Текстура (кристаллическая) - Texture (crystalline)

Полярные фигуры, показывающие кристаллографическую текстуру гамма-TiAl в альфа-2-гамма сплаве, измеренную с помощью рентгеновских лучей высокой энергии.^[1]

В материаловедение, текстура - распределение кристаллографических ориентаций поликристаллический образец (он также входит в состав геологического ткань ). Говорят, 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 процентного содержания кристаллов, имеющих предпочтительную ориентацию. Текстура присутствует почти во всех разработанных материалах и может иметь большое влияние на свойства материалов. Также, геологический породы показывают текстуру из-за их термомеханической истории процессов формирования.

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

Характеристика и представление

Текстуру можно определить разными методами.^[2] Некоторые методы позволяют проводить количественный анализ текстуры, другие - только качественные. Среди количественных методов наиболее широко используются дифракция рентгеновских лучей с использованием текстурных гониометров, а затем EBSD метод (дифракция обратного рассеяния электронов ) в растровые электронные микроскопы. Качественный анализ можно провести Лауэ фотография, простая дифракция рентгеновских лучей или с помощью поляризованного микроскопа. Нейтрон и синхротрон рентгеновские лучи высоких энергий дифракции подходят для определения текстуры объемных материалов и на месте анализа, тогда как лабораторные приборы для дифракции рентгеновских лучей больше подходят для анализа текстур тонких пленок.

Текстура часто представлена с помощью полюсная фигура, в котором указанный кристаллографический 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 называют направлением прокатки. RD, поперечное направление TD и нормальное направление 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

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 приведены в индексы Миллера в целях упрощения.

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

Функция распределения ориентации

Полное трехмерное представление кристаллографической текстуры дается функция распределения ориентации ( ${ displaystyle ODF}$ ), что может быть достигнуто путем оценки набора полюсных фигур или дифракционных картин. Впоследствии все полюсные фигуры могут быть получены из ${ displaystyle ODF}$ .

В ${ displaystyle ODF}$ определяется как объемная доля зерен с определенной ориентацией ${ displaystyle { boldsymbol {g}}}$ .

{ displaystyle ODF ({ boldsymbol {g}}) = { frac {1} {V}} { frac {dV ({ boldsymbol {g}})} {dg}}.}

Ориентация ${ displaystyle { boldsymbol {g}}}$ обычно идентифицируется с помощью трех Углы Эйлера. Углы Эйлера затем 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 уравнением ${ displaystyle ODF}$ .

Функция распределения ориентации, ${ displaystyle ODF}$ , нельзя измерить напрямую никакими методами. Традиционно и дифракция рентгеновских лучей, и EBSD могут собирать полюсные фигуры. Существуют разные методологии получения ${ displaystyle ODF}$ от полюсных фигур или данных в целом. Их можно классифицировать по тому, как они представляют ${ displaystyle ODF}$ . Некоторые представляют ${ displaystyle ODF}$ как функцию, сумму функций или разложите ее в ряд гармонических функций. Другие, известные как дискретные методы, делят ${ displaystyle ODF}$ пространство в ячейках и сосредоточиться на определении значения ${ displaystyle ODF}$ в каждой ячейке.

Происхождение

Сканирование секционированных, кованый шатун который был вытравлен, чтобы показать поток зерна.

В провод и волокно, все кристаллы имеют тенденцию иметь почти одинаковую ориентацию в осевом направлении, но почти случайную радиальную ориентацию. Наиболее известные исключения из этого правила: стекловолокно, у которого есть без кристаллической структуры, и углеродное волокно, в котором кристаллическая анизотропия настолько велика, что качественная нить будет представлять собой искаженный монокристалл с приблизительно цилиндрической симметрией (часто по сравнению с желе-ролл ). Монокристаллические волокна тоже не редкость.

Изготовление лист металла часто включает сжатие в одном направлении и, при эффективных операциях прокатки, растяжение в другом, что может ориентировать кристаллиты по обеим осям с помощью процесса, известного как поток зерна. Тем не мение, холодная работа разрушает большую часть кристаллического порядка, и новые кристаллиты, которые возникают с отжиг обычно имеют разную фактуру. Контроль текстуры чрезвычайно важен при создании кремнистая сталь лист для трансформатор ядра (для уменьшения магнитный гистерезис ) и из алюминиевые банки (поскольку глубокий рисунок требует крайних и относительно однородных пластичность ).

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

Кастинг или другие переходы от жидкости к твердому телу (т. е. осаждение тонких пленок ) создают текстурированные твердые тела, когда у атомов достаточно времени и энергии активации, чтобы найти место в существующих кристаллах, а не конденсироваться в виде конденсата. аморфное твердое тело или запускать новые кристаллы случайной ориентации. Немного грани кристалла (часто плотноупакованные плоскости) растут быстрее, чем другие, и кристаллиты, для которых одна из этих плоскостей обращена в направлении роста, обычно будут превосходить кристаллы в других ориентациях. В крайнем случае, только один кристалл выживет после определенной длины: он используется в Процесс Чохральского (если только затравочный кристалл используется) и при отливке турбина лезвия и другие слизняк -чувствительные части.

Текстура и свойства материалов

Свойства материала, такие как сила,^[3] химическая реакционная способность,^[4] коррозионное растрескивание под напряжением сопротивление,^[5] свариваемость,^[6] деформационное поведение,^[3]^[4] сопротивление радиационное повреждение,^[7]^[8] и магнитная восприимчивость^[9] может сильно зависеть от текстуры материала и связанных с этим изменений в микроструктура. Во многих материалах свойства зависят от текстуры, и развитие неблагоприятных текстур при изготовлении или использовании материала может создавать слабые места, которые могут инициировать или усугублять отказы.^[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 отбор некоторых материалов и методы используются для изготовления деталей из этих материалов.^[3]^[6] Когда части выходят из строя во время использования или неправильного обращения, понимание текстуры, возникающей в этих частях, может иметь решающее значение для осмысленной интерпретации анализ отказов данные.^[3]^[4]

Текстуры тонких пленок

В результате эффектов подложки, приводящих к предпочтительной ориентации кристаллитов, выраженные текстуры, как правило, возникают в тонкие пленки ^[10]. Современные технологические устройства в значительной степени полагаются на поликристаллический тонкие пленки с толщиной в нанометровом и микрометровом диапазонах. Это верно, например, для всех микроэлектроника и большинство оптоэлектронный системы или сенсорные и сверхпроводящий слои. Большинство текстур тонких пленок можно разделить на два разных 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 примерно в эпитаксиальный процессы роста, при которых определенные кристаллографические оси кристаллов в слое имеют тенденцию выстраиваться вдоль определенной кристаллографической ориентации (монокристаллической) подложки.

Создание текстуры по запросу стало важной задачей в технологии тонких пленок. В случае оксидных соединений, предназначенных для прозрачные проводящие пленки или же поверхностная акустическая волна (SAW), например, полярная ось должна быть выровнена по нормали к подложке.^[11] Другой пример - кабели от высокотемпературные сверхпроводники которые разрабатываются как оксидные многослойные системы, нанесенные на металлические ленты.^[12] Корректировка двухосной текстуры в YBa₂Cu₃О_{7 − δ} слои оказались 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 достигнет определенной толщины. Таким образом, производителям тонких пленок требуется информация о профиле текстуры или градиенте текстуры для оптимизации процесса осаждения. Определение градиентов текстуры по рассеяние рентгеновских лучей Однако это не так просто, потому что разная глубина образца влияет на сигнал. Только недавно были разработаны методы, позволяющие адекватно деконволюцию дифракционной интенсивности.^[15]^[16]

дальнейшее чтение

Бунге, Х.-Дж. "Mathematische Methoden der Texturanalyse" (1969) Akademie-Verlag, Берлин
Бунге, Х.-Дж. «Анализ текстуры в материаловедении» (1983) Баттерворт, Лондон
Кокс, У. Ф., Томе, К. Н., Венк, Х.-Р., Бодуан, А. Дж., Мекинг, Х. «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 книги «Анализ тонких пленок с помощью рассеяния рентгеновских лучей» (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN 3-527-31052-5

внешняя ссылка

[Liss-1] Лисс К.Д., Бартельс А., Шрейер А., Клеменс Н. (2003). «Рентгеновские лучи высоких энергий: инструмент для передовых массовых исследований в области материаловедения и физики». Текстуры микроструктуры. 35 (3/4): 219–52. Дои:10.1080/07303300310001634952.

[Wenk2004-2] Х.-Р. Венк и П. Ван Хоутт (2004). «Текстура и анизотропия». Rep. Prog. Phys. 67 (8): 1367–1428. Bibcode:2004об / ч ... 67,1367Вт. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 67/8 / R02.

[Engler_and_Randle-3] а ^б ^c ^d ^е ^ж О. Энглер и В. Рэндл (2009). Введение в анализ текстуры: макротекстура, микротекстура и сопоставление ориентации, второе издание. CRC Press. ISBN 978-1-4200-6365-3.

[Kocks_et_al-4] а ^б ^c ^d ^е 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 (связь)

[Knorr_et_al-5] Д. Б. Кнорр, Дж. М. Пельтье и Р. М. Пеллу, «Влияние кристаллографической текстуры и температуры испытания на возникновение и распространение йодных коррозионных трещин в циркалое» (1972). Цирконий в атомной промышленности: шестой международный симпозиум. Филадельфия, Пенсильвания: ASTM. С. 627–651.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[Rudling_et_al-6] а ^б ^c Питер Радлинг; А. Штрассер и Ф. Гарзаролли. (2007). Сварка циркониевых сплавов (PDF). Швеция: Advanced Nuclear Technology International. С. 4–3 (4–13).

[7] Ю. С. Ким; Х. К. Ву; 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 фазового превращения α / β 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.

[Cullity-9] а ^б Б. К. Каллити (1956). Элементы рентгеновской дифракции. Соединенные Штаты Америки: Аддисон-Уэсли. стр.273 –274.

[10] Высокоориентированный TiO₂ пленки на кварцевых подложках Покрытия поверхностей и технологии

[Birk2003-11] М. Биркхольц, Б. Селле, Ф. Фенске и В. Фухс (2003). «Структурно-функциональная взаимосвязь между предпочтительной ориентацией кристаллитов и удельным электрическим сопротивлением в тонких поликристаллических пленках ZnO: Al». Phys. Ред. B. 68 (20): 205414. Bibcode:2003ПхРвБ..68т5414Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.68.205414.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[Goya2004-12] А. Гойал, М. Паранс Парантаман и У. Шуп (2004). «Подход RABiTS: использование биаксиально текстурированных подложек с помощью прокатки для высокопроизводительных сверхпроводников YBCO». Миссис бык. 29 (Август): 552–561. Дои:10.1557 / mrs2004.161.

[Iiji2004-13] Ю. Иидзима, К. Какимото, Ю. Ямада, Т. Идзуми, Т. Сайто и Ю. Шиохара (2004). «Исследование и разработка шаблонов IBAD-GZO с биаксиальной текстурой для сверхпроводников с покрытием». Миссис бык. 29 (Август): 564–571. Дои:10.1557 / mrs2004.162.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[Fens2005-14] Ф. Фенске, Б. Селле, М. Биркхольц (2005). «Предпочтительная ориентация и анизотропный рост в поликристаллических пленках ZnO: Al, полученных с помощью магнетронного распыления». Jpn. J. Appl. Phys. Латыш. 44 (21): L662 – L664. Bibcode:2005JaJAP..44L.662F. Дои:10.1143 / JJAP.44.L662.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[Bona2006-15] Я. Бонарски (2006). «Рентгеновская текстурная томография приповерхностных областей». Прогр. Мат. Sc. 51: 61–149. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2005.05.001.

[Birk2007-16] М. Биркхольц (2007). «Моделирование дифракции от градиентов текстуры волокна в тонких поликристаллических пленках».. J. Appl. Кристалл. 40 (4): 735–742. Дои:10.1107 / S0021889807027240.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]