1晶體學及織構基礎

1.1 取向(差)的定義及表征

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

取向差的定義

·兩個晶體坐標系之間的關系

–   crystal coordinate system for crystal 1(CCS1)

–   crystal coordinate system for crystal 2(CCS2)

取向(差)的表征

(1) Rotation matrix G旋轉矩陣

(2) Miller indices

(3) Euler angles歐拉角

(4) Angle/axis of rotation旋轉軸角

(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φ1 角

第二次：繞新的X軸（RD）轉Φ角

第三次：繞新的Z軸（ND） 轉φ2角

這時樣品坐標軸和晶體坐標軸重合。

(4) Angle/Axis of Rotation

·w°<uvw>

·常用于表示取向差

·可由旋轉矩陣G得到

86° <1-210> Mg合金中常見孿晶

(5) Querternion

四元素法：(Q0,Q1,Q2,Q3)，在計算晶粒的平均取向有用。

S取向的5種表示

取向表達的數學互換

取向的等價形式

對于立方晶體，每個取向有24種等價形式: (301, 36.7,26.7)=(123)[63-4]

1.2 織構的定義及表征

織構的定義：多晶體中晶粒取向的擇優分布。

織構與取向的區別：多與單的關系。

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

極圖

極圖：某一特定{hkl}晶面在樣品坐標系下的極射赤面投影。主要用來描述板織構{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：樣品坐標系在晶體坐標系中的投影。一般描述絲織構。

先將樣品坐標軸投影到球上，再投影到赤道面上

常用：上半球投影法和立體投影法。

 

取向分布函數圖

（3）取向分布函數圖ODF。用于精確表示織構。

織構的表示方法-例子

例如：銅型織構{111}<11-2>反極圖

織構的等價形式

{hkl}<uvw>

晶體對稱性：24種形式

樣品對稱性：4種 {hkl}<uvw>

{hk-l}<-u-vw>

{hlk}<uwv>

{hl-k}<-u-wv>

但對于特殊的織構：

Cube：1 重樣品對稱性，24種形式

Goss ：1 重樣品對稱性，24種形式

Brass：2 重樣品對稱性，48種形式

S：4 重樣品對稱性，96種形式

Copper: 2 重樣品對稱性，48種形式

常見理想織構

再結晶織構：Cube

冷軋織構：Brass，S和Copper織構

拉伸織構：<111>和<100>//拉拔方向

冷墩織構：高層錯能(Cu):<110>，低層錯能(Cu-30%Zn)同時出現<111>

 

1.3 織構的檢測方法

（1）X射線法、中子衍射法

（2）TEM及菊池花樣分析技術（TEM/SAD/MBED/CBED）

（3）三維X射線顯微分析技術

測量塊狀樣品內部的晶體結構及取向

–用晶體衍射的方法

需要一個高能量的同步輻射X射線設備

–ESRF, Hamburg （德國漢堡）

對塊狀材料三維微觀結構的完整表征

–10mm厚 鋁樣品

–2mm厚 樣品

織構分析測試技術的比較

·X射線衍射、中子衍射：定量測定材料宏觀織構

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

·TEM及菊池衍射花樣分析技術：微觀組織表征及微區晶體取向測定(空間分辨率可達到30nm)

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

 

3 工程材料的織構控制

2.1  第二代高溫超導材料

要求：

高純鎳冷軋95%的織構

高純鎳退火后的再結晶織構

 

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，冶金質量好，而且要求板材的力學性能各向異性，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，板材的織構是影響r值的主要因素。板材的γ-纖維織構（<111>||ND，ND為軋面法線方向）越強，其深沖性能越好。

板材中的織構與r值有密切關系。大量研究表明，當板材多數晶粒{111}//軋面時可使板材的r值提高，而當板材多數晶粒的{100}//軋面時可使板材的r值降低。

 

IF鋼生產工藝流程及組織示意圖

生產的三個關鍵因素

IF鋼的冷軋過程中織構的控制

相鄰取向差分布基本接近完全再結晶的理想隨機取向差分布曲線，表明試樣完全再結晶。

冷軋30％時已形成一定量的γ纖維，而α纖維尚未完全形成。

冷變形50％時部分α纖維已形成，γ纖維繼續增加。

冷變形70～80％時γ纖維顯著增加，α纖維增加緩慢

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

 

2.3 電工鋼中的織構控制

低的鐵損及強磁場下高的磁感應強度是硅鋼十分重要的技術指標。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，工業上往往追求電工鋼板內各晶粒的<100>方向盡可能平行于板面。

對于取向電工鋼人們希望獲得強的Goss{110} <001>織構，而對于無取向電工鋼則希望得強的{100}<0vw>織構。

為了獲得極強的{110}<001>織構，在加工過程中每一道工序中均應注意控制晶粒的組織結構和取向分布的狀態。尤其是連鑄和熱軋工序對于最終{110}<001>織構的生成具有重要的影響。

{110}<001>織構初步形成于熱軋之后，并在最終冷軋退火后的板材產品中占據了統治的地位。

冷軋取向電工鋼的典型生產工藝

2.4 飲料罐用AA3104鋁合金織構控制

AA3104鋁合金特點

·Al-Mn-Mg系，具有強度高、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：除滿足一定的強度和塑性外，制耳率是一個主要技術指標。

生產的關鍵：

熱軋產生的立方織構與隨后冷軋織構(Brass,S和Copper)達到最優化，從而使制耳最小。

 

3 EBSD的原理及應用

材料微觀分析的三要素：形貌、成分、晶體結構

成分：

化學分析、

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

晶體結構：

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？

·Electron Back-ScatteredPattern

Electron Back-ScatteredDiffraction

電子背反射衍射技術簡稱EBSP或EBSD

·裝配在SEM上使用，一種顯微表征技術

·通過自動標定背散射衍射花樣，測定大塊樣品表面（通常矩形區域內）的晶體微區取向

EBSD set up

EBSPs的產生條件

固體材料，且具有一定的微觀結構特征——晶體

–電子束下無損壞變質

–金屬、礦物、陶瓷

–導體、半導體、絕緣體

試樣表面平整，無制樣引入的應變層——10's nm

足夠強度的束流——0.5-10nA

高靈敏度CCD相機

樣品傾斜至一定角度(~70度)

EBSPs 的產生原理

電子束轟擊至樣品表面

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

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

熒光屏獲取的電子信號被后面的高靈敏度CCD相機采集轉換并顯示出來

 

典型的EBSP花樣

不同晶體取向對應不同的菊池花樣

通過分析EBSP花樣我們可以反過來推出電子束照射點的晶體學取向

 

EBSD如何工作?

一個完整的標定過程

兩種掃描方式

電子束掃描

·電子束移動，樣品臺不動

·操作簡單，速度快。

·容易聚焦不準

樣品臺掃描

·電子束移動，樣品臺不動

·可以大面積掃描

·速度慢，步長1微米以上

掃描類型

·點掃描

單個點的取向信息。

·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數據信息

快速獲得高質量的EBSD數據

·樣品制備

金屬材料：電解拋光后立即觀察。

·電鏡及軟件設置

工作距離：越小越好。

探測距離：越近越好。

放大倍數：盡量大一些。

步長：所測試的特征(如晶粒直徑)的1/10~1/5

·數據處理

EBSD有哪些具體分析功能：

微觀組織結構(取向成像)

晶粒尺寸分析

織構分析

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

配合能譜數據進行未知相的鑒定

小結

EBSD技術特點：

空間分辨率: approx. 10 nm

角度分辨率: 0.25 - 1°

標定速率: 0.01 - 1s / point

樣品制備: 電解拋光，離子減薄，腐蝕等

EBSD技術優勢：

一種物相鑒定的新方法

標準的微區織構分析方法

具有大樣品區域統計的特點

與能譜結合，可集成分析顯微形貌、成分和取向

 

4 EBSD數據處理演示

CHANNEL 5 軟件介紹

CHANNEL 5

Flamenco – 數據采集與標定

Twist – 生成標定所需的晶體結構文件

Project Manager– 數據處理管理器

Tango – 取向成像圖

Mambo – 極圖

Salsa – 取向分布函數圖(ODF)

常用取向成像圖方法

All Euler – 全歐拉角

Band contrast– 花樣質量圖

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：

（1）常常會遇到顏色不同但取向相同的場合，甚至會出現取 向突變的假象；

（2）不能夠精細顯示出晶粒內部的取向變化。

相鄰取向差重構的取向圖

方法：

(1) 選定取向差的基準值θcrit

(2) 判斷每點與周圍各點取向差，若> θcrit則畫出晶界

(3) 將所有大于設定值的界線連接起來形成晶界。

直接反映了微觀組織結構晶體取向差的變化情況

花樣質量重構的取向圖

反映了晶體的完整程度，襯度高表明晶體完整性好，反之，組織結構扭曲嚴重，其局部發生了塑性變形，以此間接反映微觀組織結構。

數據演示 –FCC、BCC

取向成像圖分析-Tango

極圖及反極圖

取向分布函數