Summary
Este documento apresenta um método detalhado para caracterizar a microestrutura dos materiais de granulação e nanocristalinos ultra-finas utilizando um microscópio electrónico de varrimento equipado com um sistema de difracção de electrões retroespalhamento padrão. ligas de metais e minerais apresentam microestruturas refinadas são analisados usando esta técnica, mostrando a diversidade das suas possíveis aplicações.
Abstract
Um dos desafios na análise da microestrutura reside hoje na caracterização confiável e precisa de grãos de ultra-fina (UFG) e materiais nanocristalinos. As técnicas tradicionais associados com microscopia electrónica de varrimento (SEM), tais como a difracção de electrões de retrodifusão (EBSD), não possuem a resolução espacial necessária devido ao grande volume de interacção entre os electrões do feixe e os átomos do material. microscopia eletrônica de transmissão (TEM) tem a resolução espacial necessária. No entanto, devido a uma falta de automatização no sistema de análise, a taxa de aquisição de dados é lento que limita a área do espécime que podem ser caracterizados. Este trabalho apresenta uma nova técnica de caracterização, Kikuchi Transmissão de difraco (TKD), que permite a análise da microestrutura da UFG e materiais nanocristalinos utilizando um SEM equipada com um sistema de EBSD padrão. A resolução espacial desta técnica pode chegar a 2 nm.Esta técnica pode ser aplicada a uma grande variedade de materiais que seria difícil analisar usando EBSD tradicional. Após a apresentação da montagem experimental e descrição dos diferentes passos necessários para a realização de uma análise de TKD, os exemplos da sua utilização em ligas de metais e minerais são apresentados para ilustrar a resolução da técnica e a sua flexibilidade em termos de material a ser caracterizado.
Introduction
Uma das fronteiras de pesquisa de hoje em materiais avançados está a procurar materiais com propriedades mecânicas adaptados adequados para aplicações high-end físicas, químicas e projetar ativamente. A modificação da microestrutura do material é uma forma eficaz de adequar suas propriedades para alcançar alta performance específica. Neste paradigma, refinar o tamanho do grão dos materiais cristalinos para produzir materiais de ultra-fino granulado (UFG) ou nanocristalinos foi demonstrado ser uma técnica eficaz para aumentar a sua força de 1, 2. Tal microestrutura refinada pode ser conseguida através de processos que envolvem a deformação plástica severa 3, 4, ou através da consolidação de pós ultra-finas ou nano-sized em materiais a granel, utilizando vários processos de metalurgia do pó 5, 6. A investigação neste domínio tem sido increasing nos últimos dez anos, com os principais objectivos sendo de ampliar os processos e para compreender os mecanismos de deformação de tais materiais.
UFG e materiais nanocristalinos são, no entanto, não se limitando a aplicações modernas na ciência de materiais já que a natureza tem sua própria maneira de produzir tais materiais cristalinos refinados. zonas de falhas geológicas são conhecidos por produzir regiões nanocristalinos; embora muitas vezes assumido ser amorfo, com base em estudos de microscopia de luz, microscopia electrónica de transmissão de alta resolução (TEM) e microscopia electrónica de varrimento (MEV) têm frequentemente mostrado que os tamanhos de grão podem ser na escala de dezenas de nanómetros 7. Episódios de deformação alta taxa de deformação, como aqueles durante impactos de meteoritos, também pode produzir estruturas nanocristalinos, bem como densidades de defeitos extremamente elevados 8. Deformação nem sempre é uma exigência para nanoestruturas na natureza. Pearce et al. 9. Estruturas de casca, tais como nácar, são formados pela disposição regular de unidades cristalinas na escala de alguns 100 nm 10. Meteoritos até ter sido demonstrado que contêm estruturas de minerais UFG 11.
Seja qual for a proveniência dos materiais que possuam essas estruturas UFG ou nanocristalinos, caracterizando-los é um desafio que levou ao desenvolvimento de melhores ferramentas de caracterização em nanoescala. Um caminho promissor que tem sido investigado é microscopia eletrônica. Uma tal técnica parece perfeitamente adaptado para esta tarefa, dado que a inerentemente pequeno comprimento de onda de electrões, associada à sua utilização, oferece a possibilidade de analisar a estrutura atómica da material 12. Já foi demonstrado que Electron retroespalhamento Difracção (EBSD) pode ser utilizado para caracterizar materiais UFG com tamanhos de grão para baixo para a escala sub-micra 13, 14, 15, 16. No entanto, a resolução espacial da técnica EBSD, mesmo utilizando as actuais SEMs mais avançados, está limitado a 20 a 50 nm de acordo com o material 17. Portanto, não é surpreendente que, inicialmente, os investigadores procuraram soluções para caracterizar esses materiais com microestrutura ultra-fina usando TEM. Determinação orientação cristalográfica utilizando modos de difracção em TEM, tais como padrões de Kikuchi e padrões de manchas, pode alcançar resoluções espaciais da ordem dos 10 nm e, em alguns casos inferiores a esse valor 12, 18, 19. No entanto, algumas desvantagens têm a abelhan identificado com o uso destas técnicas, como a sua velocidade e resoluções angulares, especialmente quando comparado com as possibilidades oferecidas por EBSD 12, 19. Embora as técnicas de difracção de MET-base de precessão automatizadas podem atingir velocidades de indexação similares como EBSD, a maioria das técnicas de MET sofrem de níveis relativamente baixos de automação 19. Além disso, técnicas TEM geralmente requerem alinhamentos críticos e demorados de sistema de lentes do instrumento para obter um desempenho ideal.
Mais recentemente, o interesse se deslocou no sentido de melhorar a resolução da técnica de difracção de Kikuchi dentro do MEV, alterando a maneira como o sinal é obtida e analisada. Keller e Geiss apresentada uma nova forma de baixa energia de transmissão de difracção de Kikuchi realizada no SEM 20. O método, que deram o nome de transmissão-EBSD (t-EBSD), necessita de um detector EBSDe software associado para capturar e analisar a variação da intensidade angular em grande ângulo de dispersão para a frente de electrões em transmissão. Usando esta técnica, eles foram capazes de recolher padrões Kikuchi de nanopartículas e nano-grãos com dimensões tão baixas como de 10 nm de diâmetro. O facto dos electrões difractados analisados neste caso ir através do espécime e não são ejectados para trás a partir da superfície do espécime, provocou uma mudança na terminologia para descrever de forma mais adequada a técnica; agora é chamado de transmissão Kikuchi Diffraction ou TKD. A técnica de TKD foi otimizado por Trimby para permitir uma melhor resolução e a aquisição automática de orientação mapeia 17. Esta técnica também pode ser acoplada a espectrometria de energia dispersiva de raios X (EDS) para recolher informações químicas durante a realização da análise de orientação cristalográfica 21.
Este artigo fornece os requisitos em termos de equipamentoe espécimes para conduzir experiências de TKD, descreve as diferentes etapas necessárias para a aquisição de dados e apresenta os resultados recolhidos em quatro amostras diferentes para mostrar a extensão das possíveis aplicações da técnica. Os exemplos aqui apresentados são ligas quer metálicos que tenham sido sujeitos a deformação plástica severa para criar materiais UFG / nanocristalinos ou materiais geológicos que também tenham sido sujeitos a deformação plástica severa e apresentam microestruturas refinadas.
Protocol
1. Equipamentos e Requisitos da amostra
- Use um SEM equipado com um detector EBSD para realizar o experimento.
NOTA: Idealmente, o SEM deve ter uma fonte de emissão de campo, a fim de maximizar a resolução espacial, mas a técnica irá funcionar em qualquer tipo de SEM. - Certifique-se de que a amostra a ser analisada tem uma espessura na gama de 100 nm para resultados óptimos 17. Verifique se o espécime é fina o suficiente para ser capaz de realizar a análise TKD.
NOTA: Isto pode ser feito usando forescatter detectores, o mais fino da amostra, mais escura será usando essa técnica de imagem.- Preparar a amostra usando técnicas tradicionais de preparação da amostra de folha ETM, tais como utilizando um moinho de ondulação e, em seguida, quer electropolimento ou ião de polimento ou através da utilização da técnica de elevador-out utilizando um feixe de iões focado (FIB) se as características a serem analisados são sítio específico .
NOTA: As técnicas de preparação não são explained em pormenor aqui uma vez que não são o objecto deste documento e são as mesmas que as técnicas bem estabelecidas para a preparação da amostra 22 MET. Os usuários precisarão determinar o que a técnica de preparação de amostra apropriado é para seus próprios espécime. A informação pode ser encontrada em 22.
- Preparar a amostra usando técnicas tradicionais de preparação da amostra de folha ETM, tais como utilizando um moinho de ondulação e, em seguida, quer electropolimento ou ião de polimento ou através da utilização da técnica de elevador-out utilizando um feixe de iões focado (FIB) se as características a serem analisados são sítio específico .
2. Experimental Set-up
- Coloque a amostra sobre um suporte de amostra que permite que a amostra a ser no 20 ° relativamente à horizontal, uma vez no interior da câmara de SEM. Isto irá permitir que a amostra a ser pendurado sobre o carrossel, uma vez colocado em um positon horizontal depois de inclinar a fase por 20 ° (ver passo 2.4) para evitar efeitos de sombra durante a aquisição de dados com a câmara EBSD.
NOTA: suportes de amostras especiais foram projetados para essa finalidade e um exemplo é mostrado na Figura 1. Se a amostra for um elevador FIB a amostra em uma grade TEM, assegurar que a amostra está na superfície inferior of a rede de apoio.
Figura suporte de amostra 1. TKD. Várias amostras podem ser analisadas durante uma sessão sem a necessidade de voltar a abrir a câmara de SEM. É importante a folha MET é posicionado de tal maneira que nenhum suporte ou apoio impede que os electrões a ser difractado a partir do espécime e para ser recolhida pela câmara EBSD. Não use grades que vai interferir com o sinal coletado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- suporte de amostra lugar na câmara de SEM, fechar a câmara e iniciar a bombagem de vácuo, como para qualquer outro espécime clicando sobre bomba no separador vac.
- Utilizar na câmara de limpeza para evitar a contaminação do plasma.
NOTA: Este passo é opcional, mas altamente recomendáveled para melhorar a qualidade e confiabilidade dos dados. Se a técnica está disponível com o SEM, a limpeza deve ser feita por um par de minutos. - Inclinar a fase SEM por 20 ° no sentido horário de modo a que a amostra está agora numa posição horizontal e perpendicular ao feixe de electrões. Se a amostra não é plana e lança sombras sobre o ecrã do detector EBSD substância fosforescente (tal como quando se utiliza FIB retire amostras sobre uma grelha de suporte TEM), inclinar para trás a 10 ° ou de 0o, de forma que a amostra é inclinada para fora a partir do EBSD detector.
- Defina as condições de SEM para aquisição de dados ideal: definir a tensão de aceleração em 30 keV clicando EHT ( "Extra Alta Tensão"), selecione EHT ON para ligar a tensão de aceleração e escolheu o valor correto da EHT. Ir para o separador de abertura do painel de controlo o SEM e escolher uma abertura elevada (por exemplo 60 ou 120 uM), escolher o modo de corrente elevada ou a profundidade de campo de modo (dependendo do MEV) e ajustar a corrente de feixe adequado (cerca de 3- 4nA para uma abertura de 60 mícrons e 10-20 nA para uma abertura de 120? m).
- Traga a amostra a uma distância de trabalho de 6 a 6,5 milímetros, alterando o z-posição da amostra.
NOTA: Isso depende do SEM e da configuração do detector EBSD; a amostra deve ser posicionado logo acima do nível da parte superior da tela de fósforo. - Certifique-se de que o titular da amostra é paralelo ao eixo x do palco para evitar possíveis danos ao equipamento enquanto se move a amostra e para obter o melhor sinal.
NOTA: Não só verificar olhando a posição da amostra na câmara CCD, mover a amostra na direção x e certifique-se de que a distância com o estágio não mudou. - Mover o palco para localizar o espécime e verificar que o feixe está a atingir a amostra na posição de interesse (em que a verificação será efectuada de TKD) sobre a amostra, utilizando imagiologia de electrões secundários.
- Selecione o detector de elétrons secundários na Detector separador de painel de controlo do EPM.
- Ligue o software EBSD e inserir a câmara EBSD premindo o botão "em" na caixa de controlo da câmara EBSD a uma distância de 15 a 20 mm a partir da amostra utilizando o controlador externo ou o software.
- Se necessário para a análise, insira o detector EDS dentro da câmara, clicando no botão "in" no painel de controle da câmera da EDS. A posição óptima pode não ser o mesmo que para a análise habitual EDS, por isso olhar para a contagem de sinal, e assegurar que o tempo morto é entre 20 e 50% para a recolha de dados ideal, para determinar a posição óptima para que experimental particular configurado .
NOTA: É possível, neste caso, para ajustar a distância de trabalho para melhorar os dados EDS, mas que será à custa da qualidade dos padrões de difração coletadas pela câmera EBSD. A Figura 2 ilustra a configuração experimental para a aquisição de dados, onde tanto a câmara EBSDe o detector de EDS ter sido inserido na câmara. - Uma vez que todos os detectores são posicionados e a amostra tenha sido localizada, realizar o alinhamento do feixe, seleccionando a caixa de verificação do balanço foco na abertura de guia do painel de controlo o SEM e ajustando os botões horizontais e verticais para o alinhamento da abertura na placa de controlo. Executar ajuste de foco e a correção de astigmatismo, ajustando os botões horizontais e verticais para o stigmation na placa de controle. O objetivo desta etapa é obter a imagem mais nítida possível.
NOTA: Durante a coleta de dados EDS certifique-se de escolher o suporte da amostra correta para dados confiáveis. Não use um pegador de amostra feita do mesmo material que está sendo analisada caso contrário, será impossível diferenciar o sinal proveniente da amostra do sinal proveniente do suporte da amostra e certifique-se que não há sobreposição dos picos de difração a partir do material que está sendo analisado e a partir do qual o suporte de amostras é loucoe.
Figura 2. Montagem experimental. O espécime está numa posição horizontal, depois da rotação do palco. Isto limita a interferência da fase e do carrossel com o sinal que vai ser recolhida no ecrã de fósforo da câmara EBSD. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. EBSD parâmetros de software para aquisição de dados
NOTA: Os parâmetros de aquisição de dados são diferentes para sistemas específicos EBSD comercialmente disponíveis. Esta seção é escrito como geralmente possível, mas alguns dos nomes e valores dos parâmetros dados aqui são apenas apropriado se um usa o software EBSD mencionado na Lista de Materiais, e os usuários de sistemas diferentes irá need para ajustar esses parâmetros de acordo com o seu próprio sistema. A maioria destes passos são exatamente o mesmo que para uma experiência EBSD normal.
- Certifique-se de que a geometria amostra no software EBSD reflete o fato de que a amostra está na posição horizontal. Assegure-se que o valor total do inclinação é 0 °. Se não, adicionar uma temperatura de -20 ° valor pré-de inclinação na guia geometria espécime.
- Seleccionar a fase (s) (o qual elemento ou composto) para ser analisada como para uma experiência normal de EBSD no separador de fase.
- Capturar uma imagem usando o software EBSD na guia imagem digitalizada, clicando em Iniciar.
NOTA: Forescatter detectores montados abaixo tela de fósforo o detector EBSD pode ser utilizada para produzir uma imagem de campo escuro, auxiliando na identificação de regiões de interesse e sítios finos. - Ajustar as configurações da câmera EBSD para uma aquisição de dados ideal, otimizando os valores de ganho e exposição até que a imagem é brilhante, mas não saturado, como para um experim EBSD normaisotorrinolaringológico, na guia padrão de otimização.
NOTA: Este passo é dependente da amostra e a sua qualidade (espessura e acabamento de superfície). - Colete um fundo no separador padrão de otimização, clicando sobre a cobrar. Assegurar que os grãos são suficientes presentes no momento da recolha de fundo mediante o ajuste da ampliação, embora seja importante para digitalizar através de uma região com espessura semelhante à área a ser analisada.
- Verifique a qualidade dos padrões uma vez que o fundo foi subtraído, garantindo que estáticas opções de fundo e fundo auto tiverem sido verificados.
- Embora eles vão olhar distorcida devido à geometria especial do set-up, assegurar que as bandas de difração são claramente visíveis (ver Figura 3). Integrar quadros sucessivos na câmara EBSD para melhorar a relação sinal-ruído na imagem desde a intensidade luminosa do padrão de difração na tela de fósforo é baixa.
- Se a qualidade dos padrões não é bomsuficiente, alterar a configuração da câmara (ajustar o ganho e a exposição) ou alterar o tamanho da abertura do SEM (usar uma abertura maior, se possível). Ele também pode ser devido aos espécime ser demasiado espessa, caso em que diluindo o espécime é a única solução (dependendo do espécime isto pode ser feito usando um FIB ou desbaste de iões).
Figura 3. Padrão de difracção de Kikuchi obtido por TKD. O padrão parece distorcido em relação a um padrão obtido por EBSD tradicional e o centro do padrão foi deslocado para baixo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Otimizar o solver para reconhecimento de padrões e melhorar a taxa de indexação, indo para a guia otimizar solver.
NOTA: No tele software utilizado aqui, duas opções estão disponíveis para melhor TKD padrão de indexação: TKD Optimized ou precisão refinado. Recomenda-se usar a opção de TKD otimizado quando os padrões de difração são altamente binned; para os padrões de resolução mais alta (por exemplo, 336 x 256 pixels ou superior), o modo de precisão refinada funciona melhor. - Se uma análise de alta resolução é necessária (um tamanho de passo de 5 nm ou menor) deixar a amostra na presente configuração, durante 30 a 60 minutos, para melhorar a estabilidade e vácuo de feixe térmico. Não deixe o feixe embora na região de interesse.
- Antes de iniciar a aquisição de dados, ajustar novamente o foco e corrigir o astigmatismo do SEM repetindo o passo 2.11.
- Defina os parâmetros (tamanho e tamanho do mapa etapa) para a aquisição de mapa na Acquire guia mapa de dados.
NOTA: O tamanho de passo pode ser tão baixo como 2 nm, se necessário e se o espécime é de alta qualidade. - Comece a aquisição mapa pressionando o botão de arranque no Acquireseção no mapa de dados.
NOTA: A análise dos dados será realizada exatamente da mesma forma que para uma varredura normal EBSD, não são necessários ajustes. Diferentes tipos de mapa podem ser obtidas a partir dos dados. Euler, contraste banda, figura inversa pólo, mapas de fases podem ser obtidos a partir dos dados recolhidos. figuras de pólo também pode ser tirado a partir destes dados.
Representative Results
Os dados aqui apresentados foram coletados usando o, sistema de EBSD SEM e softwares mencionados na Lista de Materiais. Dependendo das características de interesse, as verificações foram executados com diferentes tamanhos de passo e o tamanho específico passo é indicado para cada espécime mostrados neste trabalho.
Os dois primeiros exemplos de aplicação TKD aqui apresentados estão relacionados com refinamento de grão de ligas metálicas, a fim de aumentar as suas propriedades mecânicas. Os aços inoxidáveis e ligas de cobalto-crómio-molibdénio são comumente utilizados para aplicações biomédicas devido à sua elevada resistência à corrosão, boas propriedades mecânicas sob carga estática e biocompatibilidade 23, 24. No entanto, ambos estes materiais têm desvantagens: os aços inoxidáveis têm baixa dureza e resistência ao desgaste, enquanto as ligas de Co-Cr-Mo podem falhar devido a fenómenos de tribocorrosão. Uma maneira to abordar de curto vindas desses materiais é mudar as suas propriedades de superfície por refinamento microestrutura. de aço inoxidável e as amostras de liga de Co-Cr-Mo foram submetidos a mecânico de superfícies de Atrito de Tratamento (SMAT), que é um tratamento de superfície, que gera, por deformação grave de plástico, uma camada de superfície nanocristalino que aumenta a superfície mecânica, tribológico, e as propriedades de corrosão de materiais a granel, sem alterar a sua composição química 25. Usando TKD, a microestrutura abaixo da superfície tratada foi analisado para os diferentes materiais para conectar-se a mudança de microestrutura para as propriedades melhoradas.
Caracterização microestrutura usando TKD provou que submeter um espécime de aço inoxidável para SMAT criado uma região, 1 um de espessura abaixo da superfície tratada, onde uma mistura de nano-grãos equiaxiais e nano-grãos ligeiramente alongadas estavam presentes 23.A Figura 4 apresenta uma das análises TKD que foram executados em uma amostra tratada. O espécime de TKD foi preparado usando um FIB como a área de interesse foi apenas à superfície da amostra. A Figura 4 mostra que, na primeira região abaixo da superfície tratada, os grãos equiaxiais são menores do que 100 nm de diâmetro, enquanto os grãos alongados espessuras presentes de 100 a 200 nm para comprimentos que podem chegar a 500 nm. Abaixo desta primeira região, uma região UFG de grãos de tamanho alongado sub-micron também pode ser visto na figura. Esta foi a primeira vez que a região de nano-grão foi adequadamente caracterizado por um espécime sujeito a SMAT. Para efeitos de comparação, uma outra amostra de aço inox sujeito a SMAT foi analisada utilizando EBSD tradicional e os resultados de uma das análises são mostrados na Figura 5. Tanto a banda de contraste e mapas IPF mostrar a presença de uma região UFG na superfície. No entanto, embora um tamanho de passo de 15 nm foi utilizado para executar a verificação, o grão s em que a região não podem ser indexados com sucesso devido ao volume maior interacção que é analisada em cada local durante a verificação. Isto mostra o limite da técnica EBSD para caracterizar UFG e materiais nanocristalinos.
Figura 4. Os dados TKD recolhidos a partir de um espécime de aço inoxidável depois de SMAT. Os dados foram recolhidos utilizando um tamanho de passo de 5 nm de 100 a 120 nm de espessura da amostra. (A) Bandas mapa contraste que dá uma indicação da qualidade do padrão recolhido (o mais claro o cinzento melhor o padrão); (B) Inverso de pólo Figura (FPI) mapa que mostra as diferentes orientações cristalográficas dos grãos de acordo com o esquema de cor representado à direita do mapa. A superfície tratada está no topo dos mapas.arget = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Dados de EBSD recolhidos a partir de um espécime de aço inoxidável depois de SMAT. Os dados foram recolhidos utilizando um passo de 15 nm. (A) mapa contrato da faixa; Mapa (b) FPI. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 6 ilustra os resultados da caracterização de TKD de uma amostra de liga de Co-Cr-Mo submetido a SMAT. O espécime TKD foi preparado usando um FIB e a área analisada estava localizada aproximadamente 10 m abaixo da superfície tratada. Os resultados mostram que um refinamento da microestrutura ocorreu através de transformação de fase 24. Inicialmente, o material possuía uma única fase cúbica de face centrada (FCC) e tinha um tamanho médio de grão de 10 um. A Figura 6 mostra que duas fases nesta região deformada estão presentes: (PCH) ripas hexagonal bem compactada são vistos no interior dos grãos de FCC. A espessura destas ripas pode ser tão pequena como 10 a 20 nm. Este refinamento da microestrutura explica o aumento de três vezes na dureza medida do material logo abaixo da superfície tratada 24.
Figura 6. Dados de TKD recolhidos a partir de uma amostra de liga de cobalto-cromo-molibdênio após SMAT. Os dados foram recolhidos utilizando um tamanho de passo de 5 nm de 100 a 120 nm de espessura da amostra. (A) mapa contraste da faixa; (B) fase mapa que mostra a distribuição das duas fases presentes na liga após a deformação plástica, o vermelhocor representa a fase de HCP, enquanto a cor azul mostra a fase de FCC; (C) FPI mapa que mostra as diferentes orientações cristalográficas dos grãos da fase HCP de acordo com o esquema de cores representada na esquerda do mapa; (D) FPI mapa que mostra as diferentes orientações cristalográficas dos grãos da fase de FCC de acordo com o esquema de cor representado à direita do mapa. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os dois últimos exemplos aqui apresentados estão relacionados com o campo da geologia. estruturas sub-micron podem estar presentes em minerais devido à deformação plástica severa eles são submetidos a dentro do manto da Terra ou durante terramotos, por exemplo. Estes materiais podem apresentar altas densidades de discordâncias que fazem a sua caracterização através tradiçãoal EBSD impossível. estudo detalhado da sua microestrutura é no entanto fundamental para determinar o fundo destes minerais e entender os processos físicos diferentes química e à qual foram submetidos. Por exemplo, é possível acompanhar o ciclo do carbono no interior da Terra estudando diamantes e suas inclusões. A Figura 7 ilustra um desses estudos, onde Jacob et al. investigaram a microestrutura e a composição das inclusões FeNi-sulfureto em um agregado de diamante policristalino que exibe um nanogranular magnetite corona reacção 26. A análise de TKD revelaram a distribuição das diferentes fases presentes na amostra (Figura 7b), e mostraram os nano-estruturas da magnetite (Figura 7a). Por acoplamento com TKD EDS, a distribuição dos diferentes elementos (aqui mostram apenas distribuições de Fe e Cu nas Figuras 7c e d) dentro th foi determinada e diferentes fases. O estudo mostrou que o diamante e formado nucleadas por uma reacção redox envolvendo o fluido formador de diamante e o sulfureto FeNi que formada de magnetite e 26 de diamante.
Figura 7. TKD e dados de EDS recolhidos a partir de inclusões FeNi-sulfureto em um agregado de diamante policristalino. Os dados foram recolhidos utilizando um tamanho de passo de 10 nm em uma amostra de 80 a 100 nm de espessura. (A) mapa contraste da faixa; (B) fase mapa que mostra a distribuição das diferentes fases presentes na amostra, diamante é indicado em amarelo, vermelho em magnetite, pirrotite em verde e calcopirite em azul; (C) composição química mapa que mostra a distribuição de Fe na amostra; (D) composição química mapa que mostra a distribuição de Cu no espécime.ef = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Muitas amostras geológicas são submetidos a alta deformação plástica, embora isso não seja sempre associada a processos tectônicas da Terra. Estruturas de impacto são observados em muitas crateras de meteoritos na superfície da Terra, ocasionalmente associada com altas pressões suficientes para transformar grafite em diamante 27. A estrutura destes diamantes é altamente deformadas com densidades muito elevadas de luxação, devido ao impacto de alta energia causada pela meteoritos. A Figura 8 mostra um exemplo de um diamante impacto caracterizado usando TKD. A grande deformação plástica visto pelo espécime explica a presença de grãos de tamanho sub-micron, uma elevada proporção de gémeos (ver Figura 8b) e gradientes de orientações cristalográficas within os grãos (estes gradientes estão devido a elevadas densidades de deslocamento dentro dos grãos).
Figura 8. Os dados recolhidos a partir de uma TKD diamante impacto de meteoritos. Os dados foram recolhidos utilizando um tamanho de passo de 10 nm em uma amostra de 80 a 100 nm de espessura. (A) Bandas mapa inclinação dá uma indicação da qualidade do padrão recolhido (o mais claro o cinzento melhor o alinhador); (B) IPF mapa mostrando as diferentes orientações cristalográficas dos grãos de acordo com o esquema de cores representadas na direita do mapa. As linhas vermelhas representam limites individuais, com uma rotação de 60 ° sobre <111>. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
Todos os dados apresentados neste documento foram obtidos utilizando um padrão, sistema EBSD comercial. Tal sistema está disponível em muitos laboratórios ao redor do mundo, o que significa que esta técnica pode ser facilmente aplicado nestes laboratórios sem ter que fazer qualquer investimento adicional. Nenhuma modificação na configuração do SEM e nenhum software adicionais são necessários para utilizar o sistema para recolher dados EBSD TKD. Portanto, a transição de EBSD tradicional para TKD é muito fácil. A taxa de aquisição de dados para TKD é semelhante ao de EBSD, que atualmente atinge até cerca de 1.000 padrões / s 19. Esta taxa elevada é parcialmente devido ao nível muito elevado de automação da técnica, incluindo calibração para a posição de centro padrão e mudança centro padrão durante a análise 19. TKD irá beneficiar de todas estas vantagens. Além disso, como TKD EBSD, pode ser acoplado facilmente com EDS para obter química adicionalinformações (ver Figura 7).
A preparação da amostra é muito importante para obter dados em TKD, portanto, o tempo deve ser gasto no passo 1.2 para assegurar que a amostra é suficientemente fina para ser analisado. Caso contrário, existe nenhum ponto no início da experiência. Corretamente definindo os parâmetros do SEM é fundamental na obtenção de dados confiáveis. Os utilizadores devem prestar especial atenção aos passos 2,5 e 2,11 e os valores para os parâmetros indicados no protocolo pode necessitar de ser ajustada para SEM, sistemas e espécimes EBSD específicos. Os parâmetros para optimizar o padrão de reconhecimento (passo 3.7) são também muito importante para garantir uma boa qualidade dos dados recolhidos. Estes parâmetros precisam ser testados para vários padrões em diferentes regiões da área a ser digitalizada para se certificar de que toda a área de interesse podem ser digitalizados adequadamente com uma taxa de indexação alta.
Os diferentes exemplos apresentados neste documento confirmam a alta resoluçãocapacidade da técnica em comparação com EBSD tradicional. Apesar do progresso feito com o hardware e o software dos sistemas de SEM e EBSD, a resolução da técnica EBSD não pode atingir valores inferiores a 20 nm para materiais de elevada densidade 17, o que significa que caracterizar características menores do que 50 nm de estes materiais será impossível. Trabalhando com materiais menos densos irá aumentar o tamanho do resolúvel menor para a marca de 100 nm. A Figura 6b mostra que é possível utilizar TKD para caracterizar características, tais como as ripas HCP presentes nas ligas de Co-Cr-Mo deformadas, que são tão pequenos quanto 10 e 20 nm, tal como a resolução espacial da técnica pode ser tão partir de 2 nm, 17.
materiais geológicos são geralmente não condutor ou semi-condutor, que muitas vezes levanta algumas dificuldades quando eles precisam ser caracterizadas utilizando EBSD tradicional. Este problema não se apresenta ao mesmo tempo ucantar TKD. O volume de interacção durante a análise é tão pequeno dada a geometria fina do espécime que não há nenhum problema de condutividade. Este volume interacção pequeno é também uma vantagem ao trabalhar com materiais altamente deformadas como densidades normalmente elevados de deslocamento faz com que seja impossível a obtenção de padrões que podem ser indexados usando EBSD tradicional. Como pode ser visto na Figura 8, o diamante altamente deformadas podia ser caracterizada utilizando TKD apesar das elevadas densidades de deslocamento apresentam nos seus grãos.
Uma limitação da técnica refere-se a preparação da amostra. É mais difícil para obter uma boa amostra para TKD do que é para EBSD. As técnicas de preparação de amostra são as mesmas que para a preparação da amostra MET, o que significa que eles são difíceis e demoradas. Encontrar a área correta para analisar também é um desafio que pode ser abordada através de técnicas específicas do local, tais como usando um FIB se é adequado para o tipo de amostra a serestudou. A resolução espacial é melhorada de forma bastante significativa com TKD em comparação com EBSD, mas ainda não é tão bom quanto o que pode ser alcançado usando TEM 17, 19.
Este trabalho demonstrou que TKD é uma técnica valiosa para caracterizar nanocristalinos e UFG materiais provenientes de diversas origens. A sua facilidade de aplicação, velocidade, resolução e flexibilidade em termos de condutividade superam a dificuldade na preparação de amostras. O futuro da técnica reside na na caracterização in situ. Ao utilizar um equipamento de teste in situ mecânica durante a realização de análise de TKD, será possível observar a forma como estes nano- e micro-estruturas ultra-finas mudar sob carga externa. Isto irá aumentar o nosso conhecimento sobre os mecanismos de deformação de materiais nanocristalinos e 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).
