En la ciencia de los materiales , la textura es la distribución de las orientaciones cristalográficas de una muestra policristalina (también forma parte del tejido geológico ). Se dice que una muestra en la que estas orientaciones son completamente aleatorias no tiene una textura distinta. Si las orientaciones cristalográficas no son aleatorias, pero tienen alguna orientación preferida, entonces la muestra tiene una textura débil, moderada o fuerte. El grado depende del porcentaje de cristales que tienen la orientación preferida. La textura se ve en casi todos los materiales de ingeniería y puede tener una gran influencia en las propiedades de los materiales. Además, las rocas geológicas muestran textura debido a su historial termomecánico de procesos de formación.
Un caso extremo es la falta total de textura: un sólido con una orientación de cristalitos perfectamente aleatoria tendrá propiedades isotrópicas a escalas de longitud suficientemente mayores que el tamaño de los cristalitos. El extremo opuesto es un monocristal perfecto, que probablemente tiene propiedades anisotrópicas por necesidad geométrica.
Caracterización y representación
La textura se puede determinar mediante varios métodos. [2] Algunos métodos permiten un análisis cuantitativo de la textura, mientras que otros son solo cualitativos. Entre las técnicas cuantitativas, la más utilizada es la difracción de rayos X mediante goniómetros de textura, seguida del método EBSD ( difracción por retrodispersión de electrones ) en microscopios electrónicos de barrido . El análisis cualitativo se puede realizar mediante fotografía de Laue , difracción simple de rayos X o con un microscopio polarizado. La difracción de rayos X de alta energía de neutrones y sincrotrones es adecuada para determinar texturas de materiales a granel y análisis in situ , mientras que los instrumentos de difracción de rayos X de laboratorio son más apropiados para analizar texturas de películas delgadas.
La textura a menudo se representa utilizando una figura polar , en la que se traza un eje cristalográfico (o polo) específico de cada uno de un número representativo de cristalitos en una proyección estereográfica, junto con las direcciones relevantes para el historial de procesamiento del material. Estas direcciones definen el llamado marco de referencia muestral y son, debido a que la investigación de texturas se inició a partir del trabajo en frío de metales, generalmente denominada dirección de laminación RD , dirección transversal TD y dirección normal ND . Para alambres de metal estirados, el eje de fibra cilíndrico resultó como la dirección de la muestra alrededor de la cual se observa típicamente la orientación preferida (ver más abajo).
Difractómetro de cuatro círculos, o cuna euleriana, para la medición de texturas con difracción de rayos X
χ modo de medición de reflexión
Modo Ω para medición de transmisión
Texturas comunes
Hay varias texturas que se encuentran comúnmente en materiales procesados (cúbicos). Son nombrados por el científico que los descubrió o por el material en el que se encuentran más. Estos se dan en índices de Miller para fines de simplificación.
- Componente de cubo: (001) [100]
- Componente de latón: (110) [- 112]
- Componente de cobre: (112) [11-1]
- Componente S: (123) [63-4]
Función de distribución de orientación
La representación 3D completa de la textura cristalográfica viene dada por la función de distribución de orientación () que se puede lograr mediante la evaluación de un conjunto de figuras polares o patrones de difracción. Posteriormente, todas las figuras polares se pueden derivar de la.
La se define como la fracción volumétrica de granos con cierta orientación .
La orientación normalmente se identifica utilizando tres ángulos de Euler . Los ángulos de Euler luego describen la transición del marco de referencia de la muestra al marco de referencia cristalográfico de cada grano individual del policristal. Así, uno termina con un gran conjunto de diferentes ángulos de Euler, cuya distribución se describe por la.
La función de distribución de orientación, , no se puede medir directamente con ninguna técnica. Tradicionalmente, tanto la difracción de rayos X como el EBSD pueden recolectar figuras polares. Existen diferentes metodologías para obtener lade los polos cifras o datos en general. Se pueden clasificar en función de cómo representan la. Algunos representan elcomo función, suma de funciones o expandirlo en una serie de funciones armónicas. Otros, conocidos como métodos discretos, dividen el espacio en las celdas y centrarse en determinar el valor de la en cada celda.
Orígenes
En alambre y fibra , todos los cristales tienden a tener una orientación casi idéntica en la dirección axial, pero una orientación radial casi aleatoria. Las excepciones más conocidas a esta regla son la fibra de vidrio , que no tiene estructura cristalina , y la fibra de carbono , en la que la anisotropía cristalina es tan grande que un filamento de buena calidad será un monocristal distorsionado con una simetría aproximadamente cilíndrica (a menudo comparado con una jalea). rollo ). Las fibras monocristalinas tampoco son infrecuentes.
La fabricación de láminas de metal a menudo implica compresión en una dirección y, en operaciones de laminación eficientes, tensión en otra, lo que puede orientar los cristalitos en ambos ejes mediante un proceso conocido como flujo de grano . Sin embargo, el trabajo en frío destruye gran parte del orden cristalino y los nuevos cristalitos que surgen con el recocido suelen tener una textura diferente. El control de la textura es extremadamente importante en la fabricación de láminas de acero al silicio para núcleos de transformadores (para reducir la histéresis magnética ) y de latas de aluminio (ya que la embutición profunda requiere una plasticidad extrema y relativamente uniforme ).
La textura en la cerámica generalmente surge porque los cristalitos en una suspensión tienen formas que dependen de la orientación cristalina, a menudo en forma de aguja o placa. Estas partículas se alinean cuando el agua sale de la lechada o cuando se forma la arcilla.
La fundición u otras transiciones de fluido a sólido (es decir, deposición de película delgada ) producen sólidos texturizados cuando hay suficiente tiempo y energía de activación para que los átomos encuentren lugares en los cristales existentes, en lugar de condensarse como un sólido amorfo o comenzar nuevos cristales de forma aleatoria. orientación. Algunas facetas de un cristal (a menudo los planos compactos) crecen más rápidamente que otras, y los cristalitos para los cuales uno de estos planos se enfrenta en la dirección de crecimiento normalmente competirán con los cristales en otras orientaciones. En el extremo, solo un cristal sobrevivirá después de una cierta longitud: esto se explota en el proceso de Czochralski (a menos que se use un cristal semilla ) y en la fundición de álabes de turbina y otras partes sensibles a la fluencia .
Propiedades de textura y materiales
Propiedades del material como resistencia , [3] reactividad química, [4] resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión , [5] soldabilidad , [6] comportamiento de deformación, [3] [4] resistencia al daño por radiación , [7] [8] y magnéticos. La susceptibilidad [9] puede depender en gran medida de la textura del material y los cambios relacionados en la microestructura . En muchos materiales, las propiedades son específicas de la textura y el desarrollo de texturas desfavorables cuando el material está fabricado o en uso puede crear debilidades que pueden iniciar o exacerbar fallas. [3] [4] Las piezas pueden no funcionar debido a texturas desfavorables en los materiales que las componen. [4] [9] Las fallas pueden correlacionarse con las texturas cristalinas formadas durante la fabricación o el uso de ese componente. [3] [6] En consecuencia, la consideración de las texturas que están presentes y que podrían formarse en componentes de ingeniería mientras están en uso puede ser crítica al tomar decisiones sobre la selección de algunos materiales y métodos empleados para fabricar piezas con esos materiales. [3] [6] Cuando las partes fallan durante el uso o abuso, comprender las texturas que ocurren dentro de esas partes puede ser crucial para una interpretación significativa de los datos del análisis de fallas . [3] [4]
Texturas de película fina
Como resultado de los efectos del sustrato que producen orientaciones de cristalito preferidas, tienden a aparecer texturas pronunciadas en películas delgadas . [10] Los dispositivos tecnológicos modernos se basan en gran medida en películas delgadas policristalinas con espesores en los rangos nanométricos y micrométricos. Esto es válido, por ejemplo, para todos los sistemas microelectrónicos y la mayoría de los sistemas optoelectrónicos o capas sensoriales y superconductoras . La mayoría de las texturas de película delgada pueden clasificarse en uno de dos tipos diferentes: (1) para las denominadas texturas de fibra, la orientación de un cierto plano de celosía es preferentemente paralela al plano del sustrato; (2) en texturas biaxiales, la orientación en el plano de los cristalitos también tiende a alinearse con respecto a la muestra. Por consiguiente, el último fenómeno se observa en procesos de crecimiento casi epitaxial , donde ciertos ejes cristalográficos de cristales en la capa tienden a alinearse a lo largo de una orientación cristalográfica particular del sustrato (monocristal).
Adaptar la textura a demanda se ha convertido en una tarea importante en la tecnología de película fina. En el caso de compuestos de óxido destinados a películas conductoras transparentes o dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW), por ejemplo, el eje polar debería alinearse a lo largo de la normal del sustrato. [11] Otro ejemplo lo dan los cables de superconductores de alta temperatura que se están desarrollando como sistemas de óxido multicapa depositados sobre cintas metálicas. [12] El ajuste de la textura biaxial en las capas YBa 2 Cu 3 O 7 − δ resultó ser el requisito previo decisivo para lograr corrientes críticas suficientemente grandes. [13]
El grado de textura a menudo está sujeto a una evolución durante el crecimiento de la película delgada [14] y las texturas más pronunciadas solo se obtienen después de que la capa ha alcanzado un cierto grosor. Por tanto, los productores de película fina necesitan información sobre el perfil de textura o el gradiente de textura para optimizar el proceso de deposición. Sin embargo, la determinación de gradientes de textura por dispersión de rayos X no es sencilla, porque diferentes profundidades de una muestra contribuyen a la señal. Las técnicas que permiten la deconvolución adecuada de la intensidad de difracción se desarrollaron solo recientemente. [15] [16]
Referencias
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Otras lecturas
- Bunge, H.-J. "Mathematische Methoden der Texturanalyse" (1969) Akademie-Verlag, Berlín
- Bunge, H.-J. "Análisis de texturas en ciencia de materiales" (1983) Butterworth, Londres
- Kocks, UF, Tomé, CN, Wenk, H.-R., Beaudoin, AJ, Mecking, H. "Textura y anisotropía: orientaciones preferidas en policristales y su efecto en las propiedades de los materiales" (2000) Cambridge University Press ISBN 0-521-79420-X
- Birkholz, M., capítulo 5 de "Análisis de película fina por dispersión de rayos X" (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN 3-527-31052-5
enlaces externos
- aluMatter: Representando textura
- Caja de herramientas MTEX MATLAB para análisis de texturas
- Labotex, software de análisis de textura / ODF para Microsoft Windows
- Textura cristalográfica
- Análisis combinado