stringtranslate.com

Текстура (химия)

Полюсные фигуры, демонстрирующие кристаллографическую текстуру гамма-TiAl в альфа2-гамма-сплаве, измеренную с помощью рентгеновских лучей высокой энергии. [1]

По физической химии [ ненадежный источник? ] и материаловедения , текстура — это распределение кристаллографических ориентаций поликристаллического образца (она также является частью геологической ткани ). Говорят, что образец, в котором эти ориентации полностью случайны, не имеет отчетливой текстуры. Если кристаллографические ориентации не случайны, а имеют некоторую преимущественную ориентацию, то образец имеет слабую, умеренную или сильную текстуру. Степень зависит от процентного содержания кристаллов, имеющих предпочтительную ориентацию.

Текстура присутствует практически во всех инженерных материалах и может иметь большое влияние на свойства материалов. Текстура материалов формируется в ходе термомеханических процессов, например, во время производственных процессов, например прокатки . Следовательно, за процессом прокатки часто следует термическая обработка для уменьшения количества нежелательной текстуры. Управление производственным процессом в сочетании с оценкой текстуры и микроструктуры материала помогает определить свойства материалов, то есть взаимосвязь обработка-микроструктура-текстура-свойства . [2] [3] [4] Кроме того, геологические породы имеют текстуру из-за 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, достаточно больших, чем размер кристаллитов. Противоположная крайность — идеальный монокристалл, который, вероятно, обладает анизотропными свойствами по геометрической необходимости.

Характеристика и представление

Текстуру можно определить различными методами. [5] Некоторые методы позволяют провести количественный анализ текстуры, тогда как другие являются только качественными. Среди количественных методов наибольшее распространение получил дифракция рентгеновских лучей с использованием текстурных гониометров, а затем метод дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) в сканирующих электронных микроскопах . Качественный анализ можно провести с помощью фотографии Лауэ , простой рентгеновской дифракции или с помощью поляризационного микроскопа . Нейтронная и синхротронная дифракция рентгеновских лучей высоких энергий подходят для определения текстуры сыпучих материалов и анализа in situ , тогда как лабораторные рентгеновские дифракционные приборы больше подходят для анализа текстур тонких пленок.

Текстура часто представляется с помощью полюсной фигуры , в которой указанная кристаллографическая ось (или полюс) каждого из репрезентативного числа кристаллитов отображается в стереографической проекции вместе с направлениями, соответствующими истории обработки материала. Эти направления определяют так называемую систему отсчета образца и, поскольку исследование текстур начинаются с холодной обработки металлов, обычно называются направлением прокатки RD , поперечным направлением TD и нормальным направлением ND . Для тянутых металлических проволок ось цилиндрического волокна оказалась направлением образца, вокруг которого обычно наблюдается преимущественная ориентация (см. ниже).

Общие текстуры

Существует несколько текстур, которые обычно встречаются в обработанных (кубических) материалах. Они названы либо по имени ученого, который их открыл, либо по материалу, в котором они чаще всего встречаются. Для упрощения они приведены в индексах Миллера .

Функция распределения ориентации

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

ODF определяется как объемная доля зерен с определенной ориентацией .

Ориентация обычно определяется с помощью трех углов Эйлера . Углы Эйлера тогда описывают переход от системы отсчета образца в кристаллографическую систему отсчета каждого отдельного зерна поликристалла. Таким образом, мы получаем большой набор различных углов Эйлера, распределение которых описывается ФРО.

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

Происхождение

Скан кованого шатуна в разрезе , на котором выгравировано изображение потока зерна.

В проводах и волокнах все кристаллы имеют тенденцию иметь почти одинаковую ориентацию в осевом направлении, но почти случайную радиальную ориентацию. Наиболее распространенными исключениями из этого правила являются стекловолокно , не имеющее кристаллической структуры , и углеродное волокно , в котором кристаллическая анизотропия настолько велика, что нить хорошего качества будет представлять собой искаженный монокристалл с приблизительно цилиндрической симметрией (часто сравнивают с желе рулон ). Монокристаллические волокна также не являются редкостью.

Изготовление металлического листа часто включает сжатие в одном направлении, а при эффективных операциях прокатки - растяжение в другом, что может ориентировать кристаллиты по обеим осям с помощью процесса, известного как поток зерен . 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 чрезвычайной и относительно однородной пластичности ).

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

Литье или другие переходы из жидкости в твердое тело (т. е. осаждение тонкой пленки ) производят текстурированные твердые тела, когда у атомов есть достаточно времени и энергии активации, чтобы найти места в существующих кристаллах, вместо того, чтобы конденсироваться в аморфное твердое тело или создавать новые кристаллы случайного происхождения. ориентация. Некоторые грани кристалла (часто плотноупакованные плоскости) растут быстрее, чем другие, и кристаллиты, у которых одна из этих плоскостей обращена в направлении роста, обычно вытесняют кристаллы в других ориентациях. В крайнем случае, после определенной длины выживет только один кристалл: он используется в процессе Чохральского (если не используется затравочный кристалл ), а также при отливке лопаток турбин и других деталей, чувствительных к ползучести .

Свойства текстур и материалов

Свойства материала, такие как прочность , [6] химическая активность, [7] стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением , [8] свариваемость , [9] деформационное поведение, [6] [7] стойкость к радиационному повреждению , [10] [11] и магнитному воздействию. восприимчивость [12] может сильно зависеть от текстуры материала и связанных с этим изменений в микроструктуре . Во многих материалах свойства зависят от текстуры, и появление неблагоприятных текстур при изготовлении или использовании материала может создать слабые места, которые могут инициировать или усугубить неисправности. [6] [7] Детали могут не работать из-за неблагоприятной текстуры материалов, из которых они состоят. [7] [12] Неисправности могут коррелировать с кристаллической текстурой, образовавшейся во время изготовления или использования этого компонента. [6] [9] Следовательно, рассмотрение текстур, которые присутствуют и которые могут образовываться в инженерных компонентах во время их использования, может иметь решающее значение при принятии решений о выборе некоторых материалов и методов , используемых для изготовления деталей из этих материалов. [6] [9] Когда детали выходят из строя во время эксплуатации или неправильного обращения, понимание текстур, возникающих внутри этих деталей, может иметь решающее значение для значимой интерпретации данных анализа отказов . [6] [7]

Тонкопленочные текстуры

В результате эффектов подложки, создающих предпочтительную ориентацию кристаллитов, в тонких пленках обычно возникают выраженные текстуры . [13] Современные технологические устройства в значительной степени полагаются на тонкие поликристаллические пленки толщиной в нанометровом и микрометровом диапазонах. Это справедливо, например, для всех микроэлектронных и большинства оптоэлектронных систем или сенсорных и сверхпроводящих слоев. Большинство текстур тонких пленок можно отнести к одному из двух различных типов: (1) для так называемых волоконных текстур ориентация определенной плоскости решетки предпочтительно параллельна плоскости подложки; (2) в двухосных текстурах плоская ориентация кристаллитов также имеет тенденцию выравниваться относительно образца. Соответственно, последнее явление наблюдается в почти эпитаксиальных процессах роста, когда определенные кристаллографические оси кристаллов в слое имеют тенденцию выравниваться вдоль определенной кристаллографической ориентации (монокристаллической) подложки.

Адаптация текстуры по требованию стала 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 по нормали к подложке. [14] Другой пример – кабели из высокотемпературных сверхпроводников , которые разрабатываются как оксидные многослойные системы, нанесенные на металлические ленты. [15] Настройка двухосной текстуры в слоях YBa 2 Cu 3 O 7−δ оказалась решающей предпосылкой для достижения достаточно больших критических токов. [16]

Степень текстуры часто меняется в процессе роста тонких пленок [17] , и наиболее выраженные текстуры получаются только после достижения слоем определенной толщины. Таким образом, производителям тонких пленок требуется информация о профиле текстуры или градиенте текстуры, чтобы оптимизировать процесс осаждения. Однако определение градиентов текстуры методом рассеяния рентгеновских лучей не является простым, поскольку в сигнал вносит свой вклад различная глубина образца. Методы, позволяющие адекватно выполнять деконволюцию интенсивности дифракции, были разработаны лишь недавно. [18] [19]

Рекомендации

  1. ^ Лисс К.Д., Бартельс А., Шрейер А., Клеменс Х. (2003). «Рентгеновские лучи высокой энергии: инструмент для передовых объемных исследований в области материаловедения и физики». Текстуры Микроструктура . 35 (3/4): 219–52. дои : 10.1080/07303300310001634952 .
  2. ^ Бахл, Сумит; Нитилакш, Польша; Сувас, Сатьям; Кайлас, Сатиш В.; Чаттерджи, Кошик (2017). «Взаимосвязь обработка – микроструктура – ​​кристаллографическая текстура – ​​свойства поверхности при обработке титана с трением и перемешиванием». Журнал материаловедения и производительности . 26 (9): 4206–4216. Бибкод : 2017JMEP...26.4206B. дои : 10.1007/s11665-017-2865-6. ISSN  1059-9495. S2CID  139263116.
  3. ^ Материалы Международной конференции по микроструктуре и текстуре сталей и других материалов; 5-7 февраля 2008 г., Джамшедпур, Индия. Арунансу Халдар, Сатьям Сувас, Дебашиш Бхаттачарджи, Tata Iron and Steel Company, Индийский институт металлов. Лондон: Спрингер. 2009. ISBN 978-1-84882-454-6. ОСЛК  489216165.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  4. ^ Мурти, СВС Нараяна; Наян, Нирадж; Кумар, Панкадж; Нарайанан, П. Рамеш; Шарма, Южная Каролина; Георгий, Коши М. (01 января 2014 г.). «Взаимосвязь микроструктуры, текстуры и механических свойств в многопроходном теплокатаном сплаве Ti – 6Al – 4V». Материаловедение и инженерия: А. 589 : 174–181. doi :10.1016/j.msea.2013.09.087. ISSN  0921-5093.
  5. ^ Х.-Р. Венк и П. Ван Хутт (2004). «Текстура и анизотропия». Реп. прог. Физ . 67 (8): 1367–1428. Бибкод : 2004RPPH...67.1367W. дои : 10.1088/0034-4885/67/8/R02. S2CID  250741723.
  6. ^ abcdef О. Энглер и В. Рэндл (2009). Введение в анализ текстур: макротекстура, микротекстура и ориентационное картографирование, второе издание . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-6365-3.
  7. ^ abcde UF Kocks, CN Tomé, H. -R. 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.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Д. Б. Норр, Дж. М. Пельтье и Р. М. Пеллу, «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. стр. 627–651.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ abc Питер Радлинг; А. Штрассер и Ф. Гарзаролли. (2007). Сварка циркониевых сплавов (PDF) . Швеция: Международная организация по передовым ядерным технологиям. стр. 4–3 (4–13).
  10. ^ Ю.С. Ким; ХК Ву; КС Им и СИ Квун (2002). Причина усиленной коррозии циркониевых сплавов гидридами . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. п. 277. ИСБН 978-0-8031-2895-8. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  11. ^ Браше Дж.; Портье Л.; Форжерон Т.; Хивроз Ж.; Хамон Д.; Гильберт Т.; Бредель Т.; Ивон П.; Мардон Дж.; Жак П. (2002). Влияние содержания водорода на температуры фазовых превращений α/β и на термомеханическое поведение сплавов Zy-4, M4 (ZrSnFeV) и M5™ (ZrNbO) во время первой фазы переходного процесса LOCA . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. п. 685. ИСБН 978-0-8031-2895-8. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  12. ^ ab BC Каллити (1956). Элементы рентгеновской дифракции . Соединенные Штаты Америки: Аддисон-Уэсли. стр. 273–274.
  13. ^ Высокоориентированные пленки TiO2 на кварцевых подложках. Поверхностные покрытия и технологии.
  14. ^ М. Биркхольц, Б. Селле, Ф. Фенске и В. Фус (2003). «Структурно-функциональная связь между предпочтительной ориентацией кристаллитов и электрическим сопротивлением в тонких поликристаллических пленках ZnO:Al». Физ. Преподобный Б. 68 (20): 205414. Бибкод : 2003PhRvB..68t5414B. doi : 10.1103/PhysRevB.68.205414.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ А. Гоял, М. Паранс Парантаман и У. Шуп (2004). «Подход RABiTS: использование подложек с двухосной текстурой с помощью прокатки для высокопроизводительных сверхпроводников YBCO». Миссис Булл . 29 (август): 552–561. дои : 10.1557/mrs2004.161. S2CID  137596044.
  16. ^ Ю. Иидзима, К. Какимото, Ю. Ямада, Т. Идзуми, Т. Сайто и Ю. Сиохара (2004). «Исследование и разработка биаксиально текстурированных шаблонов IBAD-GZO для сверхпроводников с покрытием». Миссис Булл . 29 (август): 564–571. дои : 10.1557/mrs2004.162. S2CID  138727993.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Ф. Фенске, Б. Селле, М. Биркхольц (2005). «Предпочтительная ориентация и анизотропный рост поликристаллических пленок ZnO:Al, полученных магнетронным распылением». Япония. Дж. Прил. Физ. Летт . 44 (21): Л662–Л664. Бибкод : 2005JaJAP..44L.662F. дои :10.1143/JJAP.44.L662. S2CID  59069596.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Дж. Бонарски (2006). «Рентгенотекстурная томография приповерхностных областей». Прогресс в материаловедении . 51 : 61–149. doi :10.1016/j.pmatsci.2005.05.001.
  19. ^ М. Биркхольц (2007). «Моделирование дифракции на градиентах текстуры волокон в тонких поликристаллических пленках». Дж. Прил. Кристаллогр . 40 (4): 735–742. Бибкод : 2007JApCr..40..735B. дои : 10.1107/S0021889807027240.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки