金属材料的晶体学织构与各向异性课件

1、2022/7/251金属材料的晶体学织构与各向异性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2022/7/252目录2022/7/2531 织构的基本概念2022/7/254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章节目录1.1 取向的概念及表达晶体坐标系铁基金属晶体单胞及其晶面、晶向指数2022/7/2551 织构的基本概念001010 法向 横向 轧向晶粒取向?晶粒位向?2022/7/256参考坐标系RD=轧向； ND=法向 ；TD=横向取向：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2022/7/257取向的表达方

2、式BCAj1j1j1OBCAj1j1j1OFFF(hkl)uvwj1, F, j2三个自由变量BCAj1j1j1OFFFXj2j2j2YZ在O-A-B-C内O-X-Y-Z的取向2022/7/258轧制试样坐标系中取向参数的换算 取向名称hklj1, F, j2立方旋转立方戈斯Goss0010010111111110, 0, 045, 0, 00, 45, 090, 55, 450, 55, 4511235, 55, 45角度2022/7/2591.2 织构的概念 单晶体多晶体2022/7/2510多晶体取向随机分布hkl/轧面多晶体取向择尤分布各晶粒轧面、轧向趋于一致2022/7/2511织构

3、：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。2022/7/2512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）。2反极图：是把材料某一特定方向上的晶粒取向密度绘制

4、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。 2022/7/25131.3 织构的定性分析极图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

5、向轧面投影。2022/7/2514晶粒取向极图投影原理方向坐标: a, b2022/7/2515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。2022/7/2516冷轧钢板实测110极图2022/7/2517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)、(1

6、10)、(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。 （001）标准投影图 2022/7/2518（110）标准投影图 2022/7/2519（111）标准投影图 热轧铝板退火织构200极图111极图2022/7/25201.4 织构的定量分析取向分布函数2022/7/2521取向硅钢织构深冲压钢板织构2022/7/25222 织构的测量方法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2022/7/2523章节目录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

7、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。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。2022/7/25242.1 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射线本质是一种电磁波，有明显的波粒二象性 。 X射线的波长为 =10-10cm10-6cm，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

8、子，每个光量子具有能量。 2022/7/2525X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：产生并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；在真空中（一般为10-6mmHg），使电子作定向的高速运动；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。2022/7/2526X射线发生装置的基本原理图2022/7/2527X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

9、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2022/7/25282022/7/2529X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 2022/7/25302022/7/2531（2）有织构材料 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。 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。 2022/7/2532X射

10、线物相分析2022/7/2533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： 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） X射线衍射法测定的应变全部是弹性应变 测定的范围可小至23mm，因此可测量很小范围的应变 X射线测得的应力只代表表面应力。 2022/7/2534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。 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

11、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。 2022/7/25352022/7/253637入射电子与固体的相互作用2022/7/2538SEM 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

12、特征射线（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射线释放，这类射线的能量与原子壳层间的能量有关，是原子的标识。2022/7/2539EBSD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 2022/7/2540EBSD花样形成的示意图 单晶硅的EBSD花样41specimenincidentel

13、ectronsscattered electronsin thespecimenexcesslinedeficientlineprojectionof (hkl)2BBBBraggs Law: 2dhklsin 电子背散射衍射(EBSD)花样的产生原理42TEM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 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

14、。43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2022/7/2544一个完整的标定过程1 取点2 采集花样3 图像处理及菊池带识别454 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46EBSD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。2022/7/2547多晶体的电子衍射图2022/7/25492022/7/

15、25502022/7/25512022/7/25522022/7/2553极射赤面投影法2022/7/25542022/7/25552022/7/25562022/7/25573 织构的产生2022/7/2558织构的定义织构的类型织构的实际应用 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。 择优取向、织构：在一般多晶体中，每个晶粒有不同于相邻晶

16、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。2022/7/25593.1 织构的定义 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。形变织构常有纤维织构、板织构等几种类型。2022/7/25603.2 织构的类型 纤维织构 ：金属材料中的晶粒以某一结晶学方向平行于（或接近平行于）线轴方

17、向的择优取向。 具有纤维织构的材料围绕线轴有旋转对称性，即晶粒围绕纤维轴的所有取向的几率是相等的。例如冷拉铝线，其中多数晶粒的111方向平行于线轴方向，其余则对线轴有不同程度的偏离，呈漫散分布。这种线材的织构称111纤维织构。纤维织构是最简单的择优取向，因其只牵涉一个线轴方向，需要解决的结晶学问题仅为确定纤维轴的指数。2022/7/25612022/7/2562板织构： 在轧制过程中，随着板材的厚度逐步减小，长度不断延伸，多数晶粒不仅倾向于以某一晶向平行于材料的某一特定外观方向，同时还以某一晶面（hkl）平行于材料的特定外观平面（板材表面），这种类型的择优取向称为板织构，一般以(hkl)hkl

18、表示，晶粒取向的漫散程度也按两个特征来描述。 再结晶织构 ：具有形变织构的冷加工金属，经过退火、 发生再结晶以后，通常仍具有择优取向，称为退火织构或再结晶织构。 再结晶织构依赖于所牵涉的再结晶过程，分为初次再结晶和二次再结晶织构。对低碳钢，特别是硅钢片的织构曾进行过很多研究。由于金属原有变形织构的漫散程度和延伸率、退火温度以及退火气氛等的差异，实际的再结晶织构的取向不同程度地偏离理论的再结晶织构取向。2022/7/2563织构直接影响材料的物理和力学性能。材料中存在织构是有利还是有害视对材料的性能要求而定。例如制造汽车外壳的深冲薄钢板存在一般织构将使其变形不均匀产生皱纹甚至发生破裂但具有（111）型板织构的板材其深冲性能良好。制造变压器的硅钢片则希望使易磁化的 100方向平行于轧向，立方织构的硅钢片，具有很低的铁损。2022/7/25643.3 织构的实际应用 大多数晶粒的某一晶体学方向uvw与材料的某个外观特征方向（如丝轴方向或生长方向）平行或于接近平行。这种织构在冷拉金属丝中呈现得很典型，故称为丝织构。 一般在丝、棒、镀层、沉积层中都可能会存在某种类型的丝织构。与拉丝方向平行的晶体学方向指数uvw称为丝织构指数。2022/7/25653.4 丝织构例：冷拉铁丝（体心立方金属）具有丝织构，即铁丝中大多数晶粒的方向倾