织构及其测定.pptx
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1、织构及其测定材料科学与工程学院艾延龄E-mail:2主要内容主要内容1.织构的定义及分类织构的定义及分类2.织构的表示方法织构的表示方法3.丝织构及其测定丝织构及其测定4.织构的极图及其测绘方法织构的极图及其测绘方法5.织构的反极图表示方法织构的反极图表示方法6.织构的取向分布函数织构的取向分布函数3择择优优取取向向、织织构构:在一般多晶体中,每个晶粒有不同于相邻晶粒的结晶学取向,从整体看,所有晶粒的取向是任意分布的;某些情况下,晶体的晶粒在不同程度上围绕某些特殊的取向排列,就称为择优取向或简称织构。n 织构的定义织构的定义4丝织构丝织构轴向轴向拉拔拉拔或压缩的金属或多晶体中,往往以一个或几个
2、结晶学方或压缩的金属或多晶体中,往往以一个或几个结晶学方向平行或近似平行于轴向,这种织构称为向平行或近似平行于轴向,这种织构称为丝织构丝织构或纤维织构。或纤维织构。理想的丝织构往往沿材料流变方向对称排列。丝织构常用与其平理想的丝织构往往沿材料流变方向对称排列。丝织构常用与其平行的晶向指数行的晶向指数表示。表示。某些锻压、某些锻压、压缩压缩多晶材料中,晶体往往以某一晶面法线平行于压多晶材料中,晶体往往以某一晶面法线平行于压缩力轴向,此类择优取向称为缩力轴向,此类择优取向称为面织构面织构,常以,常以HKL表示。表示。板织构板织构轧制轧制板材的晶体,既受拉力又受压力,因此除了以某些晶体学方板材的晶体
3、,既受拉力又受压力,因此除了以某些晶体学方向平行轧向外,还以某些晶面平行于轧面,此类织构称为向平行轧向外,还以某些晶面平行于轧面,此类织构称为板织构板织构,常以常以HKL表示表示。n 织构的分类织构的分类u按晶体的取向特点分类按晶体的取向特点分类5铸造织构结晶体的热量总是从某些特定的方向上散失。热量的定向散失造结晶体的热量总是从某些特定的方向上散失。热量的定向散失造成结晶体内形成温度梯度场,从而促进了结晶核在低温区优先生成结晶体内形成温度梯度场,从而促进了结晶核在低温区优先生成,并沿温度梯度矢量向高温区定向生长;成,并沿温度梯度矢量向高温区定向生长;柱状晶粒长轴的晶体学方向即是该晶粒快速生长方
4、向,由大量这柱状晶粒长轴的晶体学方向即是该晶粒快速生长方向,由大量这类柱状晶粒组成的铸造组织就会形成快速生长方向互相平行的铸类柱状晶粒组成的铸造组织就会形成快速生长方向互相平行的铸造组织。造组织。Fe-Si,Brass,Al,Au,Pb等立方系金属快速生长方向为等立方系金属快速生长方向为;Cd,Zn等密排六方金属快速生长方向为等密排六方金属快速生长方向为;-Sn快速生长的晶体学方向为快速生长的晶体学方向为;许多立方金属的方形或扁平形铸锭中,表现为许多立方金属的方形或扁平形铸锭中,表现为100晶面平行于晶面平行于散热表面的纤维织构散热表面的纤维织构u按织构的形成原理与方按织构的形成原理与方式分类
5、式分类6两个金属晶体颗粒结合在一起时,由于晶粒的取向不同,二者之间形成某种晶界;其中一晶粒绕其晶向转动角后,可以达到与之结合的另一晶体颗粒的取向位置;选择适当的-后,两颗粒间晶界的能量与其取向差密切相关,而且与一些特定取向差所对应的晶界具有较低的晶界能;Ag-Cu粉末颗粒在单晶平板上烧结过程中晶界和取向发生变化,即向差为60。这是一种孪晶关系,具有较低的晶界能。粉末烧结织构7多晶体变形时各晶粒的转动结果往往会使晶粒取向聚集多晶体变形时各晶粒的转动结果往往会使晶粒取向聚集到某一或某些取向附近,从而形成织构到某一或某些取向附近,从而形成织构 不同变形量的轧板组织冷变形织构8金属冷变形后,变形组织中
6、存在着以位错为主的晶体金属冷变形后,变形组织中存在着以位错为主的晶体缺陷,金属内保留了一定的储存能,并成为再结晶的缺陷,金属内保留了一定的储存能,并成为再结晶的驱动力。驱动力。再结晶是冷变形金属在加热条件下生成一种全新的组再结晶是冷变形金属在加热条件下生成一种全新的组织结构的过程。织结构的过程。再结晶后的多晶材料内往往生成再结晶织构。再结晶后的多晶材料内往往生成再结晶织构。再结晶织构9金属热变形过程中,伴随两种微观过程:金属热变形过程中,伴随两种微观过程:(1)以位错运动为主的塑以位错运动为主的塑性变形,金属基体缺陷密度升高;性变形,金属基体缺陷密度升高;(2)以回复、形核和晶粒长大为以回复、
7、形核和晶粒长大为主的动态再结晶,金属基体缺陷密度下降。主的动态再结晶,金属基体缺陷密度下降。两种过程交替或同时进行,使两类织构都不能得到充分发展,热两种过程交替或同时进行,使两类织构都不能得到充分发展,热变形金属中一般存在较弱的织构。变形金属中一般存在较弱的织构。变形量、温度、加热速度、变形速率、变形几何、初晶粒度、变变形量、温度、加热速度、变形速率、变形几何、初晶粒度、变形中止温度、铸造织构、冶金质量、杂质元素、层错能、第二相形中止温度、铸造织构、冶金质量、杂质元素、层错能、第二相含量及分布诸多因素影响热变形织构的锋锐程度和类型。含量及分布诸多因素影响热变形织构的锋锐程度和类型。热轧织构10
8、多数晶粒在加热过程中的正常长大会受阻,只有少数晶多数晶粒在加热过程中的正常长大会受阻,只有少数晶粒能够异常长大。这种现象称为二次再结晶。粒能够异常长大。这种现象称为二次再结晶。取向电工钢表面诱发100织构二次再结晶织构11许多材料固态相变过程中,相变前后两相往往存在着固许多材料固态相变过程中,相变前后两相往往存在着固定的取向关系。定的取向关系。如果相变前多晶体内有某种织构,则这种织构在相变后如果相变前多晶体内有某种织构,则这种织构在相变后以特定的形式继承下来。以特定的形式继承下来。例:Ti-Al-V双相合金中,和相有固定取向关系:(110)/(0001),-11-1/2-1-10。相变织构12
9、薄薄膜膜材材料料制制备备过过程程中中各各向向异异性性的的外外场场以以及及薄薄膜膜材材料料自自身身的的几几何何形形状状的的各各向向异异性性都都容容易易使使薄薄膜材料产生织构膜材料产生织构。金金刚刚石石(100)和和(111)面面作作为为表表面面时时,表表面面能能最最低低,因因此此金金刚刚石石薄薄膜膜的的外外观观通通常常由由(100)和和(111)面包围。面包围。金刚石薄膜(200)极图薄膜织构13主要内容主要内容1.织构的定义及分类织构的定义及分类2.织构的表示方法织构的表示方法3.丝织构及其测定丝织构及其测定4.织构的极图及其测绘方法织构的极图及其测绘方法5.织构的反极图表示方法织构的反极图表
10、示方法6.织构的取向分布函数织构的取向分布函数14丝织构丝织构 纤纤维维织织构构通通常常以以一一个个或或几几个个晶晶体体学学方方向向平平行行或或近近似似平平行行于于纤纤维维或或丝丝的的外外观观轴轴向向,这这种种晶晶向向就就称称为为织构轴。织构轴。这种纤维材料或丝具有这种纤维材料或丝具有纤维织构纤维织构(或丝织构或丝织构)。2.1织构的晶体学指数表示法织构的晶体学指数表示法15板织构板织构 由于轧制变形包含有压缩变形及拉伸变形,晶体在压力作用下,常以某一个或某几个晶面hkl平行于轧板板面,而同时在拉伸力作用下又常以方向平行于轧制方向,因而这种择优取向就表示为hkl。如果轧向与晶体学方向有偏离,则
11、常在它后面加上偏离的度数,如偏离10,则可表为hkl10 。晶体学指数表示法的特点晶体学指数表示法的特点 表示晶体空间择优取向既形象又具体,文字书写时简洁明了,是最常用的表示法之一。缺点是,它只表示出晶体取向的理想位置,未表示出织构的强弱及漫散程度。16 A 极图表示极图表示:1924年Wever提出;B 反极图表示反极图表示:1940年Barrett提出;Harris测热轧铀棒(1952年)C ODF ODF 表示表示:六十年代中期Bunge和Roe提出;HKL极图 反极图 ODF截面图 织构图形表示方法织构图形表示方法17主要内容主要内容1.织构的定义及分类织构的定义及分类2.织构的表示方
12、法织构的表示方法3.丝织构及其测定丝织构及其测定4.织构的极图及其测绘方法织构的极图及其测绘方法5.织构的反极图表示方法织构的反极图表示方法6.织构的取向分布函数织构的取向分布函数18丝丝织织构构:大多数晶粒的某一晶体学方向uvw与材料的某个外观特征方向(如丝轴方向或生长方向)平行或于接近平行。这种织构在冷拉金属丝中呈现得很典型,故称为丝织构。一般在丝、棒、镀层、沉积层中都可能会存在某种类型的丝织构。与拉丝方向平行的晶体学方向指数uvw称为丝织构指数。例:图(a)为具有丝织构的棒材(或丝材),棒材中大部分晶粒的方向平行于丝轴(拉丝)方向。图(b)为横断面放大图,理想丝织构的情况是材料中所有晶粒
13、的方向均平行于丝轴(拉丝)方向。(a)(b)19 例:冷拉铁丝(体心立方金属)具有丝织构,即铁丝中大多数晶粒的方向倾向于平行丝轴方向。但在实际的冷拉铁丝材料中并不是所有晶粒的方向都严格平行丝轴方向。左图为方向与丝轴之间夹角为的晶粒的百分数,亦即极点分布在方向上的百分比(极密度)随夹角的分布。冷拉铝丝中100%晶粒的方向与拉丝轴方向平行,即具有丝织构。冷拉铜丝中60%晶粒的方向与拉丝轴方向平行,而另外40%晶粒的方向与拉丝轴方向平行,即冷拉铜丝具有+双重丝织构。20无织构材料与有织构材料的无织构材料与有织构材料的X射线衍射花样特征射线衍射花样特征(1)无织构材料反射球倒易球入射线衍射园锥照像底片
14、照像底片德拜环111200220无织构铝粉的衍射环r*111:r*200:r*220=3:4:821照像底片反射球倒易球入射线衍射线织构园锥织构园锥照像底片具有理想织构冷拉铝丝的衍射花样111200220立方系晶面(或晶向)间夹角111,111 0 70.53111,200(100)54.73111,220(110)35.27 90(2)丝织构衍射花样成因的厄瓦德图解111-1-1110020011011122CABONOCD90-90-r参考球衍射环衍射环入射线入射线晶面法线晶面法线BAND90-90取出的球面三角形ADN:cos=coscoscos=cos90 cos(90-)+sin90
15、 sin(90-)cos rABONO入射线入射线衍射线衍射线晶面法线晶面法线 根根据据布布拉拉格格衍衍射射定定律律,入入射射线线AO,衍衍射射线线OB及及晶晶面面法法线线ON在在同同一一个个平平面面内内。此此平平面面与与参参考考球球相相交交,交线为一个圆交线为一个圆BOOr2 BCBC 衍射环衍射环底片底片Ortan2=r/|oo|r-衍射环径衍射环径|OO|-底片距样品的距离底片距样品的距离照像法确定丝织构轴的衍射几何照像法确定丝织构轴的衍射几何:(hkl)晶晶面面法法线线(ON)(倒倒易易矢矢量量)与丝织构轴与丝织构轴(OD)的夹角的夹角AB倒易矢量倒易矢量ON晶面法线晶面法线A OAB
16、衍衍 射射矢量三角形矢量三角形23 照像法确定丝织构轴照像法确定丝织构轴试 样:冷拉铝丝,原始直径1.3mm,经磨光浸蚀至0.8mm照像条件:铜 靶,镍滤片,30千伏,24毫安,光阑直径1.5毫米 试样距底片的距离49毫米毫米,曝光5小时根据照片进行分析计算:1.测量衍射环的半径测量衍射环的半径:r1=39.0,r2=48.32.计算计算角角:3.标定衍射环的指数标定衍射环的指数:首先计算晶面间距冷拉铝丝丝轴竖立时的透射针孔照片(靠近中心的径向条纹是入射光束中的连续辐射产生的)1224根据PDF卡片确定出照片上衍射环指数:内环(111),外环(200)(卡片上的数据:d111=2.338,d2
17、00=2.024)4.测量测量 角角:1=69,2=515.计算计算 角角6.确定织构轴确定织构轴 根据衍射环(内环、外环)的指数及1、2角,查立方晶系晶面夹角表。确定出织构轴为11125 衍射法确定丝织构轴衍射法确定丝织构轴极密度测量法 丝织构的特点:各结晶学方向对丝轴呈旋转对称分布。若取投影面垂直于丝轴,则某hkl的极图形状如图所示。为求出hkl极点密集区与丝轴之间的夹角,只要测定沿极图径向衍射强度(即极密度)的变化即可。Field-Merchart法,为测定角从0到90范围的极点分布,需要二种试样,分别用于高区及低区。设是极网上的纬度(令极网中心 0),为测定 090范围内的极点分布,需
18、要两种试样,分别用于高区和低区。低区:试样是扎在一起的一捆丝,扎紧后嵌在一个塑料框内,丝的端面经磨光、抛光和腐蚀后作为测试面。测量时,计数管置于2处不动,以测试面与入射线及衍射线成等角为初始位置(即0),在连续转动的过程中记录衍射强度,衍射强度随角的变化就反映了极点密度沿极网径向的分布。角测量范围:0hkl。高区:将丝并排粘在一块平板上,磨平、抛光、浸蚀后就得到高区试样,x射线从丝的侧面反射。在初始位置,试样表面与入射线和衍射线成等角,即 90。角测量范围:90(90-hkl)。90 0丝轴26低区X光管辐射探测器X光管高区辐射探测器 选定某一特定的(hkl)晶面,计算出其衍射角2后,按入射线
19、与衍射线夹角为2的位置安放X光管与探测器的相对位置,并使之在测量过程中固定不变。27N(hkl)丝轴方向丝轴方向入射线入射线衍射线衍射线(hkl)2(hkl)N(hkl)衍射线衍射线丝轴方向丝轴方向入射线入射线(hkl)2(hkl)末旋转时,不满足(hkl)产生衍射条件的情况样品旋转角后(即旋转角),满足(hkl)产生衍射条件的情况产生衍射的条件:产生衍射的条件:(hkl)晶面的法线为入射线与衍射线夹角的角平分线;晶面的法线为入射线与衍射线夹角的角平分线;或:或:(hkl)晶面平分入射线的延长线与衍射线的夹角。晶面平分入射线的延长线与衍射线的夹角。28左图为冷拉铝丝的I111曲线。结果表明在丝
20、轴方向(=0)及与丝轴夹70处具有较高的111极密度。说明丝材大部分晶粒的晶向平行丝轴,即丝材具有很强的织构。立方晶系与的夹角为=54.73,=55处出现一定大小的111的极密度峰,表示丝材中还有部分晶粒的晶向平行丝轴,即丝轴还具有弱的织构。每种织构的分量正比于Isin曲线上相应峰的面积。左图的计算结果:织构体积分数为0.85,织构织构体积分数为0.15丝轴方向:对应的晶向hkl=?111晶向29主要内容主要内容1.织构的定义及分类织构的定义及分类2.织构的表示方法织构的表示方法3.丝织构及其测定丝织构及其测定4.织构的极图及其测绘方法织构的极图及其测绘方法5.织构的反极图表示方法织构的反极图
21、表示方法6.织构的取向分布函数织构的取向分布函数30球面投影点阵中的方向和点阵平面的方位以及它们之间的关系是三维空间的立体关系,用立体图形来表示是很不方便的,所以最好想办法把这些关系在平面图中表示出来。为了实现这一目的,第一步是将晶体投影到二维的球面上。过一晶体的中心,以任意半径作一参考球(要求参考球比晶体大得多),并由球心作各晶面的法线及晶向的方向线,将它们投影在参考球上,这种表达方式就叫做球面投影。晶向与参考球相交的点称之为迹点;晶面延展后和参考球相交为一个大圆,这个大圆就是该晶面在参考球上的面痕或者迹径;晶面法线和球面的交点可以表示该晶面,这个交点称为极点。3132极射赤面投影极射赤面投
22、影是以参考球的赤道面作为投影面,以南极(或者北极)作为观测点,连接南极与上半球面的球面投影点,则连线与赤道面(投影面)的交点即代表晶体的投影。下半球面上的点与北极相连,可另选符号,以与上半球的投影点相区别。全部极射赤面投影点都分布在一个与球直径相等的大圆内,投影图的边界大圆称之为基圆。3334标准极图35 织构中的极图是描述多晶材料织构状态的极射赤面投影图。它是通过将多晶材料中的某特定晶面族的法线向试样的某个外观特征面作极射赤面投影得到的。对于轧制板材,一般选轧面为投影面。对于丝材,一般选平行于丝轴或垂直于丝轴的平面为投影面。极图的名称由所考察的晶面族指数决定。如轧制板材的110极图,是指将多
23、晶材料中各晶粒的110晶面族的法线向轧面投影。对于某一织构状态,可以选用多个低指数晶面族(如100、110、111)进行投影,这样可得到多个极图,即某一织构状态可用多种极图来描述。36把放置在投影球心的多晶试样中每个晶粒的某一把放置在投影球心的多晶试样中每个晶粒的某一(hkl)晶面法线晶面法线与投影球面的交点,都投影在标明了试样宏观方向与投影球面的交点,都投影在标明了试样宏观方向RD、TD、ND的赤道平面上之后,把极点密度相同的点连线,形成等极密度线,的赤道平面上之后,把极点密度相同的点连线,形成等极密度线,这便形成了可表示出织构强弱和漫散程度的极图。这便形成了可表示出织构强弱和漫散程度的极图
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