Бородкина М.М., Спектор Э. ?. Рентгенографический анализ текстуры металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

не только качественный, но и количественный анализ пре-

имущественных кристаллографических ориентировок. Среди

физических методов определения текстур наиболее объектив-

ным и точным наряду с нейтронографическим является рент-

генографический метод. Однако до недавнего времени в нем

использовалась весьма трудоемкая и малопроизводительная

фотографическая техника, с помощью которой был возможен

лишь полуколичественный анализ.

Создание дифрактометров — аппаратуры для регистрации

рентгеновской дифракционной картины с помощью счетчиков

— открыло возможность развития количественного метода

определения текстур. Первый серийный отечественный рент-

геновский дифрактометр общего назначения был разработан в

1955 г.

Начало использования дифрактометрического метода оп-

ределения текстур в нашей стране было положено разработкой

конструкции текстурной приставки к дифрактометру общего

назначения в 1956—1958 гг. В дальнейшем аппаратура разви-

валась по пути автоматизации съемки и построения полюсных

фигур. В 1972—1974 гг. был создан специализированный ав-

томатический текстурдифрактометр ДАРТ-2,0. Конструкция

дифрактометра обеспечивает широкие возможности его ис-

пользования как для экспрессного определения текстуры,

удобного в условиях заводского контроля, так и для точного

количественного исследования преимущественных ориенти-

ровок с помощью ЭВМ.

Глава 1

ОПИСАНИЕ ТЕКСТУРЫ И МЕТОДЫ ЕЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1. ВИДЫ ТЕКСТУРЫ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Качественно вид текстуры определяется характером распо-

ложения решетки отдельных кристаллитов в поликристалли-

ческом материале относительно внешних осей образца. Исхо-

дя из этого текстура подразделяется на три основных вида:

аксиальную или волокнистую, коническую и ограниченную.

Рис.1. Аксиальная текстура <002>, <111> и <0001>

Аксиальная текстура характеризуется наличием преимуще-

ственного кристаллографического направления — оси тексту-

ры, совпадающего с внешним направлением образца. Рис. 1

поясняет образование аксиальной текстуры на примере мате-

риалов с кубической и гексагональной решеткой. Кристалли-

ческая решетка в разных

зернах поликристаллического материала повернута таким об-

разом, что с некоторой степенью вероятности остается парал-

лельным данному направлению в образце какое-либо кристал-

лографическое направление, например ребро куба (рис. 1,а),

направление пространственной диагонали куба (рис. 1,б), на-

правление ребра призмы (рис. 1,в). Это преимущественное

кристаллографическое направление называют осью текстуры

или осью волокна. В случае простой аксиальной текстуры ось

волокна совпадает с определенной осью образца, например с

направлением оси проволоки или прутка, с направлением

нормали к поверхности электролитически осаждаемого метал-

ла и т. д.

Аксиальную текстуру принято обозначать миллеровскими

индексами совокупности кристаллографических направлений,

совпадающих с осью Т, заключенными в скобки: <001>,

<111>, <0001>— рис. 1,α, б, в соответственно, в отличие от

обозначения указанных направлений в монокристалле: [001],

[111], [0001]. Индексы в скобках вида < > обозначают не одно

направление, а всю совокупность направлений данного типа.

Очевидно, что свойства вдоль оси образца будут зависеть от

типа совпадающего с ней кристаллографического направле-

ния, от степени вероятности этого совпадения, т. е. от интен-

сивности или степени совершенства текстуры, а также от ха-

рактера анизотропии рассматриваемого физического свойства

в монокристалле. В тех случаях, когда в текстуре присутствует

несколько различных преимущественных ориентировок, уро-

вень свойств зависит также от их количественного соотноше-

ния.

В материалах с кубической решеткой перпендикулярно оси

текстуры лежат кристаллографические плоскости, имеющие те

же индексы, что и направления: {001}, {111} (рис. 1,а, б).

Плоскости решетки, перпендикулярные оси текстуры, назы-

вают диатропными. Для гексагональных материалов индексы

осей текстуры и диатропных плоскостей не всегда совпадают.

В случае, рассмотренном на рис. 1, в, диатропными плоско-

стями являются базисные плоскости {0001}. Индексами, за-

ключенными в фигурные скобки, обозначают совокупность

плоскостей данного типа в поликристаллическом материале

возли которых пишутся в круглых скобках в определенном

порядке и с указанием знаков, например (001), (111).

Поскольку при аксиальной текстуре кристаллическая ре-

шетка повернута вокруг оси текстуры любым образом (равно-

вероятно), то эквивалентные кристаллографические нормали

образуют системы коаксиальных конусов, угол раствора кото-

рых равен удвоенному углу между направлением, совпадаю-

щим с осью текстуры Т, и рассматриваемыми нормалями (см.

табл. 1 Приложения). На рис. 2 показано пространственное

расположение нормалей <111> в случае аксиальной текстуры

<001> (см. рис. Ι,а) и текстуры <111> (см. рис. 1,б).

Пространственное распределение нормалей плоскостей

разного типа удобно исследовать с помощью сферической

Рис. 2. Пространственное расположение нормалей <111> для аксиальной

текстуры <001> (а) и <111> (б)

проекции. С вертикальным диаметром сферы совмещают ось

образца. При беспорядочной ориентировке кристаллитов нор-

мали плоскостей любого типа пересекают поверхность сферы

в точках, равномерно распределенных по ней. В случае акси-

альной текстуры при пересечении конусов нормалей со сфе-

рой проекций на ее поверхности образуются закономерно рас-

положенные круги. Только плоскости, перпендикулярные оси

текстуры, изображаются точками, совпадающими с полюсами

сферы (рис. 2,а).

Существует несколько более сложных видов аксиальной

текстуры, для которых ось образца, являющаяся осью враще-

ния бесконечного порядка, и ось текстуры не

совпадают

. Сюда относится кольцевая текстура, для которой

угол между указанными осями составляет 90°. Такая текстура

характерна для проволоки гексагональных металлов и спла-

вов. Гексагональная ось (ребро призмы) устанавливается пре-

имущественно перпендикулярно оси проволоки и образует

экваториальное кольцо на сфере проекций. Базисные плоско-

сти при этом параллельны оси проволоки, а плоскости призмы

из-за отсутствия ограничений вращения вокруг оси текстуры

разориентированы. Спиральной текстурой называют такую,

при которой ось Т отклонена от продольной оси образца В на

небольшой

Рис. 3. Сферическая проекция спиральной (а) и конической (б) текстур

(В — ось образца, Т—ось текстуры)

угол (рис. 3,а). Видно, что при этом происходит лишь ушире-

ние кругов на сфере проекций. Поэтому спиральная текстура

отличается от простой аксиальной, имеющей некоторое рас-

сеяние, только характером распределения нормалей внутри

поясов сферической проекции.

Аксиальная текстура возникает в материале под действием

на него внешних полей осевой симметрии. Усложнение типа

аксиальной текстуры связано либо с нарушением симметрии

воздействующих на решетку полей, либо с особенностями

кристаллической структуры, как это имеет место в материалах

с гексагональной решеткой, когда в процессе деформации

скольжение облегчается в базисных плоскостях.

Вассерман и Гревен [1] приводят восемь теоретически возможных типов акси-

альной текстуры, причем коническая текстура также отнесена к аксиальной. Пред-

ставляется целесообразным коническую текстуру рассматривать как особый вид тек-

стуры.

Характерной особенностью конической текстуры, как и

рассмотренной выше спиральной, является наклон осей тек-

стуры Т к оси образца В, однако при конической текстуре ось

образца не является осью вращения и ось текстуры фиксиро-

вана в определенной плоскости образца.

Если оси Т пересекаются на оси образца В, но вершины ко-

нусов, образованных эквивалентными кристаллографическими

нормалями вокруг осей Т, обращены в сторону одного конца

оси образца, то такую текстуру называют одинарной кониче-

ской. Чаще имеется два симметричных положения, как пока-

зано на рис. 3, б. Такую текстуру называют двойной кониче-

ской.

Ограниченная текстура возникает в результате воздействия

на поликристаллический материал поля плоскостной или

близкой к ней симметрии. Характерным признаком текстуры

этого вида является ограничение вращения решетки кристал-

литов вокруг оси текстуры. При этом кристаллографические

плоскости и направления какого-либо типа фиксируются в оп-

ределенных плоскости и направлении образца соответственно.

Примером ограниченной текстуры является текстура прокат-

ки.

Текстуру прокатки принято описывать в первом приближе-

нии так называемыми идеальными ориентировками: милле-

ровскими индексами семейства плоскостей, преимущественно

совпадающих с плоскостью прокатки, и кристаллографиче-

ских направлений, совпадающих с направлением прокатки —

{hkl} <uvw>, в отличие от ориентировок монокристаллов, ин-

дексы которых заключают в круглые и квадратные скобки со-

ответственно: (hkl) [uvw]

Обычно текстура прокатки носит сложный характер и опи-

сывается не одной, а несколькими идеальными ориентировка-

ми, обладающими значительными областями рассеяния. Кро-

ме того, на ориентировки ограниченного типа в условиях про-

катки с натяжением накладываются аксиальные, а в условиях

горячей прокатки и конические ориентировки. Текстура рек-

ристаллизации, как правило, менее сложная, часто описывает-

ся одной ориентировкой. Па рис. 4 схематично показаны два

распространенных

Подразумевается, что для конкретных ориентировок, входящих в совокупность

{hkl}<uvw> выполняется условие зональности, при котором направление [uvw] лежит

в плоскости (hkl) : hu + kv + lw = 0

для материалов с г.ц.к. и о.ц.к. решеткой вида текстуры рекри-

сталлизации: кубическая и ребровая. Более полное описание

текстуры осуществляется с помощью полюсных фигур. В по-

следнее время получает распространение количественное опи-

сание текстуры с помощью трехмерных функций распределе-

ния ориентировок. Эти виды описания будут рассмотрены ни-

же.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕКСТУРЫ

Методы определения текстуры подразделяются на прямые и косвенные.

К прямым методам относятся оптические и все дифракционные методы:

рентгенографический, электронно- и нейтронографический; к косвенным—

методы, основанные на измерении анизотропии физических, химических и

механических свойств.

Оптические методы исследования текстуры основаны на различной

скорости травления разных кристаллографических плоскостей. Анализируя

углы отражения светового пучка известными обнаженными травлением

гранями {hkl} (метод максимального блеска) либо форму и расположение

ямок травления с помощью электронного микроскопа [2] или оптического

гониометра [3], удается судить об ориентировке отдельных зерен поликри-

сталлического материала. Статистически обработав результаты или постро-

ив суммарную стереографическую проекцию, можно определить тип пре-

имущественной ориентировки.

Оптические методы удобны для определения отклонений от известной

идеальной ориентировки, когда исследуют крупнозернистый материал с

четкой однокомпонентной текстурой, например трансформаторную сталь с

ребровой текстурой вторичной

Рис. 4. Схематическое изображение кубической и

ебровой текстур прокатанного листа.

рекристаллизации. При этом точность определения достигает ±1°. В случае

многокомпонентной, рассеянной текстуры анализ ямок травления разнооб-

разной формы представляет известные затруднения и не дает высокой точ-

ности [4]. Для определения текстуры гексагональных материалов этот метод

применяют редко, так как поверхность фигур травления может быть образо-

вана разными кристаллографическими гранями. Поэтому для изучения тек-

стуры отожженных металлов с гексагональной и тетрагональной решетками

используют метод оптической поляризационной микроскопии и цветового

травления, основанный на анизотропии поляризации световых волн кри-

сталлами разной ориентировки, дающий точность определения ±3° [5, 6].

Оптические методы малопригодны для определения текстуры сильно де-

формированных материалов. Недостатком оптических методов является

также то, что они позволяют получить сведения об ориентировке зерен, рас-

положенных только на поверхности шлифа.

Косвенные методы удобны для быстрой количественной оценки одно-

компонентной текстуры, например в условиях заводского контроля. Из всех

косвенных методов наибольшее распространение получил магнитометриче-

ский метод, однако он позволяет оценивать текстуру только ферромагнит-

ных и парамагнитных материалов. При этом характер имеющихся ориенти-

ровок должен быть заранее известен, поскольку между кривой механическо-

го момента, действующего на образец в форме диска в магнитном поле, и

пространственным распределением ориентировок нет однозначного соот-

ветствия. Наложение нескольких четких ориентировок может дать малый

механический момент, как и при слабой текстуре [7]. Получение одинаковой

кривой механического момента для двух образцов является необходимым,

но недостаточным условием тождественности их текстуры. Поэтому вывод о

характере текстуры образца, сделанный только на основании сопоставления

кривой механического момента с кривой для эталонного образца, может

оказаться ошибочным.

Следует упомянуть о косвенном методе, основанном на анизотропии

модуля упругости. Метод пригоден для оценки текстуры как отожженных,

так и деформированных материалов и весьма чувствителен к небольшим ее

изменениям [8, 9]. Однако ему присущи упомянутые выше недостатки кос-

венных методов исследований. Необходимо также иметь в виду, что на ани-

зотропию физических и механических свойств могут оказывать влияние

неучтенные побочные факторы; например образование ориентированных

скоплений дислокаций в сильно деформированных материалах, ориентиро-

ванных выделений фаз и др.

Основным прямым методом анализа текстуры является рентгенографи-

ческий, позволяющий определять непосредственно ориентировку граней

кристаллитов, участвующих в отражении. С его помощью можно определять

текстуру разнообразных материалов, в том числе мелкозернистых деформи-

рованных, и получать представление об ориентировке зерен, расположен-

ных не только на поверхности, но и в слое образца толщиной порядка 0,1—

0,15 мм. Текстуру образцов большой толщины исследуют послойно. Точ-

ность и производительность метода существенно возросли после перехода к

дифрактометрической съемке с регистрацией интенсивности излучения с

помощью счетчика.

В связи с большим разнообразием исследуемых материалов,

различающихся по типу текстуры, типу кристаллической решетки, величине

зерна, поглощающей способности, форме образцов, а также дифференциа-

цией задач текстурных исследований получили развитие разнообразные

схемы и способы рентгеновской съемки. Подробному их рассмотрению по-

священы гл. II и III.

Отличительной особенностью электронографического метода является

то, что в связи с малой длиной волны потока электронов 0,007—0,004 нм и

сильным их взаимодействием с веществом объекта можно получить интен-

сивные рефлексы при меньших размерах кристаллитов и меньшем количе-

стве исследуемого вещества, чем при рентгенографическом методе. Поэтому

электронографический метод используют для анализа текстуры очень тон-

ких пленок (порядка 0,01 мкм) и поверхностных слоев. При работе с элек-

тронографом применяют два способа съемки: «на просвет» и «на отраже-

ние», аналогичные существующим в рентгеновском фотографическом мето-

де. Регистрируемая на пластинку дифракционная картина, полученная от

текстурованных мелкодисперсных материалов, и приемы ее расшифровки

принципиально не отличаются от рассмотренных в гл. II. С учетом особен-

ностей электронографического метода они изложены в работе [10].

При исследовании монокристаллических объектов (величина кристалли-

тов ~1 мкм в поперечнике и более) в электронографе или под электронным

микроскопом получают точечную дифракционную картину, которую можно

рассматривать как практически неискаженную проекцию плоскости обрат-

ной решетки на плоскость фотопластинки. Чтобы судить о текстуре объекта,

применяют «топографический» метод: определяют ориентировку большого

числа (порядка 500) отдельных расположенных рядом зерен или субзерен,

которую наносят затем на одну суммарную стереографическую проекцию

(полюсную фигуру) [11]. Неточность в определении ориентировки фольги

связана с тем, что дифракционные картины сохраняют симметрию, близкую

к симметрии плоскостей обратной решетки с низкими индексами, при зна-

чительных (до 20 град) отклонениях отражающих плоскостей от истинных

углов Вульфа — Брэгга [12]. Точность удается резко повысить, если перейти

к количественным измерениям интенсивностей рефлексов и определять их

соотношение для двух порядков отражений. Согласно работе [12], измерив

величины отношений #I

110

и I

220

для фольги из молибдена, можно

получить точность определения ориентировки до 1/10—1/20 град. При топо-

графическом методе число исследованных кристаллитов в 10

—10

раза

меньше, чем при рентгенографическом, и усреднение данных остается не-

достаточным для распространения полученных результатов на материал в

целом. Кроме того, метод чрезвычайно трудоемкий; им следует пользовать-

ся для решения специфических задач локальных исследований на уровне

субзерна, которые невозможно решить другими методами· например, уста-

новления ориентационной сопряженности фрагментов кристаллической

решетки, определения ориентировки зародышей рекристаллизации и др.

Недостатком метода электронографической съемки на отражение является

сильное влияние шероховатостей и загрязнений поверхности образцов, это

вызывает необходимость тщательной их подготовки и удаления окислов.

В последнее время для исследования текстуры применяется также

дифрактометрический нейтронографический метод, при ко-

тором используется поток тепловых нейтронов с длиной волны λ~ 0,1 нм.

Схемы съемки при нейтронографическом методе принципиально не отли-

чаются от применяющихся при рентгеновском дифрактометрическом, одна-

ко большая проникающая способность потока нейтронов (линейный коэф-

фициент поглощения на 2—3 порядка ниже, чем для рентгеновских лучей).

Наряду с другими особенностями метода, такими как возможность исполь-

зования широких монохроматизированных первичных пучков (диаметр ра-

вен 20 мм) и образцов в форме шара диаметром до 30 мм или кубика, воз-

можность съемки 1/4 части полюсной фигуры вследствие достаточного ус-

реднения результатов обусловливают специфику конструкции нейтронных

дифрактометров [13, 14]. Большим преимуществом нейтронографического

метода является возможность изучения текстуры крупнозернистых материа-

лов, таких как трансформаторная сталь, отожженная на вторичную рекри-

сталлизацию, что встречает известные затруднения при рентгенографиче-

ском методе. Облучаемый объем материала при первом из указанных мето-

дов, по крайней мере, на порядок больше. Однако необходимость работы на

ядерном реакторе ограничивает применение нейтронографического метода

исследования.

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕКСТУРЫ

Задачей текстурного анализа является получение картины

распределения ориентации кристаллитов в исследуемом объе-

ме образца. Для ее решения в первом приближении достаточ-

но проследить за распределением плоскостей одного типа. Это

легко выполнить с помощью сферической проекции нормалей

отражающих плоскостей. Для удобства переходят к плоской

картине — стереографической проекции плоскостей {hkl} —

полюсной фигуре. Оси образца совмещают с взаимно перпен-

дикулярными диаметрами проекций и рассматривают распо-

ложение нормалей плоскостей какого-либо типа {hkl} относи-

тельно этих осей. Для прокатанного материала важными ося-

ми являются: направление прокатки (НП), направление нор-

мали к плоскости прокатки (НН) и поперечное направление

(ПН), для проволоки — ось волочения В.

На рис. 5 кристаллографическая плоскость АВ внутри об-

разца 1 находится в отражающем положении, поскольку она

расположена под углом θ к падающему лучу, удовлетворяю-

щему известному уравнению Бульфа — Брэгга:

2dsin θ = n θ, (1)

где d — межплоскостное расстояние; λ — длина волны