第五章 一些先进材料织构

1、第5章 一些先进材料织构的测量及分析5.15.1测量织构的常用方法测量织构的常用方法 通常采用X织构衍射仪测量材料的织构，测量的方法有很多种，例如直接X射线扫描，PHI扫描，测量单张极图，测量多张极图计算ODF等。如果不采用X射线的方法，还有直接观察晶体形貌，腐蚀坑法等。5.1.1直接直接X射线法射线法 采用X射线测量材料的织构最为方便，但是这种测量很不精确。一条衍射谱线，上面有很多的衍射峰，采用这种方法，主要是看某一条衍射峰和其它衍射峰强度的比值，一般认为比值越高，此衍射峰所对应面的面织构含量越高。 这种方法所能提供的织构信息是很有限的。只能定性的判断一些已知织构类型材料的织构强弱，如果织构

2、类型比较复杂，则提供的信息量及其有限。甚至得出错误的结果。 例如，采用这种方法根本无法分辩100面织构和立方织构。因为这两种织构之间的差异根本无法从100面的衍射峰来判断。 5.1.2 PHI扫描法 PHI扫描法实际上是指测量极图上的某一KHI角度上0360上的数据，从测量的峰高和峰宽上来判读织构的强弱。PHI扫描测量的是极图上某一圈的数据。 这种方法虽然也要使用X射线织构衍射仪，但是由于需要测量数据比较少，所以从速度及经济角度都是比较有利的, PHI扫描的测量结果是一条线，所以测量的自由度是1，它所能给出的织构信息仍然很有限，目前，在很多材料织构测量领域，采用的是这种方法。例如超导研究等。2

3、04060801001201401601802002202402602803003203403600.00 7571.67CpsMSE DEP. OF USTB 13-Jun-1999 23:17Phi- ScaleC:TEX-ATCNYSNI.RAW Unnamed (CT: 0.6s, SS:0.500dg, WL: 1.5406Ao)图 5.2 YBaCuO的PHI扫描 对应图 5.1和图 5.2是YBaCuO的111极图和PHI扫描图 从它的PHI扫描来看，这种材料具有很好的立方织构，看不出有其它织构组分 但是从它的111极图可以看出它还有一些其它织构组分。 从这个实例可以看出，PHI

4、扫描有一定的误判的可能性。5.1.3其它测量方法q 测量极图法测量极图法 相对与前两种方法，测量极图法具有一定的优越性，这种方法在材料织构测量领域应用也比较广泛。但是测量的极图是一个面，自由度是2，所以它所能给出的材料的织构信息也是不完整的。仍存在有误判的可能性qODF法法 如果要完整地知道材料的织构信息，需要测量多张极图，计算其ODF，采用这种方法得到的织构信息的自由度是3，所以它比较完整地反映织构的信息。Constant Phi2 = 45Constant Phi2 = 45(a)心部(b)表面 50W800 2 =45o ODF截面图Levels: 1,2,3,4,5,6,7 腐蚀坑法腐

5、蚀坑法 采用这种方法，比较直接，只要在显微镜下观察材料的晶体和腐蚀坑的形貌即可，这里如金刚石经常采用这种方法定性地分析织构。但是这种方法难于给出定量结果 各种测量方法小结 从以上的分析可以看出，为了定量分析材料的织构，一般而言采用测量一张极图或测量多张极图计算ODF的方法结果比较可信，定量分析也比较准确。但是如果确切知道了材料织构类型，从经济角度考虑的话，PHI扫描的方法也有一定实用意义。而X射线直接扫描的方法结果可信程度很有限。 5.2高温超导材料 YBCO(YBaCuO)作为一种高温超导材料，由于其优异的超导性能而为人瞩目。它有可能应用于电缆传输、核电站、微波领域等 5.2.1织构对YBC

6、O性能的影响 晶界的取向差对通过电流密度影响很大，当取向差大于10后，电流密度能够下降1-2个数量级提高超导材料的临界电流密度，需要减小晶粒之间的取向差，即提高材料的取向度。 5.2.2YBCO5.2.2YBCO织构的测量分析织构的测量分析 旋转立方织构100。Ni的PHI扫描111 测量时KHI=54.73，PHI从0到360，PHI=45、135、225、315位置的4个峰位表明其具有立方织构。204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 701.11CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54P

7、hi- ScaleC:USERDATA166CEO.RAW Unnamed (CT: 0.9s, SS:0.500dg, WL: 1.7890Ao)CeO2的PHI扫描202 测量时KHI=45，PHI从0到360，PHI=45、135、225、315位置的4个峰位表明其具有旋转立方织构。 204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 393.33CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54Phi- ScaleC:USERDATANI14.RAW Unnamed (CT: 0.6s, SS:0.500

8、dg, WL: 1.7890Ao)YSZ的PHI扫描202 测量时KHI=45，PHI从0到360，PHI=45、135、225、315位置的4个峰位表明其具有旋转立方织构。 204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 520.00CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54Phi- ScaleC:USERDATAYS3-NI.RAW Unnamed (CT: 0.3s, SS:0.500dg, WL: 1.7890Ao)YBCO的PHI扫描226 测量时KHI=54.73，PHI从0到360，PH

9、I=45、135、225、315位置的4个峰位表明其具有立方织构。 5.3 NdFeB稀土永磁材料根据矫顽力的大小来划分磁性材料矫顽力小于100A/m的磁性材料成为软磁材料矫顽力大于100A/m小于1000A/m的磁性材料成为半硬磁材料矫顽力大于1000A/m的磁性材料成为硬磁材料。硬磁材料在磁饱和后，去掉外磁场，仍然保留其磁性，所以又称为永磁材料。 稀土永磁材料是以稀土金属元素和过渡族金属间所形成的金属间化合物为基体的永磁材料。 织构对织构对NdFeBNdFeB稀土永磁材料性能的影响稀土永磁材料性能的影响 磁性材料中的磁晶各向异性越大，则磁化矢量转动时越困难，对于永磁材料，希望这种阻碍越大越

10、好，这样材料的矫顽力比较大，所以希望材料的磁晶各向异性越大越好，NdFeB材料有着很高的磁晶各向异性。 NdFeB是四方晶系材料，c轴是易磁化方向，a轴是难磁化方向。 对于NdFeB，如果使所有单晶粉末的c轴平行，则在该方向具有最大的剩磁。即如果NdFeB材料具有006面织构，则它就具有高的剩磁，所以如何使NdFeB具有高的006面织构，成为研究的重点。 ,90oabcNdFeBNdFeB稀土永磁材料织构的产生原因稀土永磁材料织构的产生原因 一般NdFeB的生产工艺包括工业制粉，磁场取向成型、烧结、热处理、磁化等几个过程。在这几个过程中，磁场取向成型是产生NdFeB材料织构的环节。 磁场取向成

11、型是指在粉末加压成型时同时对粉末材料加外磁场，由于NdFeB具有很高的磁晶各向异性，在外磁场作用下，当粉末单晶的易磁化方向和外磁场平行时粉末单晶的能量最低。在磁场所用下粉末会发生转动，转动的最终结果是产生c轴平行于外磁场的织构。 粉末磁场取向方法有两种，一是磁场方向和加压力方向平行，这种取向方式称为平行取向。 另外一种取向方式是磁场方向和加压力方向垂直，成为垂直取向。 一般而言垂直取向有利于获得较好的织构。而平行取向时，当压力增大到一定程度时，织构反而变坏。 NdFeB稀土永磁材料织构的测量分析 从极图上可以看出，这种材料具有很高的006面织构，即大多数晶粒的c轴平行于板面的法线方向，由于Nd

12、FeB的c轴是易磁化方向，a轴是难磁化方向，所以这种材料的板法线方向是易磁化方向，而平行于板面各个方向是不易磁化方向，这种材料具有很强的织构。所以有很强的磁各向异性。5.4金刚石薄膜材料金刚石薄膜材料 金刚石薄膜具有热传导率高、硬度高、不导电等一系列优异的物理性质，因而得到了广泛的应用。 织构对金刚石薄膜材料性能的影响织构对金刚石薄膜材料性能的影响 织构对金刚石薄膜性能的影响现在还没有定论，普遍认为，晶界对电子移动和光线传导都具有阻碍作用，并且这种作用和晶界的取向差有一定关系，所以降低晶界密度及晶界的取向差对性能提高有很重要意义。 如果金刚石薄膜中有很强织构的话，必然会对金刚石的性能产生影响。

13、 金刚石薄膜中，由于出现孪晶，方向是最快的生长方向，所以最后会出现110面织构。5.5其它晶系合金材料织构钛板内的再结晶织构 钛是工业中最常用的六方系全属。冷轧钛板再结晶后也会出现很强的再结晶织构。分析表明，退火后铁板再结晶织构主要为 组分和 取向附近的织构组分。这种织构组分的生成与再结晶时某些取向晶粒的择优生长有关。0112)5202(0101)5121(锡板的再结晶织构 锡是一种四方系金属。冷变形锡在室温即可发生再结晶。其中有织构组分(90，65，45)， 。这类织构的形成原因和准确的取向位置尚有待于进一步研究。611331总结 定量分析材料的织构，一般而言采用测量一张极图或测量多张极图计

14、算ODF的方法结果比较可信，定量分析也比较准确。 如果确切知道了材料织构类型，从经济角度考虑PHI扫描的方法也有一定实用意义。而普通X射线扫描的测量结果可信程度十分有限。 5.6纳米镍铁导磁合金晶材料的织构控制 Texture and Grain Growth in Nanocrystalline Permalloysu Definition- Polycrystalline metals with grain sizes of up to 100 nm.- A large number of intercrystalline component (50% for 5 nm, 30% for

15、10 nm, 3% for 100 nm) - Thermodynamically metastable state- No dislocations within grainsu CharacteristicsnNanocrystalline MetalsContinuous Electroforming of FoilsNanocrystalline 78 PermalloyConventional 78 PermalloyHardnessYield strength6,380 MPa 345 MPa2,119 MPa 97 MPaMechanical PropertiesComposit

16、ion Dependency of Thermal BehaviorChange of 111 XRD PeaksChange of Crystallite SizeAs-deposited specimenAnnealed at 400oC for 30min4.43Max.=4.034.94Max.=3.87Texture Change during Annealing(111)(110)(210)(221)OrientationSurface Energy(eV/atom)(100)(311)(211)Random1.341.822.091.951.521.901.951.97Orientation Dependency of Surface EnergyOIM map in As-Deposited SampleBoundary MobilityForces and Potential EnergiesOrientation Dependency of Energy Densityc.f. Stored Energy of Cold worked Metals Ed = Ed Ed 10 100 J/mol = 3.6 J/molAbnormal