实验八多晶材料择优取向的测定

实验八 多晶材料择优取向的测定一、 实验目的与任务了解多晶材料择优取向的特征，注意丝织构与板织构的区别。掌握X射线衍射仪测定丝织构的原理及其测定方法。学会利用反极图描述丝织构的程度。二、 丝织构的基本特征及反极图表示法在材料的制备、合成、加工处理等工艺过程中，经常采用挤压、轧制、加压烧结、拔丝、喷丝、蒸镀、极化等工艺手段，从而引起多晶粉末素坯或多晶材料中晶粒的晶体学取向产生某种择优取向的排列，其中尤以形成丝织构的情况为多。丝织构的特点织构有多种分类法，然而在X射线衍射方法中，与其相关的是织构材料的晶体学特征。由此出发，通常把织构分成两大类，即丝织构和板织构。具有丝织构的材料，其晶体学的特征是，在材料内部，各晶粒的某一个或几个晶体学方向倾向于平行试样的某一特定的方向，一般为材料的丝轴、棒轴方向，被挤压方向，晶体生长方向等；其他晶体学方向则以试样的这一特定方向为轴呈对称分布。图7-1表示了具有丝织构的某种热压烧结柱体中晶体学方向的分布情况，设该材料属四方晶系。由图看出，材料晶体学［001］方向平行于柱体的轴向，见图7-1（a） ；而具有特征意义的［100］（或［010］）方向则绕轴向呈对称分布，见图7-1（b） 。以图7-1表示的情况为理想丝织构状态，这时圆柱体中的晶粒均以［001］方向平行于柱轴方向。称这种织构为［001］理想织构。然而，在实际材料中存在的织构，其织构程度往往不是图7-1所示的理想织构状态。仍以上述具有［001］丝织构的实际材料为图7-1 理想丝织构的示意图 图7-2丝织构材料中的极分布图例，通常存在的织构情况是材料中的各晶粒的［001］方向具有往柱轴方向集中的倾向，即沿柱轴方向的晶粒的［001］方向存在一定的分布函数。如果［001］方向和柱轴之间的夹角为6,则［001］极点密度p（001）存在如图7-2所示的分布，只是在6=00处有p（001）的极大值。1■— — ―h一『 /J~'!】fl是向i横向Liiwi.5)板织构一般出现在轧制的材料中，其晶体学特征是材料中的各个晶粒的某一个或几个晶体学结晶面平行于试样的某一特定面，如轧面；一个或几个晶体学方向平行于试样的某一特定方向，如轧向。图7-3所示的是具有｛100｝［001］的理想板织构状态，它表明了试样中全部的｛100｝平面平行于轧面，全部［001］方向平行于轧向。因此，从晶体学角度看，具有理想板织构的多晶材料与单晶相似。实际材料中存在的板织构往往是非理想板织构状态，而是存在一定的分布函数。图7-3 理想板织构示意图（晶粒上箭头方向为［100］）织构的反极图表示法描述材料的织构状态就是确定材料中内部各个晶粒的取向相对试样宏观外形坐标之间的分布关系。有多种描述织构的方法，除了可用理想织构成份，极分布图表示材料的织构状态以外，还普遍应用正极图、反极图及三维取向分布函数图来描述。本实验将采用比较简便的反极图表示材料的丝织构状态。所谓反极图就是表示试样的某一宏观外形方向在晶粒的晶体学坐标中分布的极射投影，并以此外形方向命名反极图。图7-4是热煅Bi4Ti3O12圆柱的柱轴方向的反极图。图中的晶体 图7-4热煅Bi4Ti3O12柱轴向的反极图学坐标是（001）、（100）和（110）晶面的法线方向，表示的是柱体的轴向分布，也就是热煅压力方向的分布。从图中的等强度分布看出，热煅柱体中多数晶粒的（001）法向平行于柱轴；也就是平行于热煅压力方向。因此热煅Bi4Ti3O12柱轴具有［001］丝织构。反极图中晶体学坐标的取法依晶系而异，一般是取（001）标准投影中的一个由主要晶体学极点构成的投影三角形。例如，立方晶系取（001）、（011）、（111），四方晶系取（001）、（010）、（011），正交晶系取（001）、（010）.（100），六方晶系取向（0001）、（1010）、（1120）等。衍射仪法测定丝织构的原理丝织构可以利用照相法测定并作出正极图表示。然而对于多数无机非金属材料，由于制样上的困难，往往采用衍射仪法并作出反极图表示。后者的获得比前者简单得多。从衍射仪的构造和实验原理可知，当用衍射仪作常规扫描时，在多晶试样中，只有那些与试样表面平行的晶面才对该指数的晶面的衍射强度有贡献。换句话说，并不是所有晶粒的某个（hkl）晶面都对该指数晶面的衍射花样中的衍射强度作出贡献。因此，某指数（hkl）晶面的衍射强度的变化就反映了该指数晶面平行于试样表面的分数的变化。根据上述原理，如果以试样丝织构的轴向设置为平板试样的法线方向作为参考方向N，那么可以从一系列（hkl）衍射线的强度变化规律中分析织构的状况。衍射强度增大得越强的（hkl）衍射，表明大部分晶粒的（hkl）晶面法线平行于参考方向N。而各种指数的晶面的极点在晶体学坐标中的位置是固定的，即对一定结构的晶体，各种（hkl）指数的晶面与所选用的标准三角形的主要晶体学极点存在确定的位向关系。因此，这种不同指数晶面衍射线强度在N方向上的分布就反映了参考方向在晶体学坐标中的分布，即为反极图。如图7-5（a）、（b）、（c）分别为采用CuKa辐射时，热煅Bi4Ti3O12圆柱体的横向（垂直热煅方向），纵向（平行热煅方向）截面和Bi4Ti3O12粉末试样的衍射花样。从图中看出，织构试样与无织构试样的衍射线强度存在很大不同。粉末试样最大衍射强度的衍射线为（117）（图7-5（c）），横向截面试样最大强度的衍射线为（006）（图7-5（a）），而（117）衍射线的强度线相对减弱较大。图7-5热煅Bi4Ti3O12的X射线衍射花样如果从试样的纵截面观察晶粒取向沿N参考方向的分布情况，与图7-5（a）衍射花样相对应的情况如图7-6所示，绝大多数晶粒的（001）取向与N相平行。由此看来，获得反极图的方法是分别测试同种材料的无织构试样和有织构试样的各衍射线强度和，把它们的强度比标到标准 图7-6Bi4Ti3O12柱体纵截面示意图投影三角形的相应指数上，就获得了参考方向的反极图。三、衍射仪法测定丝织构的实验方法实验室备有具有不同丝织构程度的金属、陶瓷等试样，任意选择其中一种进行测定。平板试样制备分别制备粉末无织构平板试样，垂直选定的参考方向的切片试样，绕选定参考方向并与其平行的两个以上的切片试样。衍射花样的获取及指数标定利用X射线衍射仪，在尽可能相同的实验条件下无织构试样和各个有织构试样的不同方向的切片进行衍射实验。然而对各衍射花样的衍射峰的指数进行标定。丝织构的制定根据丝织构定义，比较绕参考方向并与该方向平行的各切片试样的衍射线的强度，若各试样相应（hkl）衍射峰的强度基本相同，则该试样具有丝织构。计算I/；°1ft*!JJ6JW强度比分别测量无织构试样和有织构试样的各衍射峰的强度、。强度的测量方法可采用峰高、峰高半高宽近似法，或者积分强度法。然后求相应(hkl)衍射线的I/;°强度比。在进行强度测量时应注意两个问题。对晶面法线方向相同的不同(nh、nk、nl)衍射级要作强度权重分析，通常取衍射强度最大的衍射峰的强度为1,供做反极图；当所选取的衍射线为多重叠线时，应根据整个衍射花样中各相关衍射强度作权重分析进行强度分离。制作反极图利用吴氏网，根据试样所属晶系作出标准三角形。将获得的各极点的强度比填入标准三角形的相应位置上，然后描出强度比分布等强线。注意事项在利用粉末试样制作无织构平板试样时，必须防止织构化的产生。而在切制、磨制有织构试样的平板试样时必须防止退织构现象的发生；在采用反极图表示织构程度时，必须尽可能多地取衍射线进行比较;对存在微晶及微观应力宽化效应的试样，衍射峰强度的测量方法应采取积分强度法。四、实验及数据处理1.把衍射数据及有关的测量，计算结果整理记录到下面类似的表格中。表中列出的数据为图7-5(a)、7-5(c)衍射花样的部分处理结果。热煅Bi4Ti3O12丝织构测定数据 丝织构参考方向：热压力方向hkl(mm)(mm)1噩006301013.371112150.2411350.40.081154.50.50.11117118570.482.反极图数据的归一化处理利用图7-4所示的反极图可以明显地观察到热煅Bi4Ti3O12的柱轴近于[001