Tekstura (krystaliczna) - Texture (crystalline)

Figury biegunów przedstawiające krystalograficzną teksturę gamma-TiAl w stopie alfa2-gamma, mierzoną promieniowaniem rentgenowskim o wysokiej energii.

W inżynierii materiałowej , tekstura jest dystrybucja krystalograficznych orientacje polikrystalicznego próbki (to jest część geologicznego materiału ). Mówi się, że próbka, w której te orientacje są w pełni losowe, nie ma wyraźnej tekstury. Jeśli orientacje krystalograficzne nie są przypadkowe, ale mają pewną preferowaną orientację, wówczas próbka ma słabą, umiarkowaną lub mocną teksturę. Stopień zależy od procentu kryształów o preferowanej orientacji. Tekstura jest widoczna w prawie wszystkich materiałach inżynieryjnych i może mieć duży wpływ na właściwości materiałów. Również skały geologiczne wykazują teksturę ze względu na ich termomechaniczną historię procesów formacji.

Jednym skrajnym przypadkiem jest całkowity brak tekstury: ciało stałe o idealnie przypadkowej orientacji krystalitów będzie miało właściwości izotropowe w skalach długości wystarczająco większych niż rozmiar krystalitów. Przeciwną skrajnością jest doskonały pojedynczy kryształ, który prawdopodobnie ma właściwości anizotropowe z geometrycznej konieczności.

Charakterystyka i reprezentacja

Teksturę można określić różnymi metodami. Niektóre metody pozwalają na ilościową analizę tekstury, podczas gdy inne są tylko jakościowe. Spośród technik ilościowych najpowszechniej stosowana jest dyfrakcja rentgenowska z użyciem goniometrów tekstury, a następnie metoda EBSD ( dyfrakcja wstecznego rozproszenia elektronów ) w skaningowych mikroskopach elektronowych . Analizę jakościową można przeprowadzić za pomocą fotografii Laue , prostej dyfrakcji rentgenowskiej lub mikroskopu spolaryzowanego. Wysokoenergetyczna dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego na neutronach i synchrotronach jest odpowiednia do określania tekstur materiałów sypkich i analizy in situ , podczas gdy laboratoryjne instrumenty dyfrakcyjne promieni rentgenowskich są bardziej odpowiednie do analizy tekstur cienkich warstw.

Teksturę często przedstawia się za pomocą figury biegunowej , w której określona oś krystalograficzna (lub biegun) każdego z reprezentatywnej liczby krystalitów jest wykreślana w rzucie stereograficznym, wraz z kierunkami związanymi z historią przetwarzania materiału. Kierunki te określają tak zwaną ramkę odniesienia próbki i są, ponieważ badanie tekstur rozpoczęło się od obróbki plastycznej metali na zimno, zwykle określane jako kierunek walcowania RD , kierunek poprzeczny TD i kierunek normalny ND . W przypadku ciągnionych drutów metalowych cylindryczna oś włókna okazała się kierunkiem próbki, wokół którego zwykle obserwuje się preferowaną orientację (patrz poniżej).

Typowe tekstury

Istnieje kilka tekstur, które są powszechnie spotykane w materiałach przetworzonych (sześciennych). Są one nazwane albo przez naukowca, który je odkrył, albo przez materiał, w którym są najczęściej znalezione. Dla uproszczenia podano je w indeksach Millera .

  • Komponent kostki: (001) [100]
  • Element mosiężny: (110) [- 112]
  • Składnik miedziany: (112) [11-1]
  • Składnik S: (123) [63-4]

Funkcja rozkładu orientacji

Pełne odwzorowanie tekstury krystalograficznej w 3D zapewnia funkcja rozkładu orientacji ( ), którą można uzyskać poprzez ocenę zestawu figur biegunowych lub wzorów dyfrakcyjnych. Następnie wszystkie liczby biegunów można wyprowadzić z .

Jest zdefiniowana jako objętość frakcji ziaren o określonej orientacji .

Orientację zwykle określa się za pomocą trzech kątów Eulera . Kąty Eulera opisują następnie przejście od układu odniesienia próbki do układu odniesienia krystalograficznego każdego pojedynczego ziarna polikryształu. W ten sposób kończy się duży zestaw różnych kątów Eulera, których rozkład jest opisany przez .

Funkcji rozkładu orientacji nie można zmierzyć bezpośrednio żadną techniką. Tradycyjnie zarówno dyfrakcja rentgenowska, jak i EBSD mogą zbierać figury biegunowe. Istnieją różne metodologie uzyskiwania wyników na podstawie liczb biegunowych lub danych w ogóle. Można je sklasyfikować na podstawie tego, jak reprezentują . Niektóre reprezentują funkcję, sumę funkcji lub rozszerzają ją w szereg funkcji harmonicznych. Inne, znane jako metody dyskretne, dzielą przestrzeń w komórkach i koncentrują się na określaniu wartości w każdej komórce.

Pochodzenie

Skan przekrojowego, kutego korbowodu , który został wytrawiony w celu pokazania przepływu ziarna.

W drucie i włóknie wszystkie kryształy mają prawie identyczną orientację w kierunku osiowym, ale prawie przypadkową orientację promieniową. Najbardziej znanymi wyjątkami od tej reguły są włókno szklane , które nie ma struktury krystalicznej oraz włókno węglowe , w którym anizotropia krystaliczna jest tak duża, że ​​dobrej jakości włókno będzie zniekształconym pojedynczym kryształem o symetrii w przybliżeniu cylindrycznej (często porównywane do galaretki) rolka ). Nierzadkie są również włókna monokrystaliczne.

Wytwarzanie blachy często wymaga ściskania w jednym kierunku i, w przypadku wydajnych operacji walcowania, rozciągania w innym, co może zorientować krystality w obu osiach w procesie znanym jako przepływ ziarna . Jednak obróbka na zimno niszczy większość porządku krystalicznego, a nowe krystality, które powstają podczas wyżarzania, zwykle mają inną teksturę. Kontrola tekstury jest niezwykle ważna przy wytwarzaniu blachy ze stali krzemowej na rdzenie transformatorów (w celu zmniejszenia histerezy magnetycznej ) i puszek aluminiowych (ponieważ głębokie tłoczenie wymaga ekstremalnej i stosunkowo jednolitej plastyczności ).

Tekstura w ceramice zwykle powstaje, ponieważ krystality w zawiesinie mają kształty zależne od orientacji krystalicznej, często mają kształt igieł lub płytek. Cząsteczki te ustawiają się, gdy woda opuszcza zawiesinę lub gdy tworzy się glina.

Odlewanie lub inne przejścia między cieczą a ciałem stałym (tj. Osadzanie cienkowarstwowe ) tworzą teksturowane ciała stałe, gdy jest wystarczająco dużo czasu i energii aktywacji, aby atomy mogły znaleźć miejsce w istniejących kryształach, zamiast kondensować jako bezpostaciowe ciało stałe lub tworzyć nowe kryształy losowe orientacja. Niektóre fasety kryształu (często ciasno upakowane płaszczyzny) rosną szybciej niż inne, a krystality, dla których jedna z tych płaszczyzn jest zwrócona w kierunku wzrostu, zwykle prześcigają kryształy w innych orientacjach. W skrajnym przypadku tylko jeden kryształ przetrwa po określonej długości: jest to wykorzystywane w procesie Czochralskiego (chyba że jest używany kryształ zaszczepiający ) oraz w odlewaniu łopatek turbin i innych części wrażliwych na pełzanie .

Tekstura i właściwości materiałów

Właściwości materiału, takie jak wytrzymałość , reaktywność chemiczna, odporność na korozję naprężeniową , spawalność , zachowanie podczas odkształcania, odporność na uszkodzenia radiacyjne i podatność magnetyczna mogą w dużym stopniu zależeć od tekstury materiału i związanych z tym zmian w mikrostrukturze . W przypadku wielu materiałów właściwości są specyficzne dla tekstury, a powstawanie niekorzystnych tekstur podczas wytwarzania lub użytkowania materiału może powodować słabości, które mogą inicjować lub zaostrzać awarie. Części mogą nie działać z powodu niekorzystnych tekstur ich materiałów składowych. Awarie mogą korelować z teksturami krystalicznymi powstałymi podczas produkcji lub użytkowania tego komponentu. W związku z tym uwzględnienie tekstur, które są obecne i mogą powstać w zaprojektowanych komponentach podczas użytkowania, może mieć kluczowe znaczenie przy podejmowaniu decyzji dotyczących wyboru niektórych materiałów i metod stosowanych do produkcji części z tych materiałów. Gdy części ulegną awarii podczas użytkowania lub niewłaściwego użytkowania, zrozumienie tekstur występujących w tych częściach może mieć kluczowe znaczenie dla sensownej interpretacji danych analizy awarii .

Cienkie tekstury folii

W wyniku efektów podłoża prowadzących do preferowanych orientacji krystalitów, w cienkich warstwach zwykle pojawiają się wyraźne tekstury . Nowoczesne urządzenia technologiczne w dużej mierze opierają się na cienkich warstwach polikrystalicznych o grubościach rzędu nanometrów i mikrometrów. Dotyczy to na przykład wszystkich systemów mikroelektronicznych i większości optoelektronicznych lub warstw sensorycznych i nadprzewodzących . Większość tekstur cienkowarstwowych można podzielić na jeden z dwóch różnych typów: (1) w przypadku tak zwanych tekstur włókien orientacja pewnej płaszczyzny siatki jest preferencyjnie równoległa do płaszczyzny podłoża; (2) w teksturach dwuosiowych orientacja krystalitów w płaszczyźnie również ma tendencję do ustawiania się w stosunku do próbki. To ostatnie zjawisko jest odpowiednio obserwowane w prawie epitaksjalnych procesach wzrostu, w których pewne osie krystalograficzne kryształów w warstwie mają tendencję do ustawiania się wzdłuż określonej krystalograficznej orientacji podłoża (monokryształu).

Dostosowywanie tekstury na żądanie stało się ważnym zadaniem w technologii cienkowarstwowej. W przypadku związków tlenkowych przeznaczonych na przykład do przezroczystych folii przewodzących lub urządzeń wykorzystujących powierzchniową falę akustyczną (SAW), oś biegunowa powinna być wyrównana wzdłuż normalnej podłoża. Innym przykładem są kable z nadprzewodników wysokotemperaturowych, które są opracowywane jako wielowarstwowe układy tlenków osadzone na metalowych taśmach. Dostosowanie tekstury dwuosiowej w warstwach YBa 2 Cu 3 O 7 − δ okazało się decydującym warunkiem uzyskania dostatecznie dużych prądów krytycznych.

Stopień tekstury często podlega ewolucji podczas wzrostu cienkiej warstwy, a najbardziej wyraźne tekstury uzyskuje się dopiero po osiągnięciu przez warstwę określonej grubości. Producenci cienkowarstwowych wymagają zatem informacji o profilu tekstury lub gradiencie tekstury w celu optymalizacji procesu osadzania. Określenie gradientów tekstury za pomocą rozpraszania promieni rentgenowskich nie jest jednak proste, ponieważ do sygnału wpływają różne głębokości próbki. Techniki, które pozwalają na odpowiednią dekonwolucję intensywności dyfrakcji, zostały opracowane dopiero niedawno.

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Bunge, H.-J. „Mathematische Methoden der Texturanalyse” (1969) Akademie-Verlag, Berlin
  • Bunge, H.-J. „Texture Analysis in Materials Science” (1983) Butterworth, Londyn
  • Kocks, UF, Tomé, CN, Wenk, H.-R., Beaudoin, AJ, Mecking, H. „Texture and Anisotropy - Preferred Orientations in Polycrystals and their Effect on Materials Properties” (2000) Cambridge University Press ISBN   0-521 -79420-X
  • Birkholz, M., rozdział 5 „Thin Film Analysis by X-ray Scattering” (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN   3-527-31052-5

Zewnętrzne linki