织构ODF分析方法及织构学习教案

织构ODF分析方法及织构

织构的表示与检测第二部分目录第一部分织构概念与种类第四部分深冲板生产过程织构的演变板材织构与深冲性能的相互关系第三部分第五部分板材织构在线检测技术

金属或合金材料经过拉拔、挤压、铸造、轧制等加工后，材料内部的晶粒会沿一定的晶体学位向排列，称为择优取向，具有择优取向的多晶体结构称为织构。织构产生于多晶材料物理冶金的各种过程之中铸造塑性变形再结晶烧结1织构的概念相变第一部分织构的概念与种类2织构的种类

铸造织构塑性变形织构形核晶粒长大

再结晶织构材料的织构问题具有普遍意义，因此一般材料不可避免地存在不同程度的织构问题！3织构的类型<UVW>{HKL}<UVW>{HKL}丝织构板织构面织构织构的类型织构的表示方法晶体学指数表示法极图表示法反极图表示法三维取向分布函数表示法（ODF){HKL}<UVW>第二部分织构的表示与检测1晶体学指数表示法丝织构<UVW>板织构{hkl}<UVW>面织构{HKL}优点

表示晶体空间择优取向形象、具体，文字书写简洁明了缺点

只表示出晶体取向的理想位置，未表示出织构的强弱及漫散程度2极图表示法直接极图反极图

为了表示出织构的强弱及漫散程度，常用的是极射平面投影方法。晶体在三维空间中取向分布的三维极射赤面投影，称为极图极射赤面投影示意图投影球的赤道大圆平面与轧面也即试样被测面重合，轧面法线投影到大圆的圆心，轧向与大圆竖直直径相重，横向与水平直径重合。放置在球心的晶体，某晶面法线与上半球面的交点为P′，由下半球南极向P′点引出投射线，与赤道平面大圆的交点P，即为此晶面(法线)的极射赤面投影。直接极图极射赤面投影示意图

把单晶体放在投影球球心，依次使某些特定晶面与赤道平面重合，然后将其他各晶面法线投影到赤道平面上，便成标准投影图作用：用于标定极图织构。单晶标准投影图（001）

（110）单晶标准投影图（111）（112）直接极图的判定（111）{111}<112>>

211极图无织构试样极图200极图110极图必须指出

同一试样的(200)极图与(110)或其他(hkl)极图上的极密度分布的花样可以不同，但根据它们所标定的织构却是相同的。，

实际工作中可根据需要和方便，选测某一特定(hkl)极图。还可用另一(hkl)

极图验证所定织构的正确性。因此所测极图必须标明是哪一个(hkl)晶面的极图。当试样中织构组分较多，且较为漫散时，易于导致误判和漏判。反极图也是极射赤面投影表示方法。各晶粒对应的某些特征外观方向（轧面法向、轧向、横向）在晶体学取向坐标系中所作的极射赤面投影分布图。由于二者投影的坐标系与被投影的对象刚好相反，故称反极图。具体讲它是把选定方向在各个晶粒内出现的情况进行统计，绘出其分布规律的一种极射赤面投影。即样品坐标系在晶体坐标系中的投影。通常，反极图最适合于用来表示丝织构。反极图轧向反极图轧面反极图用反极图判定板织构时，轧向反极图轴密度最大的晶向<UVW>即可能为平行于轧向的晶向，而轧面法向反极图轴密度最大的极点相应的晶面{HKL}可能是平行于轧面的晶面，然后考虑它们间的排列组合，且需符合晶带定律HU＋KV＋LW＝0，最后用尝试法确定一个或几个板织构(HKL)[UVW]。(111)[011](111)[112]主要有其次有(112)[011]反极图的判定3三维取向分布函数表示法（ODF)-现代织构分析技术晶粒取向极图和反极图用二维图像描述晶体三维的取向分布，必有不足之处。特别是在织构复杂和漫散的情况下，易于错判和漏判。上世纪60年代由罗伊(Roe)和邦厄(Bunge)提出用晶粒取向分布函数表示织构方法—三维取向分布函数（Orientationdistributionfuction)Χ

极角η

幅角γ

转角初始取向一般取向

OXYZ相对于OABC的任何取向均可通过三转动来实现。取向的表达方式在O-A-B-C内O-X-Y-Z任意取向可以用{θ，ψ，φ}三个自由变量表示以θ，ψ，φ(或φ1，ψ，

φ2）为坐标轴建立一直角坐标架，形成取向空间(欧拉空间)，在欧拉空间中任一晶粒P的取向{θ，ψ，φ}在欧拉空间里均用一点表示，将试样所有晶粒的取向逐一标点，即该被测材料的晶粒取向分布图。故多晶体中每个晶粒都可用一组欧拉角表示其取向Ω（ψ，θ，φ）。欧拉空间（取向空间）多晶材料测定各晶粒方位，在（θ，ψ，φ）处的取向密度定义为：式中，为包含取向Ω（ψ，θ，φ）的取向元；ΔV/V为取向落在该取向元的晶粒体积ΔV与试样体积V之比；K为常数。确切表达了织构材料内晶粒取向分布情况，称取向分布函数（ODF）。在1965年Bunge和Roe独立提出了织构的晶粒三维取向分布函数（OrientationDidtributionFunction,ODF)表示法和测定。所以目前存在Roe符号系统（θ，ψ，φ）和Bunge符号系统（φ1，ψ，

φ2）

，二者无本质区别。ODF的出现、发展和应用使人们对晶体材料织构有了新的认识。ODF突破了传统用一维或二维空间描述三维取向分布的方法，建立了三维空间描述晶体取向分布，从而克服了传统方法的种种弊端，并能确切、定量地给出被测材料的织构组分和计算各项异性，使材料织构和计算各项异性的研究进入定量阶段。ψθφIF钢三维空间取向分布体心立方金属主要取向及取向线在欧拉空间中的分布在Euler空间中，金属的取向一般集中分布在一些点和线上。取向集中分布的线称为取向线。以欧拉角（θ，ψ，φ）或（φ1，ψ，φ2）表示晶粒取向

难以绘制和分析，因而通常以一组恒φ2（每隔5°)截面图（Bunge符号系统）或恒φ截面图（Roe符号系统)表示。

对于体心立方晶体具有代表性的织构通常是<l11>//ND的γ纤维织构和<l10>//RD的α纤维织构。用φ=45°截面图中就可以完全表示出γ纤维织构和α纤维织构的分布。IF钢ODF恒φ截面图IF钢ODF恒φ=45°截面图在空间取向分布φ=45°截面图上的理想取向（Roe)γ织构α织构越强越好织构的ODF表示法是表示织构的很好方法，但目前尚不能直接用衍射方法测得，而是通过测定材料的一个、二个或三个极图而用计算法求得，如级数展开法、矢量法、解积分方程法、最大熵法等可以完整、清楚、准确的描述织构可直接与多晶材料的物理参数相联系可以利用ODF回算任意极图优点4织构的测量方法金相蚀坑法

多用于定多晶板、带材晶面位向，形象直观，经济简便，不需要专门的设备。对操作人员要求较高，不同材料侵蚀剂不同，只能定性描述材料织构情况。检验面有位错露头的地方，在特定浸蚀条件下，优先腐蚀，产生位错蚀坑．位错蚀坑的形状将取决于它所在晶体的织构取向．通过蚀坑计数可确定表面露头位错密度的大小，而观察蚀坑的形状则可以判定蚀坑所在晶体的织构取向．腐蚀坑与位错露头之间有对应关系，但达到位错露头与蚀坑一一对应则取决于浸蚀剂成分、表面质量和实验操作等因素。

蚀坑法测定铝合金织构

目前分析与研究材料织构最主要和最常用的技术手段，用于测量材料宏观织构，结果具有统计学意义。首先测定材料极图，由于传统极图只提供二维空间，不足以表示三维空间的取向分布问题，难以进行织构的定量分析，所以极图通过一系列数学方法转换为三维取向分布函数。目前衍射仪法测定极图已有国家标准，《金属材料定量极图的测定》，GB/T17103-1997

X射线衍射仪数学方法极图测定ODF定量性能估算反射法透射法X射线衍射仪测定ODF流程X射线衍射仪法用于微观组织表征和及微区晶体取向的测定，是近十年来材料微观分析最重要的进展。优点可以对材料单个晶体进行织构分析与TEM相比，样品制备简单同时展现晶体材料微观形貌、结构与取向。如与EDS集成可展现微区成分电子背散射衍射（EBSD)法通过对织构的研究将进一步挖掘材料的潜力！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，产生皱纹或发生破裂；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。

第三部分板材织构与深冲性能的相互关系塑性应变比（r)凸耳参数（Δr)加工硬化指数（n值）评价板材深冲性能的主要指标为：塑性应变比（r值)制耳参数（Δr值）1板材深冲性能评价指标深冲性是金属板材在冲压过程中抵抗失效（断裂、瓢曲、起皱、形状扭曲）的能力。2塑性应变比（r值）定义：将金属薄板试样单轴拉伸到产生均匀塑性变形时，试样标距内，宽度方向的真实应变与厚度方向的真实应变之比。反映了金属薄板在某平面内承受拉力或压力时，抵抗变薄或变厚的能力。它与多晶材料中织构组分有关。r=1时各向同性，r＞1时板平面方向较厚度方向更容易变形。对于深冲板材r值越大，表明在成形过程中板材不易减薄。由于板平面内的不同方向上具有不同的r值，为此用平均值表示：

从图可看出，板材的织构是影响r值的主要因素。板材的γ纤维织构越强，α纤维织构越弱。其深冲性能越好。

Ⅰ{111}/Ⅰ{100}与r值关系3制耳参数（Δr值）△r表示塑性应变比r值在板面上随方向的变化，△r值的大小决定了杯型拉伸件杯口部位凸耳的形成程度，用圆形坯料拉深板材时，当△r

>0时，凸耳出现在0°和90°方向；当△r

<0时，凸耳出现在士45°方向：△r=0时，不产生凸耳。由于凸耳的位置与大小和△r有关，所以△r也叫凸耳参数。△r值越大，板面内各向异性越严重，表现在拉伸件边缘不齐，形成凸耳，影响成形件质量和成品率。

Δr＞0Δr=0Δr＜04主要织构组分对板材深冲性能的影响深冲钢板的织构往往体现为纤维织构,通常主要分布在α-<110>//RD和γ-<111>//ND取向线上。{001}<110>、{001}<100>{111}<110>、{111}<112>、{554}<225>{112}<110>铁单晶力学性能{001}<110>、{001}<100>的影响从提高深冲钢板成形性能的角度来看应严格避免{001}<110>、{001}<100>两类织构，这类织构织构造成钢板冲压时厚度方向易于变形，即易于减薄，使得r值非常小，严重恶化了深冲钢板的成形性能。由于{001}织构的<100>晶向垂直于板面,所以这种织构造成板材在冲压过程易于减薄，导致开裂。

{111}<110>、{111}<112>、{554}<225>的影响

由于体心立方金属中<111>晶向的拉伸强度最高，所以{111}织构使得深冲钢板在冲压变形时厚向最不容易变形，因而r值很大、成型性能良好。{554}<225>与{111}<112>的取向非常接近，所以其影响特点与{111}<112>类似。一般情况下，{111}<110>织构导致θ=30°、90°方向r值较大，而{111}<112>织构θ=0°、60°方向r值较大。因此，如果在γ取向线上得到等强度织构分布，将会减少深冲钢板的冲压制耳。{111}<110>、{111}<112>和{554}<225>织构是深冲钢板生产中公认的有利织构。{112}<110>

{112}<110>的影响{112}<110>织构在冷轧深冲钢板中并没有起到主导影响作用，但它对板材的平面各项异性有显著作用，{112}<110>织构造成的rθ-θ曲线分布为倒V型。可以看出,{112}<110>织构对深冲钢板塑性应变比的影响特点必然是Δr<0。由于冷轧深冲钢板的塑性应变比特点一般总是Δr>0,针对这一特点,不妨可以考虑通过工艺控制在成品板中保留一定量的{112}<110>织构,以减小深冲钢板的Δr值。第四部分深冲钢生产过程中织构演变

热轧态金相显微组织

（纵向×100）空间取向分布φ=45°截面图上取向织构OD截面图（φ=45°）1热轧过程热轧织构形成机理热轧织构较为漫散和紊乱，这是由于金属在热变形过程中，其内部主要发生两种微观过程。其一是以位错运动为主的塑性变形，并伴随着金属基体缺陷密度的升高；其二是以回复、形核和晶粒长大为主的再结晶过程，并伴随着金属基体缺陷密度的下降。二者在变形过程中同时或交替出现，使两类织构均不能得到充分发展，在随后的相变过程中会遗传给铁素体，所以往往导致热轧后形成很弱和较为复杂的织构状态。影响因素5.压下率4.卷曲温度3.终轧温度2.加热温度1.化学成分热轧过程影响织构因素6.润滑

冷轧态纵向金相显微组织×100

冷轧态式样四分之一厚度织构的ODF截面图（φ=45°）2冷轧过程冷轧过程影响织构因素影响因素1.化学成分2.压下率3.润滑冷轧织构形成机理冷轧轧织构已经形成明显的α-<110>//RD织构和γ-<111>//ND织构，二者都比较强烈。冷轧时由于有晶界的限制，多晶体不能像单晶体那样自由转动，晶粒只有沿着某些特定的滑移系滑移并转动，原来为任意取向的各晶粒会逐渐调整其取向，不断在取向空间的稳定取向上聚积，出现择优取向，即形成形变织构。随变形量加大，择优取向程度加大，形变织构加强。对于体心立方金属，热轧制后漫散的各晶粒取向逐渐向{111},{112}和{100}转动，故形成稳定的取向α纤维织构和γ纤维织构。750℃再结晶退火840℃再结晶退火3再结晶过程

α取向线γ取向线不同生产阶段试样1/4厚度层织构α和γ取向线不同生产阶段织构取向线再结晶过程影响织构因素影响因素2.退火温度1.化学成分3.退火时间4.退火方式5.第二相粒子再结晶过程织构形成机理再结晶过程是一个形核和长大的过程，新生成的核取向以及长大的晶粒的取向往往不是随机分布，这个过程受很多因素的影响，如基体材料的化学性质、形变织构的类型、再结晶温度、时间等。再结晶织构的形成机制受人们关注，但由于实验方法及手段的限制，人们对再结晶织构的形成机制一直存有争议。目前较有影响的再结晶织构演变机制有：选择生长理论再结晶织构形成机制定向形核理论定向形核—选择生长联合理论在实际生产过程中板材退火后，织构由强的γ-<111>//ND织构和弱的α-<110>//RD织构组成。退火织构的形成受形变织构和退火工艺的影响较大。冷轧变形时组织中产生形变储存能，为后续的退火再结晶提供了前提，不同取向晶粒存储能的大小顺序为E{110}＞E{111}＞E{112}