1晶體學(xué)及織構(gòu)基礎(chǔ)

1.1 取向(差)的定義及表征

晶體的[100]-[010]-[001]坐標(biāo)系CCS相對(duì)于樣品坐標(biāo)系SCS：RD(rolling direction, 軋向)-TD(transverse direction, 橫向)-ND (normaldirection,法向)（或X-Y-Z）的位置關(guān)系。

取向差的定義

·兩個(gè)晶體坐標(biāo)系之間的關(guān)系

–   crystal coordinate system for crystal 1(CCS1)

–   crystal coordinate system for crystal 2(CCS2)

取向(差)的表征

(1) Rotation matrix G旋轉(zhuǎn)矩陣

(2) Miller indices

(3) Euler angles歐拉角

(4) Angle/axis of rotation旋轉(zhuǎn)軸角

(5) Quaternion四元

(1) Rotation matrix G

(2) Miller Indices

·(hkl)[uvw] , (hkl)||軋面,[uvw]||軋向

·{hkl}<uvw> Miller指數(shù)族

·For a cubic crystal structure, (hkl)[uvw] 等效于 [hkl]||Z and [uvw]||X

Examples – Miller Indices

(3) Euler angle

Euler角（φ1, Φ, φ2)的物理意義：

第一次：繞Z軸（ND）轉(zhuǎn)φ1 角

第二次：繞新的X軸（RD）轉(zhuǎn)Φ角

第三次：繞新的Z軸（ND） 轉(zhuǎn)φ2角

這時(shí)樣品坐標(biāo)軸和晶體坐標(biāo)軸重合。

(4) Angle/Axis of Rotation

·w°<uvw>

·常用于表示取向差

·可由旋轉(zhuǎn)矩陣G得到

86° <1-210> Mg合金中常見孿晶

(5) Querternion

四元素法：(Q0,Q1,Q2,Q3)，在計(jì)算晶粒的平均取向有用。

S取向的5種表示

取向表達(dá)的數(shù)學(xué)互換

取向的等價(jià)形式

對(duì)于立方晶體，每個(gè)取向有24種等價(jià)形式: (301, 36.7,26.7)=(123)[63-4]

1.2 織構(gòu)的定義及表征

織構(gòu)的定義：多晶體中晶粒取向的擇優(yōu)分布。

織構(gòu)與取向的區(qū)別：多與單的關(guān)系。

織構(gòu)決定材料性能的典型例子：取向硅鋼的Goss織構(gòu)控制，汽車深沖IF鋼{111}織構(gòu)控制，飲料罐用AA3104板材的制耳控制、高壓陽(yáng)極電容鋁箔的Cube織構(gòu)控制，超導(dǎo)帶材的鎳基帶的Cube織構(gòu)控制等等。

極圖

極圖：某一特定{hkl}晶面在樣品坐標(biāo)系下的極射赤面投影。主要用來描述板織構(gòu){hkl}<uvw>。

晶面法線投影到球上，在投影到赤道面上

兩種投影方法：上半球投影法和等面積投影法。

 

反極圖

反極圖：樣品坐標(biāo)系在晶體坐標(biāo)系中的投影。一般描述絲織構(gòu)。

先將樣品坐標(biāo)軸投影到球上，再投影到赤道面上

常用：上半球投影法和立體投影法。

 

取向分布函數(shù)圖

（3）取向分布函數(shù)圖ODF。用于精確表示織構(gòu)。

織構(gòu)的表示方法-例子

例如：銅型織構(gòu){111}<11-2>反極圖

織構(gòu)的等價(jià)形式

{hkl}<uvw>

晶體對(duì)稱性：24種形式

樣品對(duì)稱性：4種 {hkl}<uvw>

{hk-l}<-u-vw>

{hlk}<uwv>

{hl-k}<-u-wv>

但對(duì)于特殊的織構(gòu)：

Cube：1 重樣品對(duì)稱性，24種形式

Goss ：1 重樣品對(duì)稱性，24種形式

Brass：2 重樣品對(duì)稱性，48種形式

S：4 重樣品對(duì)稱性，96種形式

Copper: 2 重樣品對(duì)稱性，48種形式

常見理想織構(gòu)

再結(jié)晶織構(gòu)：Cube

冷軋織構(gòu)：Brass，S和Copper織構(gòu)

拉伸織構(gòu)：<111>和<100>//拉拔方向

冷墩織構(gòu)：高層錯(cuò)能(Cu):<110>，低層錯(cuò)能(Cu-30%Zn)同時(shí)出現(xiàn)<111>

 

1.3 織構(gòu)的檢測(cè)方法

（1）X射線法、中子衍射法

（2）TEM及菊池花樣分析技術(shù)（TEM/SAD/MBED/CBED）

（3）三維X射線顯微分析技術(shù)

測(cè)量塊狀樣品內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)及取向

–用晶體衍射的方法

需要一個(gè)高能量的同步輻射X射線設(shè)備

–ESRF, Hamburg （德國(guó)漢堡）

對(duì)塊狀材料三維微觀結(jié)構(gòu)的完整表征

–10mm厚 鋁樣品

–2mm厚 樣品

織構(gòu)分析測(cè)試技術(shù)的比較

·X射線衍射、中子衍射：定量測(cè)定材料宏觀織構(gòu)

·SEM及電子背散射衍射(EBSD) ：微觀組織表征及微區(qū)晶體取向測(cè)定(空間分辨率可達(dá)到0.1μm)

·TEM及菊池衍射花樣分析技術(shù)：微觀組織表征及微區(qū)晶體取向測(cè)定(空間分辨率可達(dá)到30nm)

·三維同步輻射X射線顯微分析：塊狀樣品的晶體結(jié)構(gòu)及取向的無損測(cè)定（3維空間分辨率2 x 2 x 2mm3 ）

 

3 工程材料的織構(gòu)控制

2.1  第二代高溫超導(dǎo)材料

要求：

高純鎳?yán)滠?5%的織構(gòu)

高純鎳退火后的再結(jié)晶織構(gòu)

 

2.2 汽車覆蓋件用IF鋼

汽車用IF鋼具有超深沖變形性，不但要求板材含碳量低，冶金質(zhì)量好，而且要求板材的力學(xué)性能各向異性，即板材軋向和橫向的變形抗力明顯低于板法向的變形抗力。在工程中r值來表示,其值越大，深沖性越好。

從圖上可以看出，板材的織構(gòu)是影響r值的主要因素。板材的γ-纖維織構(gòu)（<111>||ND，ND為軋面法線方向）越強(qiáng)，其深沖性能越好。

板材中的織構(gòu)與r值有密切關(guān)系。大量研究表明，當(dāng)板材多數(shù)晶粒{111}//軋面時(shí)可使板材的r值提高，而當(dāng)板材多數(shù)晶粒的{100}//軋面時(shí)可使板材的r值降低。

 

IF鋼生產(chǎn)工藝流程及組織示意圖

生產(chǎn)的三個(gè)關(guān)鍵因素

IF鋼的冷軋過程中織構(gòu)的控制

相鄰取向差分布基本接近完全再結(jié)晶的理想隨機(jī)取向差分布曲線，表明試樣完全再結(jié)晶。

冷軋30％時(shí)已形成一定量的γ纖維，而α纖維尚未完全形成。

冷變形50％時(shí)部分α纖維已形成，γ纖維繼續(xù)增加。

冷變形70～80％時(shí)γ纖維顯著增加，α纖維增加緩慢

冷變形90％時(shí)γ纖維中{111}<112>最強(qiáng)，α纖維中{001}<110>最強(qiáng)。

 

2.3 電工鋼中的織構(gòu)控制

低的鐵損及強(qiáng)磁場(chǎng)下高的磁感應(yīng)強(qiáng)度是硅鋼十分重要的技術(shù)指標(biāo)。由于硅鐵單晶體的磁性是各向異性的，其中<100>方向是最易磁化方向。因此，工業(yè)上往往追求電工鋼板內(nèi)各晶粒的<100>方向盡可能平行于板面。

對(duì)于取向電工鋼人們希望獲得強(qiáng)的Goss{110} <001>織構(gòu)，而對(duì)于無取向電工鋼則希望得強(qiáng)的{100}<0vw>織構(gòu)。

為了獲得極強(qiáng)的{110}<001>織構(gòu)，在加工過程中每一道工序中均應(yīng)注意控制晶粒的組織結(jié)構(gòu)和取向分布的狀態(tài)。尤其是連鑄和熱軋工序?qū)τ谧罱K{110}<001>織構(gòu)的生成具有重要的影響。

{110}<001>織構(gòu)初步形成于熱軋之后，并在最終冷軋退火后的板材產(chǎn)品中占據(jù)了統(tǒng)治的地位。

冷軋取向電工鋼的典型生產(chǎn)工藝

2.4 飲料罐用AA3104鋁合金織構(gòu)控制

AA3104鋁合金特點(diǎn)

·Al-Mn-Mg系，具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、良好的深沖和變薄拉深性能。

目前是世界上廣泛使用的罐料用鋁合金。

·要求：除滿足一定的強(qiáng)度和塑性外，制耳率是一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。

生產(chǎn)的關(guān)鍵：

熱軋產(chǎn)生的立方織構(gòu)與隨后冷軋織構(gòu)(Brass,S和Copper)達(dá)到最優(yōu)化，從而使制耳最小。

 

3 EBSD的原理及應(yīng)用

材料微觀分析的三要素：形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)

成分：

化學(xué)分析、

掃描電鏡中的能譜或電子探針、

透射電鏡中的能譜、能量損失譜

晶體結(jié)構(gòu)：

X－光衍射或中子衍射

掃描電鏡中的EBSD

透射電鏡中的電子衍射

什么是EBSD技術(shù)？

·Electron Back-ScatteredPattern

Electron Back-ScatteredDiffraction

電子背反射衍射技術(shù)簡(jiǎn)稱EBSP或EBSD

·裝配在SEM上使用，一種顯微表征技術(shù)

·通過自動(dòng)標(biāo)定背散射衍射花樣，測(cè)定大塊樣品表面（通常矩形區(qū)域內(nèi)）的晶體微區(qū)取向

EBSD set up

EBSPs的產(chǎn)生條件

固體材料，且具有一定的微觀結(jié)構(gòu)特征——晶體

–電子束下無損壞變質(zhì)

–金屬、礦物、陶瓷

–導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體

試樣表面平整，無制樣引入的應(yīng)變層——10's nm

足夠強(qiáng)度的束流——0.5-10nA

高靈敏度CCD相機(jī)

樣品傾斜至一定角度(~70度)

EBSPs 的產(chǎn)生原理

電子束轟擊至樣品表面

電子撞擊晶體中原子產(chǎn)生散射，這些散射電子由于撞擊的晶面類型(指數(shù)、原子密度)不同在某些特定角度產(chǎn)生衍射效應(yīng)，在空間產(chǎn)生衍射圓錐。幾乎所有晶面都會(huì)形成各自的衍射圓錐，并向空間無限發(fā)散

用熒光屏平面去截取這樣一個(gè)個(gè)無限發(fā)散的衍射圓錐，就得到了一系列的菊池帶。而截取菊池帶的數(shù)量和寬度，與熒光屏大小和熒光屏距樣品(衍射源)的遠(yuǎn)近有關(guān)

熒光屏獲取的電子信號(hào)被后面的高靈敏度CCD相機(jī)采集轉(zhuǎn)換并顯示出來

 

典型的EBSP花樣

不同晶體取向?qū)?yīng)不同的菊池花樣

通過分析EBSP花樣我們可以反過來推出電子束照射點(diǎn)的晶體學(xué)取向

 

EBSD如何工作?

一個(gè)完整的標(biāo)定過程

兩種掃描方式

電子束掃描

·電子束移動(dòng)，樣品臺(tái)不動(dòng)

·操作簡(jiǎn)單，速度快。

·容易聚焦不準(zhǔn)

樣品臺(tái)掃描

·電子束移動(dòng)，樣品臺(tái)不動(dòng)

·可以大面積掃描

·速度慢，步長(zhǎng)1微米以上

掃描類型

·點(diǎn)掃描

單個(gè)點(diǎn)的取向信息。

·線掃描

得到一條線上的取向信息

·面掃描

可以得到取向成像圖。

面掃描模式

EBSD數(shù)據(jù)信息

快速獲得高質(zhì)量的EBSD數(shù)據(jù)

·樣品制備

金屬材料：電解拋光后立即觀察。

·電鏡及軟件設(shè)置

工作距離：越小越好。

探測(cè)距離：越近越好。

放大倍數(shù)：盡量大一些。

步長(zhǎng)：所測(cè)試的特征(如晶粒直徑)的1/10~1/5

·數(shù)據(jù)處理

EBSD有哪些具體分析功能：

微觀組織結(jié)構(gòu)(取向成像)

晶粒尺寸分析

織構(gòu)分析

晶界特性分析

取向差分析

相鑒定及相分布

晶粒尺寸、形狀分析

晶界特性分析

 

 

雙相鋼中相的分布

配合能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行未知相的鑒定

小結(jié)

EBSD技術(shù)特點(diǎn)：

空間分辨率: approx. 10 nm

角度分辨率: 0.25 - 1°

標(biāo)定速率: 0.01 - 1s / point

樣品制備: 電解拋光，離子減薄，腐蝕等

EBSD技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

一種物相鑒定的新方法

標(biāo)準(zhǔn)的微區(qū)織構(gòu)分析方法

具有大樣品區(qū)域統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)

與能譜結(jié)合，可集成分析顯微形貌、成分和取向

 

4 EBSD數(shù)據(jù)處理演示

CHANNEL 5 軟件介紹

CHANNEL 5

Flamenco – 數(shù)據(jù)采集與標(biāo)定

Twist – 生成標(biāo)定所需的晶體結(jié)構(gòu)文件

Project Manager– 數(shù)據(jù)處理管理器

Tango – 取向成像圖

Mambo – 極圖

Salsa – 取向分布函數(shù)圖(ODF)

常用取向成像圖方法

All Euler – 全歐拉角

Band contrast– 花樣質(zhì)量圖

Grain boudary – 晶界圖

Inverse Pole figure-反極圖成像圖

 

全歐拉角取向圖-All Euler

缺點(diǎn)：

（1）常常會(huì)遇到顏色不同但取向相同的場(chǎng)合，甚至?xí)霈F(xiàn)取 向突變的假象；

（2）不能夠精細(xì)顯示出晶粒內(nèi)部的取向變化。

相鄰取向差重構(gòu)的取向圖

方法：

(1) 選定取向差的基準(zhǔn)值θcrit

(2) 判斷每點(diǎn)與周圍各點(diǎn)取向差，若> θcrit則畫出晶界

(3) 將所有大于設(shè)定值的界線連接起來形成晶界。

直接反映了微觀組織結(jié)構(gòu)晶體取向差的變化情況

花樣質(zhì)量重構(gòu)的取向圖

反映了晶體的完整程度，襯度高表明晶體完整性好，反之，組織結(jié)構(gòu)扭曲嚴(yán)重，其局部發(fā)生了塑性變形，以此間接反映微觀組織結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)演示 –FCC、BCC

取向成像圖分析-Tango

極圖及反極圖

取向分布函數(shù)