stringtranslate.com

Текстура (химия)

Полюсные фигуры, демонстрирующие кристаллографическую текстуру гамма-TiAl в сплаве альфа2-гамма, измеренную с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения. [1]

В физической химии [ ненадежный источник? ] и материаловедении текстура — это распределение кристаллографических ориентаций поликристаллического образца (она также является частью геологической ткани ) . Образец, в котором эти ориентации полностью случайны, считается не имеющим отчетливой 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 наблюдается почти во всех конструкционных материалах и может оказывать большое влияние на свойства материалов. Текстура формируется в материалах во время термомеханических процессов, например, во время производственных процессов, например, прокатки . Следовательно, процесс прокатки часто сопровождается термической обработкой для уменьшения количества нежелательной текстуры. Управление производственным процессом в сочетании с характеристикой текстуры и микроструктуры материала помогает определить свойства материалов, то есть взаимосвязь обработка-микроструктура-текстура-свойство . [2] [3] [4] Кроме того, геологические породы демонстрируют текстуру из-за своей термомеханической истории процессов формирования.

Один крайний случай — полное отсутствие текстуры: твердое тело с совершенно случайной ориентацией кристаллитов будет иметь изотропные свойства в масштабах длины, значительно превышающих размер кристаллитов. Противоположная крайность — идеальный монокристалл, который, вероятно, имеет анизотропные свойства по геометрической необходимости.

Характеристика и представление

Текстуру можно определить различными методами. [5] Некоторые методы позволяют проводить количественный анализ текстуры, в то время как другие являются только качественными. Среди количественных методов наиболее широко используется рентгеновская дифракция с использованием текстурных гониометров, за которым следует метод дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) в сканирующих электронных микроскопах . Качественный анализ можно выполнить с помощью фотографии Лауэ , простой рентгеновской дифракции или с помощью поляризованного микроскопа . Нейтронная и синхротронная высокоэнергетическая рентгеновская дифракция подходят для определения текстуры объемных материалов и анализа in situ , тогда как лабораторные рентгеновские дифракционные приборы больше подходят для анализа текстуры тонких пленок.

Текстура часто представляется с помощью полюсной фигуры , в которой указанная кристаллографическая ось (или полюс) от каждого из представительного 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 началось с холодной обработки металлов, обычно называются направлением прокатки RD , поперечным направлением TD и нормальным направлением ND . Для тянутых металлических проводов цилиндрическая ось волокна оказывается направлением образца, вокруг которого обычно наблюдается предпочтительная ориентация (см. ниже).

Обычные текстуры

Существует несколько текстур, которые обычно встречаются в обработанных (кубических) материалах. Они названы либо по имени ученого, который их открыл, либо по названию материала, 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 получена 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 . Затем углы Эйлера описывают переход от системы отсчета образца к кристаллографической системе отсчета каждого отдельного зерна поликристалла. Таким образом, получается большой набор различных углов Эйлера, распределение которых описывается ODF.

Функция распределения ориентации, ODF, не может быть измерена напрямую ни одним методом. Традиционно и рентгеновская дифракция, и EBSD могут собирать полюсные фигуры. Существуют различные методики для получения ODF из полюсных фигур или данных в целом. Их можно классифицировать на основе того, как они представляют ODF. Некоторые представляют ODF как функцию, сумму функций или разлагают ее в ряд гармонических функций. Другие, известные как дискретные методы, делят пространство ODF на ячейки и фокусируются на определении значения ODF в каждой ячейке.

Происхождение

Сканирование разреза кованого шатуна , на котором протравлена ​​структура зерна.

В проволоке и волокне все кристаллы имеют тенденцию иметь почти одинаковую ориентацию в осевом направлении, но почти случайную радиальную ориентацию. Наиболее известными исключениями из этого правила являются стекловолокно , которое не имеет кристаллической структуры , и углеродное волокно , в котором кристаллическая анизотропия настолько велика, что качественная нить будет представлять собой искаженный монокристалл с приблизительно цилиндрической симметрией (часто сравниваемый с рулетом из желе ). Монокристаллические волокна также не являются редкостью.

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, которые возникают при отжиге, обычно имеют другую текстуру. Контроль текстуры чрезвычайно важен при изготовлении листа 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 пульпе имеют форму, которая зависит от кристаллической ориентации, часто игольчатую или пластинчатую. Эти частицы выравниваются по мере того, как вода покидает пульпу или по мере образования глины.

Литье или другие переходы из жидкого состояния в твердое (например, осаждение тонкой пленки ) производят текстурированные твердые тела, когда есть достаточно времени и энергии активации для того, чтобы атомы нашли места в существующих кристаллах, а не конденсировались в аморфное твердое тело или начинали новые кристаллы случайной ориентации. Некоторые грани кристалла (часто плотно упакованные плоскости) растут быстрее других, и кристаллиты, для которых одна из этих плоскостей обращена в направлении роста, обычно вытесняют кристаллы в других ориентациях. В крайнем случае, только один кристалл выживет после определенной длины: это используется в процессе Чохральского (если не используется затравочный кристалл ) и при литье лопаток турбин и других деталей, чувствительных к ползучести .

Текстура и свойства материалов

Такие свойства материала, 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 магнитная восприимчивость [12] могут сильно зависеть от текстуры материала и связанных с ней изменений в микроструктуре . 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 отказы. [6] [7] Детали могут не работать из-за неблагоприятных текстур в материалах их компонентов. [7] [12] Отказы могут коррелировать с кристаллическими текстурами, образованными во время изготовления или использования этого компонента. [6] [9] Следовательно, рассмотрение текстур, которые присутствуют и могут образоваться в спроектированных компонентах во время 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 использования или неправильного обращения, понимание текстур, которые возникают внутри этих деталей, может иметь решающее значение для осмысленной интерпретации данных анализа отказов . [6] [7]

Тонкопленочные текстуры

В результате эффектов подложки, создающих предпочтительные ориентации кристаллитов, в тонких пленках, как правило, возникают выраженные текстуры . [13] 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 слоев. Большинство текстур тонких пленок можно отнести к одному из двух различных типов: (1) для так называемых волоконных текстур ориентация определенной плоскости решетки преимущественно параллельна плоскости подложки; (2) в двуосных текстурах ориентация кристаллитов в плоскости также имеет тенденцию выравниваться относительно образца. Последнее явление соответственно наблюдается в процессах почти эпитаксиального роста, где 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 (SAW), полярная ось должна быть выровнена вдоль нормали подложки. [14] Другим примером являются кабели из высокотемпературных сверхпроводников , которые разрабатываются как оксидные многослойные системы, нанесенные на металлические ленты. [15] Регулировка двуосной текстуры в слоях YBa 2 Cu 3 O 7−δ оказалась решающей предпосылкой для достижения достаточно больших критических токов. [16]

Степень текстуры часто подвергается эволюции во время роста тонкой пленки [17] , 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 рентгеновского рассеяния не является простым, поскольку разные глубины образца вносят вклад в сигнал. Методы, которые позволяют адекватно деконволюцию интенсивности дифракции, были разработаны только недавно. [18] [19]

Ссылки

  1. ^ Liss KD, Bartels A, Schreyer A, Clemens H (2003). "Высокоэнергетические рентгеновские лучи: инструмент для передовых объемных исследований в материаловедении и физике". Textures Microstruct . 35 (3/4): 219–52. doi : 10.1080/07303300310001634952 .
  2. ^ Бахл, Сумит; Нитилакш, ПЛ; Сувас, Сатьям; Кайлас, Сатиш В.; Чаттерджи, Каушик (2017). «Взаимосвязь обработки, микроструктуры, кристаллографической текстуры и свойств поверхности при обработке титана с перемешиванием и трением». Журнал материаловедения и производительности . 26 (9): 4206–4216. Bibcode : 2017JMEP...26.4206B. doi : 10.1007/s11665-017-2865-6. ISSN  1059-9495. S2CID  139263116.
  3. ^ Труды 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: Springer. 2009. ISBN 978-1-84882-454-6. OCLC  489216165.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  4. ^ Murty, SVS Narayana; Nayan, Niraj; Kumar, Pankaj; Narayanan, P. Ramesh; Sharma, SC; George, Koshy M. (2014-01-01). "Взаимосвязь микроструктуры, текстуры и механических свойств в многопроходном теплокатаном сплаве Ti–6Al–4V". Materials Science and Engineering: A . 589 : 174–181. doi :10.1016/j.msea.2013.09.087. ISSN  0921-5093.
  5. ^ H.-R. Wenk & P. ​​Van Houtte (2004). «Текстура и анизотропия». Rep. Prog. Phys . 67 (8): 1367–1428. Bibcode :2004RPPh...67.1367W. doi :10.1088/0034-4885/67/8/R02. S2CID  250741723.
  6. ^ abcdef O. Engler & V. Randle (2009). Введение в анализ текстур: макротекстура, микротекстура и картирование ориентации, второе издание . CRC Press. ISBN 978-1-4200-6365-3.
  7. ^ abcde UF Kocks, CN Tomé, H. -R. Wenk и H. Mecking (2000). Текстура и анизотропия: предпочтительные ориентации в поликристаллах и их влияние на свойства материалов . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-79420-6.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ DB Knorr, JM Peltier и RM Pelloux, «Влияние кристаллографической текстуры и температуры испытания на возникновение и распространение трещин коррозионного напряжения под действием йода в циркалое» (1972). Цирконий в ядерной 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: Advanced Nuclear Technology International. стр. 4–3(4–13).
  10. ^ YS Kim; HK Woo; KS Im & SI Kwun (2002). Причина усиленной коррозии циркониевых сплавов гидридами . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. стр. 277. ISBN 978-0-8031-2895-8. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  11. ^ Brachet J.; Portier L.; Forgeron T.; Hivroz J.; Hamon D.; Guilbert T.; Bredel T.; Yvon P.; Mardon J.; Jacques P. (2002). Влияние содержания водорода на температуры фазового превращения α/β и на термомеханическое поведение сплавов Zy-4, M4 (ZrSnFeV) и M5™ (ZrNbO) во время первой фазы переходного процесса LOCA . Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. стр. 685. ISBN 978-0-8031-2895-8. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  12. ^ ab BC Cullity (1956). Элементы рентгеновской дифракции . Соединенные Штаты Америки: Addison-Wesley. С. 273–274.
  13. ^ Высокоориентированные пленки TiO2 на кварцевых подложках Поверхностные покрытия и технологии
  14. ^ M. Birkholz, B. Selle, F. Fenske и W. Fuhs (2003). "Структурно-функциональная связь между предпочтительной ориентацией кристаллитов и электрическим сопротивлением в тонких поликристаллических пленках ZnO:Al". Phys. Rev. B. 68 ( 20): 205414. Bibcode : 2003PhRvB..68t5414B. doi : 10.1103/PhysRevB.68.205414.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ A. Goyal, M. Parans Paranthaman и U. Schoop (2004). «Подход RABiTS: использование двухосно-текстурированных подложек с помощью прокатки для высокопроизводительных сверхпроводников YBCO». MRS Bull . 29 (август): 552–561. doi :10.1557/mrs2004.161. S2CID  137596044.
  16. ^ Y. Iijima, K. Kakimoto, Y. Yamada, T. Izumi, T. Saitoh и Y. Shiohara (2004). «Исследования и разработки двуосно-текстурированных шаблонов IBAD-GZO для сверхпроводников с покрытием». MRS Bull . 29 (август): 564–571. doi :10.1557/mrs2004.162. S2CID  138727993.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ F. Fenske, B. Selle, M. Birkholz (2005). "Предпочтительная ориентация и анизотропный рост в поликристаллических пленках ZnO:Al, полученных методом магнетронного распыления". Jpn. J. Appl. Phys. Lett . 44 (21): L662–L664. Bibcode : 2005JaJAP..44L.662F. doi : 10.1143/JJAP.44.L662. S2CID  59069596.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ J. Bonarski (2006). "Рентгеновская текстурная томография приповерхностных областей". Progress in Materials Science . 51 : 61–149. doi :10.1016/j.pmatsci.2005.05.001.
  19. ^ М. Биркхольц (2007). «Моделирование дифракции от градиентов текстуры волокон в тонких поликристаллических пленках». J. Appl. Crystallogr . 40 (4): 735–742. Bibcode : 2007JApCr..40..735B. doi : 10.1107/S0021889807027240.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки