Summary
מאמר זה מספק שיטה מפורטת לאפיין מיקרו של חומרים אולטרה-קפדניים nanocrystalline באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מצויד במערכת backscatter אלקטרון השתברות סטנדרטי. סגסוגות מתכת ומינרלים הצגת microstructures מעודן מנותחים באמצעות טכניקה זו, המציגה את מגוון היישומים האפשריים.
Abstract
אחד האתגרים בניתוח מיקרו כיום מתגורר אפיון אמין ומדויק של גרגירים אולטרה-דק (UFG) וחומרים nanocrystalline. הטכניקות המסורתיות הקשורות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), כגון backscatter אלקטרון השתברות (EBSD), לא להחזיק את הרזולוציה המרחבית הנדרשת בשל היקף האינטראקציה גדול בין אלקטרונים מן הקורה ואת האטומים של החומר. במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים (TEM) יש את הרזולוציה המרחבית הנדרשת. עם זאת, בשל חוסר האוטומציה במערכת הניתוח, קצב רכישת נתונים איטי אשר מגביל את השטח של הדגימה כי ניתן לאפיין. מאמר זה מציג טכניקה אפיון חדש, השתברות קיקוצ'י הילוכים (TKD), המאפשרת ניתוח מיקרו של UFG וחומרים nanocrystalline באמצעות SEM מצויד במערכת EBSD סטנדרטי. הרזולוציה המרחבית של טכניקה זו יכולה להגיע 2 ננומטר.טכניקה זו ניתן ליישם במגוון רחב של חומרים, זה יהיה קשה לנתח באמצעות EBSD המסורתית. לאחר הצגת ניסיוני להגדיר המתארים את השלבים השונים הנדרשים כדי לממש ניתוח TKD, דוגמאות של השימוש בו על סגסוגות מתכת ומינרלים מוצגות כדי להדגים את הרזולוציה של הטכניקה והגמישות שלו בקדנציה של חומר להתאפיין.
Introduction
אחד גבולות המחקר של היום בחומרים מתקדמים מבקש לעצב חומרים פעילים עם ומכניות פיסיות, כימית מותאמי נכסים מתאימים ליישומים מתקדמים. השינוי של מייקרו של החומר הוא דרך יעילה כדי להתאים את המאפיינים שלו כדי להגיע לביצועים גבוהים ספציפיים. בפרדיגמה זו, ומחדד את גודל גרגר של חומרים גבישיים לייצר גרגיר אולטרה-דק (UFG) או חומרים nanocrystalline הוכח להיות טכניקה יעילה כדי להגדיל את כוח 1 שלהם, 2. מייקרו מעודן כזה יכול להיות מושג באמצעות תהליכים המעורבים דפורמציה פלסטית חמור 3, 4, או באמצעות איחוד אבקות אולטרה-דקות או בגודל ננו לתוך חומרים בתפזורת באמצעות אבקת מתכות שונות ומעבדת 5, 6. מחקר בתחום זה כבר Increasing בעשר השנים האחרונות, עם המטרות העיקריות להיות סולם את התהליכים כדי להבין את מנגנוני העיוות של חומרים כאלה.
UFG וחומרי nanocrystalline הם, לעומת זאת, לא רק יישומים מודרניים במדע חומרים מאז יש אופי בדרכו שלו לייצר חומרים גבישיים מעודנים כזה. אזורי שבר גיאולוגיים ידועים לייצר אזורי nanocrystalline; למרות שפעמים רבות הניחו להיות אמורפי על בסיס מחקרים מיקרוסקופ אור, מיקרוסקופ אלקטרונים חודרת ברזולוציה גבוהה (TEM) במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ניתוחי הראו קרובות כי גודל גרגר יכול להיות בסדר גודל של עשרות ננומטרים 7. פרקי עיוות שיעור זן גבוהים, כמו אלה במהלך מטאוריטים, יכולים גם לייצר מבני nanocrystalline כמו גם צפיפות פגם גבוהה מאוד 8. עיוות היא לא תמיד דרישת ננו בטבע. פירס ואח. 9. מעטפת מבנים, כגון צדף, נוצרים על ידי סידור קבוע של יחידות גבישים בסולם של כמה 100 10 ננומטר. מטאוריטים אפילו הוכחו הכוללים מבני מינרלי UFG 11.
לא משנה מה מוצאו של חומרים בעלי מבנים UFG או אלה nanocrystalline, המאפיינת אותם מציבה אתגר אשר עורר את הפיתוח של כלים לאפיון השתפר הננומטרי. שדרה מבטיחה אחת אשר נחקרה היא במיקרוסקופ אלקטרונים. כזה טכניקה מופיעה מותאמת בצורה מושלמת עבור משימה זו, מאז גל אלקטרון מטבעם הקטן, הכרוכים בשימוש בו, מציע את האפשרות לנתח את המבנה האטומי של מהאטרייהl 12. זה כבר הוכח כי אלקטרונים Backscatter השתברות (EBSD) יכול לשמש כדי לאפיין חומרים UFG עם גודל גרגר עד מידה תת-מיקרון 13, 14, 15, 16. עם זאת, את הרזולוציה המרחבית של טכניקת EBSD, אפילו באמצעות SEMs המתקדמת ביותר הנוכחית, מוגבלת ל 20 עד 50 ננומטר תלויים בחומר 17. לכן זה לא מפתיע כי בתחילה, החוקרים ביקשו פתרונות לאפיין את החומרים הללו עם מיקרו אולטרה-דק באמצעות TEM. נחישות אורינטצית crystallographic באמצעות מצבים עקיפים ב TEM, כגון דפוסי קיקוצ'י ודפוסי נקודה, יכולה להגיע להחלטות המרחבי של סדר 10 ננומטר ובמקרים מסוימים מתחת לערך 12, 18, 19. עם זאת, כמה חסרונות יש דבוריםn מזוהה עם שימוש בטכניקות אלה כגון מהירות שלהם והחלטות זוויתית, במיוחד כשמשווים את האפשרויות שמציעה EBSD 12, 19. למרות טכניקות עקיפות TEM נקיפה המבוססת אוטומטיות יכולות להגיע למהירויות לאינדקס דומות EBSD, רוב טכניקות TEM סובלות מרמות נמוכות יחסי של אוטומציה 19. בנוסף, טכניקות TEM בדרך כלל דורשות יישור קריטי זמן רב של מערכת העדשה של המכשיר כדי להשיג ביצועים מיטביים.
לאחרונה, האינטרס השתנה לשיפור רזולוציה של הטכניקה העקיפה קיקוצ'י בתוך SEM, על ידי שינוי אופן האות מתקבל ונתח. קלר Geiss הציגו צורה חדשה של עקיפת קיקוצ'י שידור נמוכה אנרגיה שבוצעה SEM 20. השיטה, אשר קראו שידור-EBSD (t-EBSD), מחייבת גלאי EBSDו הקשורים בתוכנה כדי ללכוד ולנתח את הווריאציה העוצמת זוויתי פיזור קדימה גדולה זווית של אלקטרוני הולכה. באמצעות טכניקה זו, הם הצליחו לאסוף דפוסי קיקוצ'י חלקיקים ו-גרגרי ננו עם בגדלים נמוכים כמו 10 ננומטר בקוטר. עובדת האלקטרונים המתפזרים נתחו במקרה זה לעבור את הדגימה ואינם נפלטו בחזרה מפני השטח של הדגימה, מתבקשת שינוי מינוח ליותר כראוי לתאר את הטכניקה; עכשיו זה נקרא הילוכים קיקוצ'י השתברות או TKD. טכניקת TKD הייתה מותאמת על ידי Trimby כדי לאפשר רזולוציה טובה יותר ואת הרכישה האוטומטית של אורינטציה ממפה 17. טכניקה זו יכולה להיות גם בשילוב עם ספקטרוסקופיה רנטגן נפיצה אנרגיה (EDS) כדי לאסוף מידע כימי תוך ביצוע ניתוח אוריינטציה crystallographic 21.
מאמר זה מספק את הדרישות מבחינת ציודדגימות לבצע ניסויים TKD, מתאר את השלבים השונים הנדרשים לרכישת נתונים, ואת התוצאות המתנות שנאספו על ארבע דגימות שונות כדי להראות את היקף היישומים האפשריים של הטכניקה. הדוגמאות שהובאו כאן הם או סגסוגות מתכת כי היו נתונים דפורמציה פלסטית חמורה ליצור חומרים UFG / nanocrystalline או חומרים גיאולוגיים גם היו נתונים דפורמציה פלסטית חמורה microstructures מעודן הנוכחי.
Protocol
ציוד 1. דרישות לדוגמא
- השתמש SEM מצויד בגלאי EBSD לבצע את הניסוי.
הערה: באופן אידיאלי SEM צריך מקור פליטת שדה כדי למקסם ברזולוציה מרחבית, אבל הטכניקה תעבוד על כל סוג של SEM. - ודא כי את הדגימה להיות מנותח יש עובי בטווח של 100 ננומטר עבור תוצאות אופטימליות 17. ודא כי הדגימה היא דקה מספיק כדי להיות מסוגל לבצע את ניתוח TKD.
הערה: ניתן לעשות זאת באמצעות forescatter גלאי, מדלל את הדגימה, הוא יהפוך כהה יותר ישתמש כי טכניקת דימות.- הכן את הדגימה באמצעות טכניקות מסורתיות להכנת מדגם רדיד TEM כגון באמצעות מטחנת גומה ואז גם Electropolishing או יון ליטוש או באמצעות הטכניקה להרים-אאוט באמצעות אלומת יונים ממוקדים (FIB) אם התכונות להיות מנותחות הם אתר ספציפי .
הערה: הטכניקות ההכנות אינן Explained בפירוט כאן כפי שהם אינם מושא נייר זה זהה טכניקות והמבוססות על מדגם TEM כן 22. המשתמשים יצטרכו לקבוע מה טכניקת הכנת המדגם המתאימה ל הדגימה שלהם. מידע ניתן למצוא 22.
- הכן את הדגימה באמצעות טכניקות מסורתיות להכנת מדגם רדיד TEM כגון באמצעות מטחנת גומה ואז גם Electropolishing או יון ליטוש או באמצעות הטכניקה להרים-אאוט באמצעות אלומת יונים ממוקדים (FIB) אם התכונות להיות מנותחות הם אתר ספציפי .
2. ניסיוני Set-up
- מניח את הדגימה על בעל דגימה המאפשר את הדגימה להיות בבית 20 ° מהאופק פעם בתוך חדר SEM. זה יאפשר את הדגימה להיות תלויה מעל הקרוסלה להציב פעם הופעה במיקום אופקית לאחר הטיית הבמה על ידי 20 ° (ראה שלב 2.4) כדי למנוע הצללת אפקטים במהלך רכישת נתונים עם מצלמת EBSD.
הערה: מחזיקי דגימה מיוחדים עוצבו למטרה זו דוגמא מוצגת באיור 1. אם המדגם הוא להרים FIB מתוך מדגם על רשת TEM, להבטיח כי המדגם הוא על o המשטח הנמוךF לרשת התמיכה.
בעל דגימת TKD איור 1.. דגימות כמה ניתן לנתח במהלך מושב אחד, ללא צורך לפתוח מחדש את תא SEM. חשוב רדיד TEM ממוקם באופן כזה לא מחזיק או תמיכה מונעת האלקטרונים כדי מתפזרים מן הדגימה שייגבו על ידי מצלמת EBSD. אין להשתמש רשתות תפרענה האות שנאסף. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
- בעל מדגם מקום בתא SEM, לסגור את התא ולהתחיל את ואקום שאיבה כמו לכל דגימה אחרת על ידי לחיצה על משאבה בלשונית VAC.
- השתמש ניקוי פלזמה-הקאמרית על מנת למנוע זיהום.
הערה: שלב זה הוא אופציונלי, אך ממליצה בחוםאד לשיפור איכות ואמינות הנתונים. אם הטכניקה נגישה עם SEM, הניקיון צריך להיעשות במשך כמה דקות. - הטה את הבמה SEM ידי 20 ° עם כיוון השעון כך הדגימה היא כעת במצב אופקי נורמלי אלומת אלקטרונים. אם המדגם הוא לא מישוריים מטיל צללים על המסך פוספור גלאי EBSD (כגון בעת שימוש FIB להרים את הדגימות על רשת תמיכה TEM), להטות בחזרה 10 ° או 0 מעלות, כך מדגם מוטה הרחק EBSD גַלַאִי.
- קבע את תנאי SEM לרכישת נתונים אופטימליים: להגדיר את המתח המאיץ ב 30 keV ידי לחיצת EHT ( "מתח גבוה במיוחד"), בחר EHT ON כדי להדליק את המתח המאיץ ובחר את הערך הנכון של EHT. לך ללשונית הצמצם של לוח בקרת SEM ולבחור צמצם גבוה (למשל 60 או 120 מיקרומטר), לבחור את המצב הנוכחי הגבוה או העומק של מצב שדה (תלוי SEM) ולהגדיר את זרם הקרן המתאים (בערך 3 4נה עבור צוהר 60 מיקרומטר 10-20 Na עבור צוהר 120 מיקרומטר).
- תביא את הדגימה על מרחק עבודה של 6 עד 6.5 מ"מ על ידי שינוי z-העמדה של המדגם.
הערה: זה תלוי SEM ואת התצורה של גלאי EBSD; המדגם צריך להיות ממוקם בדיוק מעל הרמה של החלק העליון של המסך זרחן. - ודא כי בעל מדגם מקביל לציר ה- x של שלבים, כדי למנוע כל פגיעה אפשרית הציוד תוך הזזת הדגימה כדי לקבל את האות האופטימלי.
הערה: רק אל תבדוק ע"י הסתכלות העמדה הדגימה על מצלמת CCD, להזיז את האיבר ה- x בכיוון ולוודא כי המרחק עם הבמה לא השתנה. - הזז את הבמה כדי לאתר את הדגימה ולוודא כי הקרן היא להכות את הדגימה במיקום של עניין (שם סריקת TKD יבוצע) על הדגימה באמצעות הדמיה אלקטרונים משתיים.
- בחר את גלאי אלקטרונים משני detectoהכרטיסייה r של לוח הבקרה SEM.
- הפעילו את התוכנה EBSD ולהכניס את המצלמה EBSD ידי לחיצה על כפתור "ב" על קופסת הבקרה של המצלמה EBSD עד למרחק של 15 עד 20 מ"מ מן הדגימה באמצעות בקר חיצוני או התוכנה.
- אם נדרש לניתוח, להכניס את גלאי EDS בתוך החדר על ידי לחיצה על כפתור "ב" בלוח הבקרה המצלמה EDS. העמדה האופטימלית לא יכולה להיות זהה לניתוח EDS כרגיל, כך להסתכל לספור אות, ולוודא כי הזמן המת הוא בין 20 לבין 50% עבור איסוף נתונים אופטימלי, כדי לקבוע את המיקום האופטימלי עבור הניסוי בפרט כי הקים .
הערה: יתכן שבמקרה זה כדי להתאים את מרחק העבודה כדי לשפר את נתוני EDS אבל זה יהיה על חשבון איכות דפוסי העקיפה שנאספו על ידי מצלמת EBSD. איור 2 מדגים את תצורת ניסיוני לרכישת נתונים שבו הוא מצלמת EBSDואת גלאי EDS הוכנסו בתא. - לאחר כל גלאי ממוקמים ואת הדגימה אותר, לבצע יישור קרן על ידי בחירה בתיבת הסימון לנענע פוקוס בלשונית הצמצם של לוח הבקרה SEM והתאמת ידיות אופקיות ואנכיות עבור יישור הצמצם בלוח הבקרה. בצעו התאמת המוקד ואת תיקון אסטיגמציה ידי התאמת ידיות אופקיות ואנכיות עבור stigmation בלוח הבקרה. מטרת צעד זה היא להשיג את התמונה החדה ביותר אפשרי.
הערה: תוך איסוף EDS נתונים לוודא לבחור את בעל דגימה הנכון עבור נתונים אמינים. אל תשתמש בעל דגימה עשוי מאותו החומר מנותח אחר זה יהיה בלתי אפשרי להבדיל בין האות מגיעה הדגימה מן האות מגיעה בעל המדגם ולוודא שאין חפיפה עבור הפסגות העקיפות מן החומר להיות מנותח ומאיזה בעל הדגימה הוא מטורףדואר.
איור 2. ניסוי הגדרה. הדגימה נמצאת במצב אופקי אחרי הסיבוב של הבמה. זה מגביל את ההפרעה של במת הקרוסלה עם האות כי תיאסף על המסך זרחן של מצלמת EBSD. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
3. פרמטרי תוכנת EBSD עבור קליטת נתונים
הערה: פרמטרי רכישת נתונים שונים עבור ספציפיות זמינות מסחרי מערכות EBSD. בסעיף זה נכתב כמו בדרך כלל ככל האפשר, אך כמה מהשמות והערכים של הפרמטרים הנתונים כאן מתאימים רק אם משתמש בתוכנת EBSD המוזכרים רשימת החומרים, והמשתמשים של מערכות שונות יהיו neאד להתאים את הפרמטרים הללו על פי מערכת משלהם. רוב השלבים הבאים הם בדיוק כמו עבור ניסוי EBSD נורמלי.
- ודא כי גיאומטרית הדגימה בתוכנת EBSD משקפת את העובדה כי הדגימה היא במצב אופקי. ודא שהערך להטות הכולל הוא 0 °. אם לא, להוסיף -20 ° לערך שנקבע מראש להטות בלשונית גיאומטרית דגימה.
- בחר את שלב (ים) (איזה רכיב או תרכובת) להיות מנותח כמו לניסוי EBSD נורמלי בלשונית שלב.
- צלם תמונה באמצעות תוכנת EBSD בלשונית תמונת הסריקה על ידי לחיצה על התחל.
הערה: Forescatter גלאי רכוב מתחת למסך זרחן גלאי EBSD יכול לשמש כדי לייצר תמונת שדה חשוך, סיוע בזיהוי דק אזורים ואתרים מעניינים. - התאם את ההגדרות של מצלמת EBSD עבור רכישת נתונים אופטימלית על ידי אופטימיזציה של ערכי רווח וחשיפה עד שהתמונה בהירה אבל לא oversaturated, כתעריף experim EBSD נורמליאף אוזן גרון, בלשונית דפוס אופטימיזציה.
הערה: שלב זה הוא תלוי דגימת איכותו (עובי וגימור פני שטח). - אסוף רקע בלשונית דפוס אופטימיזציה על ידי לחיצה על גוביינא. ודא כי דגנים מספיק נוכחים לאיסוף רקע ידי התאמת ההגדלה, למרות שזה חשוב לסרוק את פני האזור עם עובי דומה לאזור כדי להיות מנותח.
- בדוק את איכות הדפוסים פעם ברקע כבר מופחת על ידי הבטחה כי אפשרויות רקע רקע אוטומטי סטטי נבדקו.
- למרות שהם ייראו מעוותים בשל הגיאומטריה המיוחדת של ההגדרה, להבטיח כי הלהקות עקיפות גלויות לעין (ראה איור 3). שלב מסגרות רצופות במצלמת EBSD כדי לשפר את יחס האות לרעש בתמונה מאז עוצמת האור של התבנית העקיפה על המסך פוספור נמוכה.
- אם האיכות של דפוסים לא טובמספיק, לשנות את הגדרות המצלמה (להתאים רווח וחשיפה) או לשנות את גודל הצמצם של SEM (להשתמש צוהר גדול אם אפשר). זה יכול להיות גם עקב הדגימה להיות עבה מדי ובמקרה דליל הדגימה היא הפתרון היחיד (תלוי דגם זה יכול להיעשות באמצעות דילול FIB או יון).
איור 3. קיקוצ'י דפוס עקיף מתקבל על ידי TKD. הדפוס מופיע מעווה בהשוואת דפוס מתקבל על ידי EBSD מסורתי במרכז הדפוס כבר עבר מטה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
- מטב את הפותר עבור זיהוי תבניות וכדי לשפר את השיעור לאינדקס על ידי לחיצה על הלשונית הפותרת אופטימיזציה.
הערה: tהוא תוכנה המשמשת כאן, שתי אפשרויות זמינות עבור לאינדקס דפוס TKD הטוב: TKD האופטימלי או דיוק מעודן. מומלץ להשתמש באפשרות TKD האופטימלית כאשר דפוסי העקיפה הם מאוד זרקו לפח; דפוסים ברזולוציה גבוהים יותר (למשל 336 x 256 פיקסלים ומעלה), מצב הדיוק המעודן עובד הכי טוב. - אם ניתוח ברזולוציה גבוה נדרש (גודל צעד של 5 ננומטר או קטן יותר) לעזוב את הדגימה בסביבה הנוכחית למשך 30 עד 60 דקות כדי לשפר ואקום ויציבות קרן תרמית. אל תשאירו את הקרן אף על האזור של עניין.
- לפני תחילת רכישת הנתונים, להתאים שוב את המוקד ולתקן את אסטיגמטיזם של SEM ידי חזרת צעד 2.11.
- הגדר את הפרמטרים (צעד גודל וגודל של המפה) לרכישת המפה בלשונית נתונים מפת לרכוש.
הערה: גודל הצעד יכול להיות נמוכה כמו 2 ננומטר במידת צורך ואם הדגימה היא באיכות גבוהה. - הפעל את רכישת המפה על ידי לחיצה על כפתור ההתחלה רכשכרטיסיית נתוני מפה.
הערה: ניתוח הנתונים יבוצע בדיוק באותו אופן כמו סריקה EBSD רגילה, ללא התאמות נחוצות. סוגים שונים של המפה ניתן לקבל את הנתונים. אוילר, בניגוד להקה, דמות קוטב הפוכה, מפות שלב יכול להתבצע כולן מן הנתונים שנאספו. דמויות הקוטב יכול להיגרר גם מנתונים אלה.
Representative Results
הנתונים המוצגים כאן נאספו באמצעות מערכת SEM, EBSD ותוכנת מוזכרי חומרי הרשימה. בהתאם לתכונות של עניין, סריקות נוהלו עם גדלי צעד אחרים וגודל הצעד המבוקש מצוין עבור כל דגימה המוצגת בעבודה זו.
שתי הדוגמות הראשונות של יישום TKD המוצגות כאן קשורים עידון גרעינים של סגסוגות מתכת על מנת להגדיל התכונות המכאניות שלהם. פלדות וסגסוגות אל חלודה קובלט-כרום-מוליבדן משמשות עבור יישומים ביו בשל התנגדות קורוזיה גבוהה שלהם, תכונות מכניות טובות תחת עומס סטטי התאמה ביולוגית 23, 24. עם זאת, לשניהם יש חומרים אלה חסרונות: פלדות אל-חלד יש קשיות נמוכה ועמידות בפני שחיקה בעוד סגסוגות Co-Cr-Mo יכול להיכשל בשל תופעות tribocorrosion. t דרך אחתo מענה-בהמראות הקצרות החומרים הללו הן לשנות את מאפייני השטח שלהם על ידי עידון מייקרו. נירוסטה ו Co-Cr-Mo דגימות סגסוגת נחשפו Surface טיפול ההתשה מכני (SMAT), שהוא טיפול משטח שיוצר, על ידי דפורמציה פלסטית חמורה, שכבת פני השטח nanocrystalline המשפר את פני השטח מכני, tribological, ותכונות קורוזיה של חומרים בתפזורת ללא שינוי המבנה הכימי שלהם 25. שימוש TKD, מיקרו מתחת לפני השטח מטופל נותח עבור חומרים שונים לקשר את השינוי של מיקרו אל תכונות משופרות.
אפיון מיקרו באמצעות TKD הוכיחה כי הכפפת שדוגמא נירוסטה אל SMAT יצר באזור, 1 מיקרומטר עבה מתחת לפני השטח מטופל, שבו תערובת של דגנים ננו equiaxed וחיטה ננו מוארך מעט נכחו 23.איור 4 מציג את אחד סריקות TKD כי נוהלו על מדגם מטופלים. דגימת TKD הוכנה באמצעות FIB כמו תחום העניין היה רק על פני השטח של המדגם. איור 4 מראה כי, באזור הראשון מתחת לפני שטח המטופל, גרגרי equiaxed הם קטנים יותר מאשר 100 ננומטר בקוטר בעוד עוביים נוכחיים הדגנים המוארכים של 100 עד 200 ננומטר עבור אורכים שיכולים להגיע 500 ננומטר. להלן באזור ראשון זה, אזור UFG של דגנים בגודל תת-מיקרון מוארך אפשר לראות גם על הדמות. זו הייתה הפעם הראשונה שבה אזור ננו-הדגן התאפיין כראוי דגימה הנתונה SMAT. לשם השוואה, פריט נוסף של הנירוסטה הנתונה SMAT נותח באמצעות EBSD המסורתית ואת התוצאות של אחת הסריקות מוצגים באיור 5. שניהם הניגוד הלהקה ומפות IPF להראות נוכחות של אזור UFG על פני השטח. עם זאת, למרות גודל הצעד של 15 ננומטר ששימש להפעלת הסריקה, הדגן הים באזור זה לא יכול להיות באינדקס בהצלחה בשל היקף האינטראקציה הגדול שנותח בכל מקום במהלך הסריקה. זו מציגה את המגבלה של טכניקת EBSD לאפיון חומרי UFG ו nanocrystalline.
איור 4. נתוני TKD שנאספו דגימת נירוסטה לאחר SMAT. הנתונים נאספו באמצעות גודל צעד של 5 ננומטר על 100 עד 120 דגימות עבות ננומטר. (א) המפה בניגוד Band נותנת אינדיקציה לאיכות הדפוס שנאסף (מצית האפור לטובת הדפוס); (ב) הופכי הקוטב איור (IPF) מפה המראה את אוריינטציות קריסטלוגרפיים שונים של דגנים פי הצבעים מיוצגים על הימני של המפה. משטח המטופל הוא על החלק העליון של המפות.arget = "_ blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. נתוני EBSD שנאספו דגימת נירוסטה לאחר SMAT. הנתונים נאספו באמצעות צעד של 15 ננומטר. מפת חוזה Band (א); (ב) מפת IPF. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6 ממחיש את תוצאות האפיון TKD של מדגם סגסוגת Co-Cr-Mo נתון SMAT. דגימת TKD הוכנה באמצעות FIB והאזור נתח היה ממוקם בערך 10 מיקרומטר מתחת לפני שטח המטופל. התוצאות מראות כי חידוד של מיקרו התקיים באמצעות שלב הטרנספורמציה 24. בתחילה, חומר דיבוק שלב מעוקב אחד מרוכז פנים (FCC) והיה בעלי גודל גרגר ממוצע של 10 מיקרומטר. איור 6 מראה כי בשני שלבים באזור הפגום הזה נוכחים: המשושה וגדוש קרוב (HCP) laths נתפס בתוך גרגרי FCC. העובי של פרקט אלה יכולים להיות קטנים כמו 10 עד 20 ננומטר. עידון זה של מייקרו מסביר את הגידול פי שלושה בתוך הקשיות הנמדדת של החומר רק מתחת לפני השטח שטופל 24.
איור 6. נתונים TKD שנאספו הדגימה סגסוגת קובלט-כרום-מוליבדן לאחר SMAT. הנתונים נאספו באמצעות גודל צעד של 5 ננומטר על 100 עד 120 דגימות עבות ננומטר. המפה בניגוד Band (א); (ב) מפת שלב המראה את חלוקת שני השלבים הנוכחים סגסוגת לאחר דפורמציה פלסטית, אדוםצבע מייצג את שלב HCP, ואילו הצבע הכחול מסמל את שלב FCC; (ג) המפה IPF מראה את אוריינטציות קריסטלוגרפיים שונים של דגנים של השלב HCP פי הצבעים מיוצגים בצד שמאל של המפה; (ד) המפה IPF מראה את אוריינטציות קריסטלוגרפיים שונים של דגנים של השלב FCC לפי הצבעים מיוצגים על הימני של המפה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
שתי הדוגמאות האחרונות שהוצגו כאן קשורות בתחום הגיאולוגיה. מבנים תת-מיקרון יכול להיות נוכח מינרלים עקב דפורמציה פלסטית חמורה הם חשופים בתוך המעטפת או במהלך רעידות אדמה של כדור הארץ, למשל. חומרים אלו יכולים להציג צפיפויות פריקות גבוהות שהופכות האפיון שלהם באמצעות מסורתאל EBSD בלתי אפשרי. מחקר מפורט של מייקרו שלהם הוא זאת עליונה כדי לקבוע את הרקע של מינרלים אלה כדי להבין את כימיים השונים ותהליכים פיסיים שאליה הם היו נתונים. לדוגמה, אפשר לעקוב אחרי מחזור הפחמן בכדור הארץ עמוק באמצעות לימוד יהלומים תכלילים שלהם. איור 7 ממחיש באחד המחקרים הללו, שבו יעקב ואח '. חקרו 26 מיקרו והרכב של תכלילים-גופרתי FeNi בתוך המצרפי יהלום גבישי המציג קורונה התגובה מגנטיט nanogranular. ניתוח TKD חשף את ההתפלגות של שלבים השונים הנמצאים הדגימה (7b האיור), ומראה את-המבנים ננו של (איור 7 א) מגנטיט. על ידי צימוד TKD עם EDS, חלוקת האלמנטים השונים (כאן מראה רק פה ו Cu הפצות איורים 7c ו ד) בתוך ה שלבים שונים e נקבעו. המחקר הוכיח כי היהלום נוצר גרעיני על ידי תגובת חיזור המעורבת הנוזל ויוצר-יהלום ואת גופרתי FeNi שהיווה מגנטיט יהלום 26.
TKD איור 7. ונתונים EDS שנאספו תכלילים-גופרתי FeNi בתוך המצרפי יהלום גבישי. הנתונים נאספו באמצעות גודל צעד של 10 ננומטר על 80 עד 100 דגימות עבות ננומטר. המפה בניגוד Band (א); (ב) מפת שלב המראה את החלוקה של השלבים השונים הנמצאים הדגימה, יהלום מסומנת בצהוב, מגנטיט באדום, pyrrhotite בירוק כלקופיריט בכחול; (ג) מפת ההרכב הכימי מראה את חלוקת Fe הדגימה; (ד) מפת ההרכב הכימי מראה את חלוקת Cu את הדגימה.יעד EF = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg" = "_ blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
דגימות גיאולוגיות רבות חשופות דפורמציה פלסטית גבוהה, אם כי זה לא תמיד קשור לתהליכים הטקטוניים של כדור הארץ. מבנים אימפקט נצפים מכתשי מטאוריטים רבים על פני השטח של כדור הארץ, הקשורים לעתים עם לחץ מספיק גבוה כדי להפוך גרפיט לתוך יהלום 27. המבנה של יהלומים אלה הוא מעווה מאוד עם צפיפויות פריקות גבוהות מאוד עקב השפעת האנרגיה הגבוהה הנגרמת על ידי המטאוריט. איור 8 מציג דוגמה של יהלום השפעה מאופיין באמצעות TKD. דפורמציה הפלסטיק הגדולה לראות את הדגימה מסבירה את הנוכחות של דגנים בגודל תת-מיקרון, פרופורציות גבוהות של תאומים (ראה איור 8 ב) והדרגות של אורינטציות קריסטלוגרפיים within הדגנים (הדרגתיים אלה נובעים צפיפויות פריקות גבוהות בתוך הדגנים).
איור 8. נתוני TKD שנאספו יהלום פגיע מטאוריט. הנתונים נאספו באמצעות גודל צעד של 10 ננומטר על 80 עד 100 דגימות עבות ננומטר. (א) מפת מדרון Band נותנת אינדיקציה לאיכות הדפוס שנאסף (מצית האפור לטובה התגעשו-); (ב) המפה IPF מראה את אוריינטציות קריסטלוגרפיים שונים של דגנים פי הצבעים מיוצגים על הימני של המפה. הקווים האדומים מייצגים גבולות תאום, עם סיבוב 60 מעלות כ <111>. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Discussion
כל הנתונים המוצגים במאמר זה התקבלו באמצעות תקן, מערכת EBSD מסחרית. מערכת כזו נגישה במעבדות רבות ברחבי העולם, מה שאומר כי טכניקה זו ניתן ליישם בקלות במעבדות אלו מבלי לעשות שום השקעה נוספת. שום שינוי בתצורה של SEM ולא תוכנה נוספת נחוץ כדי להשתמש במערכת EBSD לאסוף נתוני TKD. לכן המעבר מן EBSD המסורתית TKD קל מאוד. שיעור רכישת נתונים עבור TKD דומה לזה של EBSD, אשר כיום מגיע עד כ 1000 דפוסים / s 19. שיעור גבוה זה נובע בחלקו ברמה מאוד גבוהה של אוטומציה של הטכניקה, כולל כיול עבור המיקום במרכז דפוס ושינוי מרכז דפוס במהלך סריקת 19. TKD יהנה כל היתרונות האלה. בנוסף, TKD כמו EBSD, ניתן מצמידים בקלות עם EDS להשיג כימיים נוספיםמידע (ראה איור 7).
לדוגמא ההכנה חשובה מאוד לקבל נתונים ב TKD, ולכן זמן צריך להיות מופנה צעד 1.2 להבטיח כי הדגימה היא דקה מספיק כדי להיות מנותח. אחרת אין טעם להתחיל את הניסוי. הגדרה הולמת את הפרמטרים של SEM הוא בעל חשיבות עליונה בהשגת נתונים אמינים. המשתמשים צריכים במיוחד לשים לב צעדים 2.5 ו 2.11 ואת הערכים עבור הפרמטרים שניתנו בפרוטוקול ייתכן שיהיה צורך מותאם ספציפית SEM, מערכות EBSD דגימות. הפרמטרים לייעל דפוס הכרה (שלב 3.7) הם גם מאוד חשוב על מנת להבטיח איכות טובה של הנתונים שנאספו. פרמטרים אלה צריכים להיבדק על דפוסים שונים באזורים שונים של האזור לסריקה כדי לוודא שאזור עניין המוחלט ניתן לסרוק כמו שצריך עם שיעור אינדקס גבוה.
הדוגמאות השונות שהוצגו במאמר זה מעידים על ברזולוציה גבוההיכולת של הטכניקה בהשוואה EBSD המסורתית. למרות ההתקדמות שנעשתה עם החומרה והתוכנה של מערכות SEM ו EBSD, הרזולוציה של טכניקת EBSD לא יכולה להגיע לערכים מתחת 20 ננומטר עבור חומרי צפיפות גבוהים 17, מה שאומר באפיון תכונות קטנות יותר 50 ננומטר בחומרים אלה יהיו בלתי אפשריים. עבודה עם חומרים צפופים פחות תגדיל את גודל התכונה הפתירה הקטנה אל סימן 100 ננומטר. 6b איור מראה כי אפשר להשתמש TKD לאפיין תכונות, כגון הפרקט HCP נוכח סגסוגות Co-Cr-Mo מעוות, אשר הם קטנים כמו 10 עד 20 ננומטר, כמו רזולוציה מרחבית של הטכניקה יכול להיות כמו נמוך כמו 2 ננומטר 17.
חומרים גיאולוגיים הם בדרך כלל שאינם מוליכים או מוליך למחצה, אשר לעתים קרובות מציבים קשיים מסוימים כשהם צריכים להתאפיין באמצעות EBSD המסורתית. בעיה זו אינה מציגה את עצמה בעוד uלשיר TKD. היקף האינטראקציה במהלך הניתוח הוא כל כך קטן שניתן הגיאומטריה הדקה של הדגימה כי אין בעיה של מוליכות. נפח אינטראקציה קטן זהו גם יתרון תוך כדי עבודה עם חומרים מעווים מאוד כמו צפיפות פריקה גבוהה בדרך כלל עושה את זה בלתי אפשרי להשיג דפוסים שניתן באינדקס באמצעות EBSD המסורתית. כפי שניתן לראות באיור 8, היהלום המעווה מאוד יכול להיות מאופיין באמצעות TKD למרות הצפיפות הפריקה הגבוהה נוכח הדגנים שלה.
מגבלה אחת של הטכניקה נוגעת הכנת מדגם. זה יותר קשה להשיג דגימה טובה TKD מאשר עבור EBSD. טכניקות הכנת המדגם זהות להכנת מדגם TEM, מה שאומר שהם קשים ונדרשו זמן רב. מציאת השטח הנכון לנתח גם אתגר כי ניתן לטפל באמצעות טכניקות ספציפיות באתר כגון באמצעות FIB אם היא מתאימה את סוג הדגימה להיותמְחוֹשָׁב. הרזולוציה המרחבית משתפרת באופן משמעותי למדי עם TKD בהשוואה EBSD אבל הוא עדיין לא טוב כמו מה ניתן להשיג באמצעות 17 TEM, 19.
מאמר זה הוכיח כי TKD היא טכניקת ערך לאפיין חומרי nanocrystalline ו UFG ממקורות מגוונים. הקלות של יישום, מהירות, רזולוציה וגמישות לטווח של מוליכות עולים על קושי בהכנה מדגם. העתיד של הטכניקה מתגורר באפיון באתרו. על ידי שימוש ב אסדת לבדיקות מכניות באתרו תוך ביצוע ניתוח TKD, ניתן יהיה לבחון כיצד ננו אלה microstructures אולטרה-דק לשנות תחת עומס חיצוני. זה יגביר את הידע שלנו על מנגנוני העיוות של nanocrystalline וחומרי UFG.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Scanning electron microscope | Zeiss | Preferably equipped with a field emission source in order to maximize spatial resolution. The one used here is a Zeiss Ultra plus field emission-SEM | |
| Electron backscatter diffraction detector | Oxford instruments | Different system are available on the market. The one is in this work is a Nordlys-nano EBSD detector from Oxford instruments. Forescatter detectors are mounted belown the detector phospor screen which is an option. | |
| Electron backscatter diffraction software for data acquisition and analysis | Oxford instruments | The protocal is described here for the usage of the AZtecHKL EBSD software but other software can be used as well | |
| EDS detector | Oxford instruments | This is optional. The one used here is a X-Max 20 mm2 silicon drift EDS detector from Oxford instruments | |
| sample holder for TKD | ANY | As long as it can handle thin specimen and can be placed in the correct orientation within the microscope. Different companies sell specific sample holders for TKD analysis if required by the user. | |
| Plasma cleaner | Evactron | This is optional. The one used here is Evactron Model 25 RF Plasma Decontaminator for FIB/SEM and Vacuum Chambers |
References
- Wang, Y. M., Chen, M. W., Zhou, F. H., Ma, E. High tensile ductility in a nanostructured metal. Nature. 419, 912-915 (2002).
- Liddicoat, P. V., et al. Nanostructural hierarchy increases the strength of aluminium alloys. Nat. Commun. 1 (63), 1-7 (2010).
- Mukai, T., Yamanoi, M., Watanabe, H., Higashi, K. Ductility enhancement in AZ31 magnesium alloy by controlling its grain structure. Scr. Mater. 45 (1), 89-94 (2001).
- Liao, X. Z., Zhao, Y. H., Zhu, Y. T., Valiev, R. Z., Gunderov, D. V. Grain size effect on the deformation mechanisms of nanostructured copper processed by high-pressure torsion. J. Appl. Phys. 96, 636-640 (2004).
- Fang, Z. Z., Wang, H. Densification and grain growth during sintering of nanosized particles. Int. Mater. Rev. 53 (6), 326-352 (2008).
- Handtrack, D., Despang, F., Sauer, C., Kieback, B., Reinfried, N., Grin, Y. Fabrication of ultra-fine grained and dispersion-strengthened titanium materials by spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng., A. 437 (2), 423-429 (2006).
- Bestmann, M., Pennacchioni, G., Frank, G., Göken, M., de Wall, H. Pseudotachylyte in muscovite-bearing quartzite: Coseismic friction-induced melting and plastic deformation of quartz. J. Struct. Geol. 33 (2), 169-186 (2011).
- Trepmann, C. Shock effects in quartz: Compression versus shear deformation - An example from the Rochechouart impact structure, France. Earth Planet. Sci. Lett. 267 (1-2), 322-332 (2008).
- Pearce, M. A., Gazley, M. F., Fisher, L. A., Saunders, M., Hough, R. M., Kong, C. The Nanostructure of Australia's Gold Deposits. Proceeding of AMAS XIII - 13th Biennial Australian Microbeam Analysis Symposium, Hobart, Australia, , (2015).
- Mukai, H., Saruwatari, K., Nagasawa, H., Kogure, T. Aragonite twinning in gastropod nacre. J. Cryst. Growth. 312 (20), 3014-3019 (2010).
- Daly, L., Bland, P. A., Trimby, P. W., Moody, S., Yang, L., Ringer, S. P. Transmission Kikuchi diffraction applied to primitive grains in meteorites. Lunar and Planetary Science Conference. 46, 1752 (2015).
- Rauch, E. F., Véron, M. Automated crystal orientation and phase mapping in TEM. Mater. Charact. 98, 1-9 (2014).
- Humphreys, F. J., Brough, I. High resolution electron backscatter diffraction with a field emission gun scanning electron microscope. J. Microsc. 195, 6-9 (1999).
- Zhilyaev, A. P., Kim, B. K., Nurislamova, G. V., Baro, M. D., Szpunar, J. A., Langdon, T. G. Orientation imaging microscopy of ultrafine-grained nickel. Scr. Mater. 46 (8), 575-580 (2002).
- Apps, P. J., Bowen, J. R., Prangnell, P. B. The effect of coarse second-phase particles on the rate of grain refinement during severe deformation processing. Acta Mater. 51 (10), 2811-2822 (2003).
- Dogan, E., Vaughan, M. W., Wang, S. J., Karaman, I., Proust, G. Role of starting texture and deformation modes on low-temperature shear formability and shear localization of Mg-3Al-1Zn alloy. Acta Mater. 89, 408-422 (2015).
- Trimby, P. W. Orientation mapping of nanostructured materials using transmission Kikuchi diffraction in the scanning electron microscope. Ultramicroscopy. 120, 16-24 (2012).
- Schwarzer, R. A. Advances in crystal orientation mapping with the SEM and TEM. Ultramicroscopy. 67 (1-4), 19-24 (1997).
- Zaefferer, S. A critical review of orientation microscopy in SEM and TEM. Cryst. Res. Technol. 46 (6), 607-628 (2011).
- Keller, R. R., Geiss, R. H. Transmission EBSD from 10 nm domains in a scanning electron microscope. J. Microsc. 245 (3), 245-251 (2012).
- Trimby, P., et al. Characterizing deformed ultrafine-grained and nanocrystalline materials using transmission Kikuchi diffraction in a scanning electron microscope. Acta Mater. 62, 69-80 (2014).
- Ayache, J., Beaunier, L., Boumendil, J., Ehret, G., Laub, D. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy: Methodology. , Springer. Berlin/Heidelberg. (2010).
- Proust, G., Retraint, D., Chemkhi, M., Roos, A., Demangel, C. Electron Backscatter Diffraction and Transmission Kikuchi Diffraction Analysis of an Austenitic Stainless Steel Subjected to Surface Mechanical Attrition Treatment and Plasma Nitriding. Microsc. Microanal. 21 (4), 919-926 (2015).
- Proust, G., Retraint, D., Raoult, A. G., Demangel, C., Tchana, D., Benhayoune, H. Microstructural Characterization of a Cobalt-Chromium-Molybdenum Alloy Subjected to Surface Mechanical Attrition Treatment. Proceedings of PLASTICITY '16: The Twenty Second International Symposium on Plasticity and its Current Applications, , 46-48 (2016).
- Lu, K., Lu, J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment. Mater. Sci. Eng., A. 375-377, 38-45 (2004).
- Jacob, D. E., Piazolo, S., Schreiber, A., Trimby, P. Redox-freezing and nucleation of diamond via magnetite formation in the Earth's mantle. Nat. Commun. 7, Article number: 11891 (2016).
- Kvasnytsya, V., Wirth, R., Piazolo, S., Jacob, D. E., Trimby, P. Surface morphology and structural types of natural impact apographitic diamonds. J. Superhard Mater. 38 (2), 71-84 (2016).
