金属材料的晶体学织构与各向异性

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X射线 的散射 X射线 的吸收
非相干散射 相干散射 光电效应 俄歇效应
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无织构材料与有织构材料的X射线衍射花样特征
（1）无织构材料
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（2）有织构材料
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X射线物相分析
X射线衍射谱，就如同人的指纹一样，是每一种晶体物质的特征，是鉴 别晶体物质的标志。
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1.2 织构的概念 单晶体
多晶体
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多晶体取向随机分布 {hkl}<uvw>/{轧面}<轧向>
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多晶体取向择尤分布 各晶粒轧面、轧向趋于一致
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织构：钢板多晶体晶粒取向择尤分布的取向分布结构；若 多晶体晶粒取向分成不同组择尤取向分布则可构成不同的 织构组分。
deficient line
电子背散射衍射(EBSD)花样的产生原理
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• TEM菊池花样——固定方向电子束入射到薄晶体中 ——前散射电子（透射电子） ——晶体对不同方向前散射电子在出射过程中的通道效
应，前散射电子的强度的角分布受晶面布拉格条件所调制而变化。 • SEM EBSP ——固定方向电子束入射到厚晶体中
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章节目录
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2.1 X射线衍射仪（XRD）
1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现一种新的射线。
X射线是用人的肉眼不可见的，但能使某些物质发出可见荧光； 具有感光性，能使照相底片感光；具有激发本领，使气体电离。
X射线沿直线传播，经过电场时不发生偏转；具有很强的穿透 能力，波长越短，穿透物质的能力越大；与物质能相互作用。
2．反极图：是把材料某一特定方向上的晶粒取向密度绘制在单晶标准投影图上 。以晶体的三个主要晶轴（或低指数晶向）为参照坐标系的三个坐标轴，取与 晶体主要晶轴垂直的平面作投影面，将与某一外观方向平行的晶向的空间分布 用极射赤道平面投影的方法投影在此平面上，得到多晶体材料的此特征方向的 反极图。
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4 与数据库进行相及取向的对比
5 校对并给出标定结果
6 输出相及取向结果
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EBSD有哪些具体分析功能 • 微观组织结构(取向成像) • 晶粒尺寸分析 • 织构分析 • 晶界特性分析 • 取向差分析 • 相鉴定及相分布 • ……
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2.3 透射电镜
透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统 三大部分组成。电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显 微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录 系统。
{hkl}<uvw> {001}<100> {001}<110> {011}<100> {111}<112> {111}<110>
{112}<110>
j1, F, j 2 角度 0,0,0 45 , 0 , 0 0 , 45 , 0 90 , 55 , 45 0 , 55 , 45
35 , 55 , 45
有损测试法（应力释放法）：将欲测构件利用机械加工的方 法，使其 因释放部分应力而产生相应的位移与应变，测量这些位移或应变后换 算出构件加工处原有的应力。包括钻孔法、取条法、切槽法、剥层法 等。
无损测试法（物理方法）包括X射线法、中子衍射法、磁性法和超声法 等。方法原理是测量材料中残余应力状态引起的某种物理量变化，再 根据它与残余应力（或应变）间的关系推算出残余应力。
① X射线应力测定是一种无损探测方法，它不需破坏构件（或材料） ② X射线衍射法测定的应变全部是弹性应变 ③ 测定的范围可小至2~3mm，因此可测量很小范围的应变 ④ X射线测得的应力只代表表面应力。
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残余应力测试方法分类
对于构件表层的残余应力， 目前主要采用X射线法、小盲孔法等。对 于构件内部残余应力的测定主要采用剥离、剖分等全破坏性的方法， 也可采用无损的超声波法。
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晶粒取向极图投影原理
方向坐标: {a, b}
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板织构的类型和漫散程度，除与 材料的组成和晶体结构因素有关 外，主要与轧制工艺有关。因此 在轧制过程中为要控制稳定的织 构生成，必须注意压下道次数、 压下量和轧制
温度等条件的影响。板材织构的 对称性比纤维织构低，必须利用 极图才能确切地加以描述。
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X射线的产生条件
实验证明，高速运动着的电子突然被阻止时，伴随着电子动能的消失或转 化，会产生X射线。
因此，要获得X射线，必须满足以下条件：
⑴产生并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； ⑵在真空中（一般为10-6mmHg），使电子作定向的高速运动； ⑶在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电 子突然受阻而停止下来。这样，靶面上就会发射出X射线。
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多晶体的电子衍射图
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极射赤面投影法
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3 织构的产生
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➢织构的定义 ➢织构的类型 ➢织构的实际应用
源自文库
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X射线发生装置的基本原理图
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X射线与物质的相互作用
实质：电磁波与电子的相互作用
意义：可用于结构分析、成分分析、解释实验现象、选择实验条件 、避免不利影响的发生。 实验证明：X射线经过物质后，从能量角度看，W入射 W穿透+W散射 +W吸收=W穿透+W衰减
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1.1 取向的概念及表达
晶体坐标系
1 织构的基本概念
铁基金属晶体单胞及其晶面、晶向指数
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[001]
法向 ND横向
轧向
TD
RD
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[010]
晶粒取向? 晶粒位向?
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取向：在参考坐标系内晶体坐标系相对 于参考坐标系的转动状态
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参考坐标系 RD=轧向； ND=法向 ；TD=横向
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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， 是指将多晶材料中各晶粒的{110}晶面族的法线向轧面投影。
• 特征Ｘ射线（X-rays） 当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量
较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，这 种跃迁的能量将以Ｘ射线释放，这类Ｘ射线的能量与原子壳层间的能量有 关，是原子的标识。
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EBSD技术分析材料织构
电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction，EBSD)技术是 基于对扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出背散射电子，并形 成衍射菊池带的分析，从而确定晶体结构、取向及相关信息的方法
另外，X射线通过物质时可以被吸收，使其强度衰减，偏振 化——即经物质后，某些方向强度强，某些方向弱；能杀死生物细胞， 实验中要特别注意保护。
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X射线本质是一种电磁波，有明显的波粒二象性 。
X射线的波长为 λ=10-10cm～10-6cm，X射线在空间传播具有粒子性， 或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流。这些 粒子叫光量子，每个光量子具有能量。
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入射电子与固体的相互作用
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SEM 中的几种信号
• 二次电子（Secondary electrons） 在入射电子束作用下，被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子
• 背散射电子（Back scatter electrons） 被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子
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（001）标准投影图
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（110）标准投影图
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（111）标准投影图
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{200}极图
热轧铝板退火织构
{111}极图
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1.4 织构的定量分析——取向分布函数
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取向硅钢织构
深冲压钢板织构
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2 织构的测量方法
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➢ X射线衍射仪（XRD） X射线的产生与性质 X射线的织构分析 X射线的物相分析 X射线的宏观应力分析 ➢ 扫描电子显微镜 ➢ 透射电子显微镜
冷轧钢板实测[110]极图
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单晶标准投影图
如果把一个单晶体放在投影球的球心，依次使其某些特定晶面与赤道平面重合，然 后将其他各个晶面法线投影到赤道平面上，便成了标准投影图。这些特定晶面常采用 低指数晶面，立方晶系中如 (001)、(110)、(111)、(112) 等较常用，其标准投影图如图 所示。单晶标准投影图可用于标定极图织构。
如果将两种或两种以上的晶体物质混合在一起，则组成混合物的各相产 生的衍射花样是独立的、机械叠加。 根据衍射谱的特点 确定物相的晶体结构和相的种类——就是定性分析的 内容。
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宏观应力的测定
测定应力的方法很多，其中X射线衍射法具有许多独特的优点，已被 广泛应用。其特点为：
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C j1 O A j1
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C j1 F
j1 O
B A j1 F
Z
C j1
j2
F
F
j1
B
O
A
j1
j2 X F
取向的表达方式 在O-A-B-C内O-X-Y-Z的取向
(hkl)[uvw]
{j1, F, j2}三个自由变量
Y j2 F j1 B
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轧制试样坐标系中取向参数的换算
取向名称
立方 旋转立方 戈斯Goss
——背散射电子（背散射电子） ——晶体对不同方向背散射电子在出射过程中的通道效应， 前散射电子的强度的角分布受晶面布拉格条件所调制而变化。
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电子背散射衍射花样的标定
硅钢某一点的EBSD花样
硅钢某点的花样标定结果
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一个完整的标定过程
1 取点
2 采集花样
3 图像处理及菊池带识别
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金属材料的晶体学织构与各向异性
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目录
织构的基本概念 织构的测量方法 织构的产生 深冲钢织构与性能分析 电工钢织构与性能分析
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1 织构的基本概念
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章节目录
➢ 取向的概念及表达 ➢ 织构的概念 ➢ 织构的定性分析——极图 ➢ 织构的定量分析——取向分布函数
择优取向、织构：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。
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3.2 织构的类型
形变织构：经金属塑性加工的材料，如经拉拔﹑挤压的线材或经轧 制的金属板材，在塑性变形过程中常沿原子最密集的晶面发生滑移。 滑移过程中，晶体连同其滑移面将发生转动，从而引起多晶体中晶 粒方位出现一定程度的有序化。这种由于冷变形而在变形金属中直 接产生的晶粒择优取向称为形变织构。
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3.1 织构的定义
各向异性：单晶体在不同晶体学方向上的力学、电磁、光学、耐腐蚀、磁 学甚至核物理等方面的性能表现出显著差异的现象。
各向同性：多晶集合体在宏观不同方向上表现出各种性能相同的现象 一般情况下，多晶材料中数目众多的晶粒是无序均匀分布的，即在不同方 向上取向几率相同，多晶集合体的各种性能在不同宏观方向上相同。
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1.3 织构的定性分析——极图
晶体在三维空间中取向分布的二维极射赤面投影称为极图。
1．直接极图（正极图）：是一种对于材料中某一选定的低指数（hkl）面﹐表明 其极点密度随极点取向而变化的极射赤平投影图。以多晶体材料的特征外观方 向（轧制平面法向ND、轧制方向RD及横向TD）作为宏观参考系的三个坐标轴， 取轧制平面为投影面，将多晶材料中每个晶粒的某一低指数晶面（hkl）法线用 极射赤道平面投影的方法投影在此平面上得到多晶材料的（hkl）极图（直接极 图、正极图）。
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EBSD花样形成的示意图
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单晶硅的EBSD花样
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specimen
incident electrons
Bragg’s Law: 2dhklsin
in the specimen
scattered electrons B
B
2B
excess line
projection of (hkl)