材料x射线宏观织构测定

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1、材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法第二章第二章第二章第二章材料材料材料材料 射线宏观织构测定射线宏观织构测定射线宏观织构测定射线宏观织构测定Dept. of MSE, CQU1材料材料材料材料X X射线宏观织构测定射线宏观织构测定射线宏观织构测定射线宏观织构测定材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法本章主要内容2.1 织构的基本概念织构的基本概念2.2 材料织构的表达方法材料织构的表达方法Dept. of MSE, CQU22.2 2.3 材料材料X射线宏观织构检测原理与技术射线宏观织构检测原理与技术材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法2.1 织构的基本概念织构的基本概念?多晶体由许多晶

2、粒组成，但就其多晶体由许多晶粒组成，但就其晶粒取向晶粒取向分布而言，分布而言， 可分为两种情况：可分为两种情况：?一种是取向分布呈完全无序状态；一种是取向分布呈完全无序状态；?另一种是取向分布偏离完全无序状态另一种是取向分布偏离完全无序状态，呈现某种呈现某种择优择优分分Dept. of MSE, CQU3?另一种是取向分布偏离完全无序状态另一种是取向分布偏离完全无序状态，呈现某种呈现某种择优择优分分 布布趋势。具有择优取向的结构状态称为趋势。具有择优取向的结构状态称为织构织构。板材的织构现象材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?天然的和人工制造的多晶材料很少是取向分布完天然的和人工制造的多晶

3、材料很少是取向分布完 全无序的，绝大多数都不同程度地存在着取向织构。全无序的，绝大多数都不同程度地存在着取向织构。 例如：例如：?结品岩石和矿石由熔体结品时，或在变质岩形成过程，结品岩石和矿石由熔体结品时，或在变质岩形成过程， 均含形成织构；均含形成织构；Dept. of MSE, CQU4?金属材料在液固结晶，气相沉积，点解沉积等过程中金属材料在液固结晶，气相沉积，点解沉积等过程中 都会形成各种特征的织构；都会形成各种特征的织构；?冷加工(冷拉，冷轧，挤压等)过程会形成冷加工(冷拉，冷轧，挤压等)过程会形成变形织构变形织构， 在随后的退火过程又可形成在随后的退火过程又可形成再再结晶织构结晶织

4、构。材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?凝固过程凝固过程中的晶粒取向择优（柱状晶，定向凝固，中的晶粒取向择优（柱状晶，定向凝固， 共晶）共晶）/温度场，磁场电场，表面能的作用。温度场，磁场电场，表面能的作用。铝铸锭铝铸锭铝铸锭铝铸锭平行凝固平行凝固 方向方向Dept. of MSE, CQU5定向凝固的定向凝固的MnSb(黑黑)- Sb(白白)共晶组织共晶组织垂直凝固垂直凝固 方向方向材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?形变形变过程中的晶粒择优取向过程中的晶粒择优取向/晶体固定的滑移孪生晶体固定的滑移孪生 面的缘故，力的作用。面的缘故，力的作用。Dept. of MSE, CQU600

5、.51.6*形变过程导致的晶体转动形变过程导致的晶体转动材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?再结晶过程再结晶过程中晶粒取向的择优中晶粒取向的择优;二次再结晶伴随的二次再结晶伴随的 织构现象织构现象;晶界迁移行为的差异；表面能的作用；晶界迁移行为的差异；表面能的作用；Dept. of MSE, CQU7立方取向择优立方取向择优材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?薄膜制备薄膜制备过程中晶粒取向及形貌的择优；应变能过程中晶粒取向及形貌的择优；应变能 作用，表面能作用，晶界迁移速度的作用。作用，表面能作用，晶界迁移速度的作用。Dept. of MSE, CQU8TiN / Si Cross S

6、ection材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?织构的形成使材料的物理性能和力学性能表现出织构的形成使材料的物理性能和力学性能表现出 各各向向异性异性。?织构的存在有时是有害的，如金属板材深冲加工时，织构的存在有时是有害的，如金属板材深冲加工时， 由于织构的存在而形成制耳，会浪费材料和工时，也由于织构的存在而形成制耳，会浪费材料和工时，也 降低产品质量；降低产品质量；织构的存在有时却是有利的织构的存在有时却是有利的例如例如在加工变压器硅在加工变压器硅Dept. of MSE, CQU9?可见，织构的测定具有重要的实际应用意义。可见，织构的测定具有重要的实际应用意义。?织构的存在有时却是有利

7、的织构的存在有时却是有利的。例如例如，在加工变压器硅在加工变压器硅 钢片和坡莫合金时，希望沿晶体的易磁化方向形成强钢片和坡莫合金时，希望沿晶体的易磁化方向形成强 织构，可提高磁性能。织构，可提高磁性能。材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法2.2 材料织构的表达方法材料织构的表达方法?取向的定义? 设空间有一由设空间有一由x, y, z 3个互相垂直的坐标轴组成的个互相垂直的坐标轴组成的直角参考坐标直角参考坐标 系系。再设有一个。再设有一个立方立方晶体晶体坐标系坐标系，其坐标排列方式为：，其坐标排列方式为：100方向方向 平行于平行于x轴，轴，010方向平行于方向平行于y轴，轴，001方向平行

8、于方向平行于z轴，轴，且且3个晶个晶 体方向分别同与之平行的体方向分别同与之平行的x, y, z 坐标轴保持同向坐标轴保持同向。Dept. of MSE, CQU10体方向分别同与之平行的体方向分别同与之平行的x, y, z 坐标轴保持同向坐标轴保持同向。人们把晶体坐标系中晶体方向在参考坐标系内的这种排布人们把晶体坐标系中晶体方向在参考坐标系内的这种排布 方式称为方式称为起始取向起始取向或或初始取向初始取向e。材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法? 若把一多晶体或单晶体放在坐标系若把一多晶体或单晶体放在坐标系Oxyz内，则每个晶粒或晶体内，则每个晶粒或晶体 坐标系的坐标系的方向通常不具有上述

9、排列，因此他们不具有初始取方向通常不具有上述排列，因此他们不具有初始取 向，而只有一般的取向。向，而只有一般的取向。如果把一具有初始取向的晶体坐标系做某种转动，使它与一单如果把一具有初始取向的晶体坐标系做某种转动，使它与一单 晶体或多晶体内一晶粒的晶体坐标系重合，这样转动过的晶体坐晶体或多晶体内一晶粒的晶体坐标系重合，这样转动过的晶体坐 标系就具有了与之重合的晶体坐标系的取向。标系就具有了与之重合的晶体坐标系的取向。取向取向描述了物体从初始取向出发相对于参考坐标描述了物体从初始取向出发相对于参考坐标 系的转动状态系的转动状态Dept. of MSE, CQU11系的转动状态系的转动状态。材料X

10、射线宏观织构测定材料现代分析方法Sample Coordinate System (SCS)Crystal Coordinate System (CCS)CCS2CCS1SCS? 样品坐标系与晶体坐标系的关系样品坐标系与晶体坐标系的关系Dept. of MSE, CQU12CCS2CCS1取向取向取向差取向差材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法?取向的表征(1) 密勒指数（Miller indices） (2) 欧拉角（Euler angles ） (3) 旋转矩阵（Rotation matrix G） (4) 旋转轴角（Angle/axis of rotation）Dept. of MSE

11、, CQU13(4) 旋转轴角（Angle/axis of rotation）材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法(1). 密勒指数密勒指数(hkl)uvw , (hkl)|轧面, uvw|轧向hkl Miller指数族For a cubic crystal structure, (hkl)uvw 等效于 hkl|Z and uvw|XDept. of MSE, CQU14材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法Examples Miller IndicesNR001 112 111 111 110Dept. of MSE, CQU15TR材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法(2). 欧拉角

12、欧拉角?Euler角角的物理意义：的物理意义：,12经过以下三次旋转操作，可实经过以下三次旋转操作，可实 现现样品坐标轴样品坐标轴与任意的与任意的晶体晶体坐标坐标 轴轴重合重合。ZDept. of MSE, CQU16?第三次： XOY面绕新的Z轴转第三次： XOY面绕新的Z轴转角角? 第二次： YOZ面绕新的X轴转第二次： YOZ面绕新的X轴转角；角；? 第一次：XOY面绕Z轴转第一次：XOY面绕Z轴转角；角； XY12材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法立方金属轧板常见取向的欧拉角 及其晶面晶向指数的换算Dept. of MSE, CQU17材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法? Th

13、e rotation of the sample axes onto the crystal axes, i.e. CCS = g . SCSXYZSCS = = =ltksvhruggggggg222111232221131211 coscoscoscoscoscos(3). 旋转矩阵旋转矩阵Dept. of MSE, CQU18CCS0010101001, 1, 1are angles between 100 and X, Y, Z2, 2, 2are angles between 010 and X, Y, Z3, 3, 3are angles between 001 and X, Y,

14、 Zltwggg333333231coscoscos材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法? 若用矩阵表示经任意若用矩阵表示经任意转动所获得的取向，则可推导出转动所获得的取向，则可推导出 如下关系：如下关系：,12 = =1000cossin0sincoscossin0sincos00011000cossin0sincos11112222333231232221131211 gggggggggg +=sincossincoscossinsincoscossinsincossinsincossincoscossincossinsincoscos221212121221212121 Dept. o

15、f MSE, CQU19 =ltwksvhrucossincossinsin11221212121 此时此时 Ox、Oy和和Oz分别平行于分别平行于uvw、rst和和hkl，这样，这样 通过上式就建立了三种取向表达方式的换算关系。通过上式就建立了三种取向表达方式的换算关系。材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法(4). 旋转轴角旋转轴角 常用于表示取向差 可由旋转矩阵G得到Dept. of MSE, CQU2086 86 Mg合金中常见孪晶合金中常见孪晶材料X射线宏观织构测定材料现代分析方法（1）取向矩阵）取向矩阵G：= 802030805120535075303840268058107680.ltwksvhru（2）Miller指数指数：ND=hkl=123? S取向的取向的4种表示种表示Dept. of MSE, CQU21（4）轴角对：）轴角对：(n1, n2, n3) =(0.842,- 0.779,- 0.966) 48.6（2）Miller指数指数：ND=hkl=123（3）Euler角角:（ 1