Gebruiker:EllieBellie25/Textuur (materiaalkunde)

Textuur (Engels: texture) is de verdeling van kristallografische oriëntaties in een polykristallijn materiaal. In de materiaalkunde is dit een belangrijk begrip, omdat het in bijna alle technische materialen voorkomt en een grote invloed kan hebben op de materiaaleigenschappen. De term wordt ook binnen de geologie gebruikt voor de textuur van mineralen en gesteenten. Deze materialen vertonen ook textuur, die voortkomt uit de thermo-mechanische geschiedenis door geologische vormingsprocessen.

Textuur in materialen

Textuur geeft de verdeling van de voorkeursoriëntaties van de kristalstructuren in een anisotropisch (poly)kristallijn materiaal aan. Een materiaal wordt textuurloos genoemd, wanneer de kristalkorrels willekeurig georiënteerd zijn. Dit is dan ook een extreem geval van een volledig gebrek aan textuur: een vaste stof met een compleet willekeurige kristallietoriëntatie zal isotrope eigenschappen vertonen op lengteschalen die voldoende groter zijn dan de grootte van de kristallieten. Het andere uiterste is een perfect eenkristal, dat naar alle waarschijnlijkheid vanwege geometrische noodzaak anisotrope eigenschappen heeft.

De mate van textuur hangt af van het percentage kristallen met een voorkeursoriëntatie. Er wordt onderscheidt gemaakt tussen drie gradaties van textuur: zwak, matig en sterk.

Textuuranalyse en -karakterisering

Afhankelijk van de toepassing van een materiaal, kan een hoge mate van textuur wel of juist niet gewenst zijn. Om de mate van textuur te evalueren kan de textuur op verschillende manieren worden bepaald, dit wordt het karakteriseren van materialen genoemd.

De textuur kan onder meer bekeken worden middels röntgen- en elektronendiffractie, zoals met electron backscatter diffraction (EBSD). Het resultaat van de meting kan weergegeven zijn als diffractiepatroon of in een (inverse) poolfiguur. Deze kunnen worden opgesteld met de hand, bijvoorbeeld met behulp van een Wulff-net of data uit boeken, of met computerberekeningen.

Sommige analysemethoden maken een kwantitatieve analyse van de textuur mogelijk, terwijl andere alleen kwalitatief zijn. Oftewel de hoeveelheid kristallen met een bepaalde orientatie wordt ook bepaald bij kwantitatieve analyse, waarbij kwalitatieve analyse alleen het bestaan van een orientatie is aangetoond.

Van de kwantitatieve technieken is de meest gebruikte röntgendiffractie met behulp van textuurgoniometers, gevolgd door de EBSD-methode in rasterelektronenmicroscopen (SEM). Kwalitatieve analyse kan worden gedaan door Laue-fotografie, eenvoudige röntgendiffractie of met een gepolariseerde microscoop. Neutronendiffractie en synchrotron hoge-energie röntgendiffractie zijn geschikt voor het bepalen van texturen van bulkmaterialen en in situ analyse, terwijl laboratorium röntgendiffractie-instrumenten meer geschikt zijn voor het analyseren van texturen van thin films.

Textuur wordt vaak weergegeven met behulp van een poolfiguur, waarin een gespecificeerde kristallografische as (of pool) van elk van een representatief aantal kristallieten wordt uitgezet in een stereografische projectie, samen met richtingen die relevant zijn voor de verwerkingsgeschiedenis van het materiaal. Deze richtingen definiëren het zogenaamde monsterreferentieframe en worden, omdat het onderzoek naar texturen begon bij het koud bewerken van metalen, meestal aangeduid als de walsrichting RD, de dwarsrichting TD en de normaalrichting ND . Voor getrokken metaaldraden bleek de cilindrische vezelas de monsterrichting te zijn waarrond de voorkeursoriëntatie typisch wordt waargenomen (zie hieronder).

$Vier cirkels diffractometer, of Euleriaanse wieg, voor textuurmeting met röntgendiffractie$

Vier cirkels diffractometer, of Euleriaanse wieg, voor textuurmeting met röntgendiffractie
χ mode for reflection measurement
Ω mode for transmission measurement

Textuurmap

Een EBSD inverse poolfiguur geeft met een range van verschillende kleuren aan in welke oriëntatie een kristal/korrel ligt. Met deze methode kun je de microstructuur (korrelgrootte, korrelvorm etc.) samen met de textuur (kristaloriëntatie van de korrels) in één overzicht tegelijk zien. Verkregen met de SEM-EBSD methode.

Grafische computerprogramma's worden gebruikt om texturen van 2D- of 3D-oppervlakken in kaart te brengen, bijvoorbeeld door middel van kleur of reflectie-eigenschappen. Het toevoegen van texturen aan 2D- of 3D-objecten met behulp van 3D-computergraphics wordt textuurmapping genoemd. De textuurmap geeft de verdeling van de kristaloriëntaties binnen een microstructuur van een materiaal weer. Met behulp van texture splatting kunnen texturen gecombineerd worden; deze techniek wordt voornamelijk gebruikt om terrein te renderen. Het produceren van een nieuwe textuur op basis van een bestaande wordt textuursynthese genoemd.

Een voorbeeld van een textuurmap is een inverse poolfiguur. Daarbij wordt met behulp van een rasterelektronenmicroscoop (SEM) een weergave gemaakt van de microstructuur, waardoor de korrelgroottes en korrelvormen zichtbaar worden. De reflectie-eigenschappen zijn een indicatie voor de kristaloriëntatie. Hierdoor wordt het mogelijk om de textuur in dezelfde afbeelding als de microstructuur aan te duiden. Er wordt met behulp van een range aan verschillende kleuren de kristaloriëntatie, oftewel de textuur aangegeven per korrel.

Veelvoorkomende texturen

Er zijn verschillende texturen die veel voorkomen in bewerkte (kubieke) materialen. Ze worden genoemd door de wetenschapper die ze heeft ontdekt, of door het materiaal waarin ze het meest worden gevonden. Deze zijn ter vereenvoudiging weergegeven in miller-indices.

Kubuscomponent: (001)[100]
Messing onderdeel: (110)[-112]
Kopercomponent: (112)[11-1]
S-component: (123)[63-4]

Oriëntatieverhouding

De volledige 3D-weergave van de kristallografische textuur wordt gegeven door de oriëntatieverdelingsfunctie ( $ODF$ ) die kan worden bereikt door evaluatie van een reeks poolfiguren of diffractiepatronen. Vervolgens kunnen alle poolcijfers worden afgeleid uit de $ODF$ .

De $ODF$ wordt gedefinieerd als de volumefractie van korrels met een bepaalde oriëntatie ${\boldsymbol {g}}$ .

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

De oriëntatie ${\boldsymbol {g}}$ wordt normaal gesproken geïdentificeerd met behulp van drie Euler-hoeken . De Euler-hoeken beschrijven dan de overgang van het referentieframe van het monster naar het kristallografische referentieframe van elke individuele korrel van het polykristal. Je krijgt dus een groot aantal verschillende Euler-hoeken, waarvan de verdeling wordt beschreven door de $ODF$ .

De oriëntatieverdelingsfunctie, $ODF$ , kan met geen enkele techniek rechtstreeks worden gemeten. Traditioneel kunnen zowel röntgendiffractie als EBSD poolfiguren verzamelen. Er bestaan verschillende methodieken om de $ODF$ van de poolcijfers of gegevens in het algemeen. Ze kunnen worden geclassificeerd op basis van hoe ze de vertegenwoordigen $ODF$ . Sommige vertegenwoordigen de $ODF$ als functie, som van functies of uitbreiden in een reeks harmonische functies. Anderen, ook wel discrete methoden genoemd, verdelen de $ODF$ ruimte in cellen en focus op het bepalen van de waarde van de $ODF$ in elke cel.

Productie-effecten op textuur

In het geval van metalen kan het walsen van een plaat zorgen dat er langgerekte korrels in het materiaal ontstaan.

Ook bij het gieten van een metalen voorwerp kan de afkoelsnelheid en de samenstelling van de gebruikte matrijs maatgevend zijn voor meer of minder textuur.

Metalen die uit een waterige oplossing zijn afgescheiden via een galvanisch proces (bijvoorbeeld via het elektrolytisch vernikkelen) vertonen een vezelachtige textuur met de vezelrichting loodrecht op het oppervlak van het substraat. Dit komt doordat het metaal ver beneden het smeltpunt gevormd is waarbij kristallisatiefouten niet meer hersteld kunnen worden. Na verwarming tot 200 °C kan alsnog rekristallisatie optreden en verdwijnen de voorkeursoriëntaties.

oorsprong

Scan van doorgesneden, gesmede drijfstang die is geëtst om de graanstroom te tonen.

In draad en vezel hebben alle kristallen de neiging om bijna identieke oriëntatie in de axiale richting te hebben, maar bijna willekeurige radiale oriëntatie. De meest bekende uitzonderingen op deze regel zijn glasvezel, dat geen kristalstructuur heeft, en koolstofvezel, waarin de kristallijne anisotropie zo groot is dat een filament van goede kwaliteit een vervormd eenkristal zal zijn met ongeveer cilindrische symmetrie (vaak vergeleken met een gelei rollen ). Eenkristalvezels zijn ook niet ongewoon.

Het maken van metaalplaat omvat vaak compressie in de ene richting en, bij efficiënte walsbewerkingen, spanning in een andere, wat kristallieten in beide assen kan oriënteren door een proces dat bekend staat als graanstroom . Koud werk vernietigt echter een groot deel van de kristallijne orde, en de nieuwe kristallieten die ontstaan bij uitgloeien hebben meestal een andere textuur. Controle van textuur is uiterst belangrijk bij het maken van siliciumstaalplaat voor transformatorkernen (om magnetische hysterese te verminderen) en van aluminium blikken (aangezien dieptrekken extreme en relatief uniforme plasticiteit vereist).

Textuur in keramiek ontstaat meestal omdat de kristallieten in een slurry vormen hebben die afhankelijk zijn van de kristallijne oriëntatie, vaak naald- of plaatvormig. Deze deeltjes richten zich op elkaar als water de slurry verlaat of als klei wordt gevormd.

Gieten of andere overgangen van vloeistof naar vaste stof (dwz dunnefilmafzetting ) produceren getextureerde vaste stoffen wanneer er voldoende tijd en activeringsenergie is voor atomen om plaatsen in bestaande kristallen te vinden, in plaats van te condenseren als een amorfe vaste stof of nieuwe kristallen van willekeurige oriëntatie. Sommige facetten van een kristal (vaak de dicht opeengepakte vlakken) groeien sneller dan andere, en de kristallieten waarvoor een van deze vlakken in de groeirichting is gericht, zullen gewoonlijk de kristallen in andere oriëntaties overtreffen. In het uiterste geval zal slechts één kristal na een bepaalde lengte overleven: dit wordt benut in het Czochralski-proces (tenzij een entkristal wordt gebruikt) en bij het gieten van turbinebladen en andere kruipgevoelige onderdelen.

Textuur- en materiaaleigenschappen

Materiaaleigenschappen zoals sterkte, ^[1] chemische reactiviteit, ^[2] weerstand tegen spanningscorrosie, ^[3] lasbaarheid, ^[4] vervormingsgedrag, ^[1] ^[2] weerstand tegen stralingsschade, ^[5] ^[6] en magnetisch gevoeligheid ^[7] kan sterk afhankelijk zijn van de textuur van het materiaal en gerelateerde veranderingen in de microstructuur . In veel materialen zijn eigenschappen textuurspecifiek, en de ontwikkeling van ongunstige texturen wanneer het materiaal wordt vervaardigd of in gebruik is, kan zwakheden veroorzaken die storingen kunnen veroorzaken of verergeren. ^[1] ^[2] Onderdelen kunnen niet werken vanwege ongunstige texturen in hun samenstellende materialen. ^[2] ^[7] Storingen kunnen verband houden met de kristallijne texturen die tijdens de fabricage of het gebruik van dat onderdeel zijn gevormd. ^[1] ^[4] Daarom kan het van cruciaal belang zijn om rekening te houden met texturen die aanwezig zijn in en die zich kunnen vormen in geconstrueerde componenten terwijl ze in gebruik zijn bij het nemen van beslissingen over de selectie van sommige materialen en methoden die worden gebruikt om onderdelen met die materialen te vervaardigen. ^[1] ^[4] Wanneer onderdelen defect raken tijdens gebruik of misbruik, kan het begrijpen van de texturen die in die onderdelen voorkomen, cruciaal zijn voor een zinvolle interpretatie van storingsanalysegegevens . ^[1] ^[2]

Thin film-texturen

Als resultaat van substraateffecten die de voorkeur geven aan kristallietoriëntaties, hebben uitgesproken texturen de neiging om in thin films voor te komen.^[8] Moderne technologische apparaten zijn grotendeels afhankelijk van polykristallijne dunne films met diktes in het nanometer- en micrometerbereik. Dit geldt bijvoorbeeld voor alle micro -elektronische en de meeste opto -elektronische systemen of sensorische en supergeleidende lagen. De meeste dunne-filmstructuren kunnen worden ingedeeld in twee verschillende typen: (1) voor zogenaamde vezeltexturen is de oriëntatie van een bepaald roostervlak bij voorkeur evenwijdig aan het substraatvlak; (2) in biaxiale texturen heeft de oriëntatie in het vlak van kristallieten ook de neiging om uit te lijnen met betrekking tot het monster. Het laatste fenomeen wordt dienovereenkomstig waargenomen in bijna epitaxiale groeiprocessen, waar bepaalde kristallografische assen van kristallen in de laag de neiging hebben om uit te lijnen langs een bepaalde kristallografische oriëntatie van het (enkelkristal) substraat.

Het op maat maken van de textuur is een belangrijke taak geworden in de dunnefilmtechnologie. In het geval van bijvoorbeeld oxideverbindingen die bedoeld zijn voor transparante geleidende films of oppervlakte-akoestische golf (SAW)-apparaten, moet de polaire as worden uitgelijnd langs de substraatnormaal. ^[9] Een ander voorbeeld worden gegeven door kabels van supergeleiders met hoge temperatuur die worden ontwikkeld als meerlaagse oxidesystemen die worden afgezet op metalen linten. ^[10] De aanpassing van de biaxiale textuur in YBa ₂ Cu ₃ O _7−δ- lagen bleek de beslissende voorwaarde voor het bereiken van voldoende grote kritische stromen. ^[11]

De mate van textuur is vaak onderhevig aan een evolutie tijdens dunne filmgroei ^[12] en de meest uitgesproken texturen worden pas verkregen nadat de laag een bepaalde dikte heeft bereikt. Dunnefilmkwekers hebben dus informatie nodig over het textuurprofiel of de textuurgradiënt om het depositieproces te optimaliseren. De bepaling van textuurgradiënten door röntgenverstrooiing is echter niet eenvoudig, omdat verschillende diepten van een monster bijdragen aan het signaal. Technieken die een adequate deconvolutie van diffractie-intensiteit mogelijk maken, zijn pas recentelijk ontwikkeld. ^[13] ^[14]

Referenties

Verder lezen

Bunge, H.-J. "Mathematische Methoden der Texturanalyse" (1969) Akademie-Verlag, Berlijn
Bunge, H.-J. "Textuuranalyse in materiaalkunde" (1983) Butterworth, Londen
Kocks, UF, Tomé, CN, Wenk, H.-R., Beaudoin, AJ, Mecking, H. "Textuur en anisotropie - voorkeursoriëntaties in polykristallen en hun effect op materiaaleigenschappen" (2000) Cambridge University PressISBN 0-521-79420-X
Birkholz, M., hoofdstuk 5 van "Thin Film Analysis by X-ray Scattering" (2006) Wiley-VCH, WeinheimISBN 3-527-31052-5

Externe links

Bronnen, noten en/of referenties

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f O. Engler (2009). Introduction to Texture Analysis: Macrotexture, Microtexture, and Orientation Mapping, Second Edition. CRC Press. ISBN 978-1-4200-6365-3.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e U. F. Kocks, C. N. Tomé, H. -R. Wenk and H. Mecking (2000). Texture and Anisotropy: Preferred Orientations in Polycrystals and their effects on Materials Properties.. Cambridge University Press.. ISBN 978-0-521-79420-6.
↑ D. B. Knorr, J. M. Peltier, and R. M. Pelloux, "Influence of Crystallographic Texture and Test Temperature on Initiation and Propagation of Iodine Stress-Corrosion Cracks in Zircaloy" (1972). Zirconium in the Nuclear Industry: Sixth International Symposium. ASTM, Philadelphia, PA, 627–651.
↑ ^a ^b ^c Peter Rudling (2007). Welding of Zirconium Alloys. Advanced Nuclear Technology International, Sweden, 4–3(4–13).
↑ Y. S. Kim (2002). The Cause for Enhanced Corrosion of Zirconium Alloys by Hydrides. ASTM, Philadelphia, PA, pp. 277. ISBN 978-0-8031-2895-8.
↑ Brachet J. (2002). Influence of Hydrogen Content on the α/β Phase Transformation Temperatures and on the Thermal-Mechanical Behavior of Zy-4, M4 (ZrSnFeV), and M5™ (ZrNbO) Alloys During the First Phase of LOCA Transient. ASTM, Philadelphia, PA, pp. 685. ISBN 978-0-8031-2895-8.
↑ ^a ^b B. C. Cullity (1956). Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley, United States of America, 273–274.
↑ Highly oriented TiO₂ films on quartz substrates Surface coatings and technology
↑ M. Birkholz, B. Selle, F. Fenske and W. Fuhs (2003). Structure-Function Relationship between Preferred Orientation of Crystallites and Electrical Resistivity in Thin Polycrystalline ZnO:Al Films. Phys. Rev. B 68 (20): 205414. DOI: 10.1103/PhysRevB.68.205414.
↑ A. Goyal, M. Parans Paranthaman and U. Schoop (2004). The RABiTS Approach: Using Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrates for High-Performance YBCO Superconductors. MRS Bull. 29 (August): 552–561. DOI: 10.1557/mrs2004.161.
↑ Y. Iijima, K. Kakimoto, Y. Yamada, T. Izumi, T. Saitoh and Y. Shiohara (2004). Research and Development of Biaxially Textured IBAD-GZO Templates for Coated Superconductors. MRS Bull. 29 (August): 564–571. DOI: 10.1557/mrs2004.162.
↑ F. Fenske, B. Selle, M. Birkholz (2005). Preferred Orientation and Anisotropic Growth in Polycrystalline ZnO:Al Films Prepared by Magnetron Sputtering. Jpn. J. Appl. Phys. Lett. 44 (21): L662–L664. DOI: 10.1143/JJAP.44.L662.
↑ J. Bonarski (2006). X-ray texture tomography of near-surface areas. Progr. Mat. Sc. 51: 61–149. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2005.05.001.
↑ M. Birkholz (2007). Modelling of diffraction from fiber texture gradients in thin polycrystalline films. J. Appl. Cryst. 40 (4): 735–742. DOI: 10.1107/S0021889807027240.

[[Categorie:Metallurgie]] [[Categorie:Kristallografie]] [[Categorie:Wikipedia:Pagina's met vertalingen die niet zijn nagekeken]]

[Engler_and_Randle-1] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f O. Engler (2009). Introduction to Texture Analysis: Macrotexture, Microtexture, and Orientation Mapping, Second Edition. CRC Press. ISBN 978-1-4200-6365-3.

[Kocks_et_al-2] U. F. Kocks, C. N. Tomé, H. -R. Wenk and H. Mecking (2000). Texture and Anisotropy: Preferred Orientations in Polycrystals and their effects on Materials Properties.. Cambridge University Press.. ISBN 978-0-521-79420-6.

[Knorr_et_al-3] D. B. Knorr, J. M. Peltier, and R. M. Pelloux, "Influence of Crystallographic Texture and Test Temperature on Initiation and Propagation of Iodine Stress-Corrosion Cracks in Zircaloy" (1972). Zirconium in the Nuclear Industry: Sixth International Symposium. ASTM, Philadelphia, PA, 627–651.

[Rudling_et_al-4] Peter Rudling (2007). Welding of Zirconium Alloys. Advanced Nuclear Technology International, Sweden, 4–3(4–13).

[5] Y. S. Kim (2002). The Cause for Enhanced Corrosion of Zirconium Alloys by Hydrides. ASTM, Philadelphia, PA, pp. 277. ISBN 978-0-8031-2895-8.

[6] Brachet J. (2002). Influence of Hydrogen Content on the α/β Phase Transformation Temperatures and on the Thermal-Mechanical Behavior of Zy-4, M4 (ZrSnFeV), and M5™ (ZrNbO) Alloys During the First Phase of LOCA Transient. ASTM, Philadelphia, PA, pp. 685. ISBN 978-0-8031-2895-8.

[Cullity-7] B. C. Cullity (1956). Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley, United States of America, 273–274.

[8] Highly oriented TiO₂ films on quartz substrates Surface coatings and technology

[Birk2003-9] M. Birkholz, B. Selle, F. Fenske and W. Fuhs (2003). Structure-Function Relationship between Preferred Orientation of Crystallites and Electrical Resistivity in Thin Polycrystalline ZnO:Al Films. Phys. Rev. B 68 (20): 205414. DOI: 10.1103/PhysRevB.68.205414.

[Goya2004-10] A. Goyal, M. Parans Paranthaman and U. Schoop (2004). The RABiTS Approach: Using Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrates for High-Performance YBCO Superconductors. MRS Bull. 29 (August): 552–561. DOI: 10.1557/mrs2004.161.

[Iiji2004-11] Y. Iijima, K. Kakimoto, Y. Yamada, T. Izumi, T. Saitoh and Y. Shiohara (2004). Research and Development of Biaxially Textured IBAD-GZO Templates for Coated Superconductors. MRS Bull. 29 (August): 564–571. DOI: 10.1557/mrs2004.162.

[Fens2005-12] F. Fenske, B. Selle, M. Birkholz (2005). Preferred Orientation and Anisotropic Growth in Polycrystalline ZnO:Al Films Prepared by Magnetron Sputtering. Jpn. J. Appl. Phys. Lett. 44 (21): L662–L664. DOI: 10.1143/JJAP.44.L662.

[Bona2006-13] J. Bonarski (2006). X-ray texture tomography of near-surface areas. Progr. Mat. Sc. 51: 61–149. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2005.05.001.

[Birk2007-14] M. Birkholz (2007). Modelling of diffraction from fiber texture gradients in thin polycrystalline films. J. Appl. Cryst. 40 (4): 735–742. DOI: 10.1107/S0021889807027240.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]