханическое поведение сплавов Zy-4, M4 (ZrSnFeV) и M5 ™ (ZrNbO) во время первой фазы переходного процесса LOCA . Цирконий в атомной промышленности: тринадцатый международный симпозиум . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. п. 685. ISBN 978-0-8031-2895-8.
  9. ^ а б Б. С. Каллити (1956). Элементы рентгеновской дифракции . Соединенные Штаты Америки: Аддисон-Уэсли. стр.  273 -274.
  10. ^ Высокоориентированные пленки TiO 2 на кварцевых подложках Поверхностные покрытия и технологии
  11. ^ М. Биркхольцем, Б. Сел, Ф. Fenske и В. Fuhs (2003). «Структурно-функциональная взаимосвязь между предпочтительной ориентацией кристаллитов и удельным электрическим сопротивлением в тонких поликристаллических пленках ZnO: Al». Phys. Rev. B . 68 (20): 205414. Bibcode : 2003PhRvB..68t5414B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.68.205414 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ А. Гоял, М. Parans Paranthaman и У. Schoop (2004). «Подход RABiTS: использование биаксиально текстурированных подложек с помощью прокатки для высокопроизводительных сверхпроводников YBCO». МИССИС БЫК . 29 (август): 552–561. DOI : 10.1557 / mrs2004.161 .
  13. ^ Ю. Иидзима, К. Kakimoto, Ю. Ямада, Т. Izumi, Т. Saitoh и Y. Shiohara (2004). «Исследование и разработка шаблонов IBAD-GZO с биаксиальной текстурой для сверхпроводников с покрытием». МИССИС БЫК . 29 (август): 564–571. DOI : 10.1557 / mrs2004.162 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Ф. Фенск, Б. Сел, М. Биркхолец (2005). «Предпочтительная ориентация и анизотропный рост в поликристаллических пленках ZnO: Al, полученных магнетронным распылением» . Jpn. J. Appl. Phys. Lett . 44 (21): L662 – L664. Bibcode : 2005JaJAP..44L.662F . DOI : 10,1143 / JJAP.44.L662 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ J. Bonarski (2006). «Рентгеновская текстурная томография приповерхностных областей». Прогр. Мат. Sc . 51 : 61–149. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2005.05.001 .
  16. ^ М. Биркхольцем (2007). «Моделирование дифракции на градиентах текстуры волокна в тонких поликристаллических пленках» . J. Appl. Cryst . 40 (4): 735–742. DOI : 10.1107 / S0021889807027240 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бунге, Х.-Дж. "Mathematische Methoden der Texturanalyse" (1969) Akademie-Verlag, Берлин
  • Бунге, Х.-Дж. «Анализ текстуры в материаловедении» (1983) Баттерворт, Лондон
  • Kocks, UF, Tomé, CN, Wenk, H.-R., Beaudoin, AJ, Mecking, H. «Текстура и анизотропия - предпочтительные ориентации в поликристаллах и их влияние на свойства материалов» (2000) Cambridge University Press ISBN 0-521 -79420-X 
  • Биркхольц, М., глава 5 «Анализ тонких пленок с помощью рассеяния рентгеновских лучей» (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN 3-527-31052-5 

Внешние ссылки [ править ]

  • aluMatter: Представление текстуры
  • Набор инструментов MTEX ​​MATLAB для анализа текстур
  • Labotex, ODF / программа для анализа текстур для Microsoft Windows
  • Кристаллографическая текстура
  • Комбинированный анализ