Karakterisering av Ultra-finkornet og nanocrystalline materialer Bruke Sende Kikuchi Diffraksjon

Engineering
 

Summary

Dette papir gir en detaljert fremgangsmåte for å karakterisere mikrostrukturen av ultra-finkornede og nanokrystallinske materialer ved anvendelse av et scanning elektronmikroskop utstyrt med en standard elektron tilbakesprednings diffraksjon system. Metallegeringer og mineraler som presenterer raffinerte mikrostrukturer blir analysert ved bruk av denne teknikken, som viser et mangfold av dens mulige anvendelser.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Proust, G., Trimby, P., Piazolo, S., Retraint, D. Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction. J. Vis. Exp. (122), e55506, doi:10.3791/55506 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

En av utfordringene ved mikroanalyse i dag består i pålitelig og nøyaktig karakterisering av ultra finkornet (ufg) og nanokrystallinske materialer. Den tradisjonelle teknikker forbundet med scanning elektronmikroskopi (SEM), så som elektron-tilbakespredning diffraksjon (EBSD), ikke har den nødvendige romlig oppløsning på grunn av det store volum interaksjonen mellom elektroner i strålen og atomene av materialet. Transmisjonselektronmikroskopi (TEM) har ønsket romlig oppløsning. Imidlertid, på grunn av en mangel av automatisering i analysesystemet, er frekvensen av datainnsamlings langsom som begrenser det område av prøven som kan karakteriseres. Dette papir presenterer en ny karakteristikk teknikk, Transmission Kikuchi diffraksjonstomografi (TKD), som muliggjør analyse av mikrostrukturen av UFG og nanokrystallinske materialer ved bruk av et SEM utstyrt med en standard EBSD system. Den romlige oppløsning av denne teknikken kan komme opp i 2 nm.Denne teknikken kan anvendes på et stort utvalg av materialer som ville være vanskelig å analysere ved hjelp av tradisjonell EBSD. Etter presentasjon av forsøks satt opp og beskrive de forskjellige trinnene som er nødvendige for å realisere en TKD analyse, er eksempler på bruken av metall-legeringer og mineraler vist for å illustrere oppløsning av teknikken og dens fleksibilitet på sikt av materialet som skal karakteriseres.

Introduction

En av dagens forsknings grenser i avanserte materialer søker aktivt å designe materialer med skreddersydde fysiske, kjemiske og mekaniske egenskaper egnet for high-end applikasjoner. Modifiseringen av materialets mikrostruktur er en effektiv måte å skreddersy egenskapene til nå spesifikk høy-ytelsesvæskekromatografi. I dette paradigmet, raffinering av kornstørrelsen til krystallinske materialer for å produsere ultra-fine kornet (UFG) eller nanokrystallinske materialer har vist seg å være en effektiv teknikk for å øke deres styrke 1, 2. En slik raffinerte mikrostrukturen kan oppnås ved fremgangsmåter som omfatter alvorlig plastisk deformasjon 3, 4, eller ved å konsolidere ultrafine eller nano-størrelse pulver til bulkmaterialer ved hjelp av ulike pulvermetallurgi prosesser 5, 6. Forskningen på dette feltet har vært increasing de siste ti årene, med hovedmålene er å skalere opp prosessene og å forstå deformasjonsmekanismer av slike materialer.

UFG og nanocrystalline materialer er imidlertid ikke begrenset til moderne programmer innen materialvitenskap siden naturen har sin egen måte å produsere slike raffinerte krystallinske materialer. Geologiske forkastningslinjer soner er kjent for å produsere nanocrystalline regioner; selv om det ofte antatt å være amorf på grunnlag av lys mikroskopistudier, analyser med høy oppløsning transmisjons-elektronmikroskopi (TEM) og scanning elektronmikroskopi (SEM), har ofte vist at kornstørrelser kan være på skalaen fra titalls nanometer 7. Høye tøyningsrate deformasjoner episoder, som de som i løpet av meteoritt virkninger, kan også produsere nanocrystalline strukturer samt ekstremt høye tettheter defekter 8. Deformasjon er ikke alltid et krav for nanostrukturer i naturen. Pearce et al. 9. Skallkonstruksjoner, slik som perlemor, er dannet av fast arrangement av krystallinske enheter på skalaen på noen få hundre nm 10. Selv meteoritter har vist seg å inneholde ufg mineralstrukturer 11.

Uansett proveniens av materialer med disse Ufg eller nanocrystalline strukturer, karakteriserer dem en utfordring som har bedt utvikling av bedre karakterisering verktøy på nanonivå. En lovende vei som har blitt undersøkt er elektronmikroskopi. En slik teknikk vises er perfekt tilpasset for denne oppgaven, fordi den i seg selv liten elektron bølgelengde, i forbindelse med dens bruk, gir mulighet til å analysere atomstrukturen til det material 12. Det har allerede blitt vist at Electron Backscatter Diffraction (EBSD) kan brukes til å karakterisere ufg materialer med kornstørrelser ned til sub-mikron skala 13, 14, 15, 16. Imidlertid er den romlige oppløsningen av EBSD teknikk, selv ved bruk av de nåværende mest avanserte SEM, er begrenset til 20 til 50 nm, avhengig av materialet 17. Det er derfor ikke overraskende at i utgangspunktet, forskere søkt løsninger for å karakterisere disse materialer med ultra-fine mikrostruktur ved hjelp av TEM. Krystallografisk orientering bestemmelse ved hjelp av diffraksjon modi i TEM, som Kikuchi mønstre og stikk mønstre kan nå romlig oppløsning i størrelsesorden 10 nm, og i noen tilfeller under den verdi 12, 18, 19. Men noen ulemper har been er identifisert ved anvendelse av disse teknikkene, slik som deres hastighet og vinkel oppløsninger, spesielt sammenlignet med de muligheter som EBSD 12, 19. Selv om automatiske presesjonsbaserte TEM-diffraksjonsteknikker kan oppnå tilsvarende indekseringshastighet som EBSD, de TEM-teknikkene beheftet med forholdsvis lave nivåer av automatisering 19. I tillegg TEM-teknikker krever generelt kritiske og tidkrevende innretning av instrumentets linsesystem for å oppnå optimal ytelse.

I den senere tid har interessen skiftet mot å forbedre oppløsning av det Kikuchi diffraksjonsteknikk innen SEM, ved å endre måten signalet blir oppnådd og analysert. Keller og Geiss presentert en ny form av lav-energioverføring Kikuchi diffraksjon utført i SEM 20. Metoden, som de kalte overføring-EBSD (t-EBSD), nødvendiggjør en EBSD detektorog tilhørende programvare for å registrere og analysere vinkelintensitetsvariasjon i stor vinkel forover spredning av elektroner i overføringen. Med bruk av denne teknikken, var de i stand til å samle Kikuchi mønstre fra nanopartikler og nano korn med størrelser ned til 10 nm i diameter. Det faktum at de avbøyde elektroner analysert i dette tilfellet gå gjennom prøven og er ikke kommet tilbake fra overflaten av prøven, førte til en endring i terminologien til mer hensiktsmessig å beskrive teknikken; det nå kalles Transmission Kikuchi diffraksjon eller TKD. Den TKD Teknikken ble optimalisert ved Trimby for å gi bedre oppløsning og den automatiske innsamling av Orienterings 17. Denne teknikken kan også være kombinert med energi dispersiv røntgenspektroskopi (EDS) for å samle kjemisk informasjon under utførelsen av den krystallografiske orientering analyse 21.

Dette papiret gir kravene i form av utstyrog prøver å gjennomføre TKD eksperimenter, beskriver de forskjellige trinn som er nødvendige for datainnhenting, og presenterer resultatene som er samlet på fire forskjellige prøver for å vise omfanget av mulige anvendelser av teknikken. Eksemplene som er presentert her, er enten metalliske legeringer som er blitt utsatt for alvorlig plastisk deformasjon for å skape ufg / nanokrystallinske materialer eller geologiske materialer som også er blitt utsatt for alvorlig plastisk deformasjon og tilstedeværende raffinerte mikrostrukturer.

Protocol

1. Utstyr og Sample Krav

  1. Bruk en SEM utstyrt med en EBSD detektor for å utføre forsøket.
    MERK: Ideelt SEM bør ha et felt utslippskilde for å maksimere romlig oppløsning, men teknikken vil fungere på alle typer SEM.
  2. Sikre at prøven som skal analyseres har en tykkelse i området fra 100 nm for optimale resultater 17. Kontroller at prøven er tynn nok til å være i stand til å utføre TKD analyse.
    MERK: Dette kan gjøres ved hjelp forescatter detektorer, jo tynnere prøven, jo mørkere det skal bruke som avbildningsteknikk.
    1. Forberede prøven ved hjelp av tradisjonelle teknikker for TEM folie prøvepreparering, så som ved anvendelse av en dimple kvern og deretter enten elektropolering eller ion polering eller ved hjelp av heisen ut teknikken ved anvendelse av en fokusert ionestråle (FIB) hvis funksjoner som skal analyseres, er setespesifikk .
      MERK: fremstillingsteknikker er ikke Explained i detalj her da de ikke er gjenstand for dette papir, og er de samme som de veletablerte teknikker for TEM prøvepreparering 22. Brukerne må finne ut hva den aktuelle prøveopparbeidelse teknikk er for sine egne prøven. Informasjon kan finnes i 22.

2. Eksperimentell Set-up

  1. Plasser prøven på en prøveholder som tillater prøven å være på 20 ° fra horisontalen når innsiden SEM kammeret. Dette vil tillate prøven å bli hengende over karusellen en gang plassert i en horisontal kroppsposisjon etter vipping av scenen ved 20 ° C (se trinn 2.4) for å unngå skyggeeffekter i løpet av datainnhenting med EBSD kameraet.
    MERK: Spesielle prøveholdere er konstruert for dette formålet og et eksempel er vist i figur 1. Dersom prøven er en FIB heis ut prøven på en TEM gitter, sikre at prøven er på den nedre overflate of støttenettet.

Figur 1
Figur 1. TKD prøveholderen. Flere prøver kan analyseres i løpet av en sesjon uten behov for å gjenåpne SEM kammeret. Det er viktig at TEM folien er posisjonert på en slik måte at det ikke holder eller støtte hindrer at elektronene som skal avbøyes fra prøven, og for å hentes av EBSD kameraet. Ikke bruk rutenett som vil forstyrre samlet signal. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Prøven holderen i SEM kammer, lukker kammeret og starte vakuum pumpe som for alle andre prøven ved å klikke på pumpen i fanen vac.
  2. Bruk i-kammer plasma rengjøring for å hindre forurensning.
    MERK: Dette trinnet er valgfritt, men anbefalered å forbedre datakvaliteten og påliteligheten. Dersom teknikken er tilgjengelig med SEM, bør rengjøring gjøres i et par minutter.
  3. Vippe SEM trinnet ved 20 ° med urviseren, slik at prøven er nå i en horisontal posisjon og vinkelrett på elektronstrålen. Hvis prøven ikke er plan og kaster skygger på EBSD detektoren fosforskjerm (slik som ved bruk av FIB løfte ut prøver på en TEM støttenettet), vipper tilbake til 10 ° eller 0 °, slik at prøven er vippet bort fra EBSD detektor.
  4. Sett SEM betingelsene for optimal datainnsamling: sette akselererende spenning på 30 keV ved å klikke EHT ( "Ekstra høy Tension"), velger EHT PÅ for å slå på akselerasjonsspenning og valgte den riktige verdien av EHT. Gå til kategorien åpning av SEM kontrollpanelet og velge en høy åpning (for eksempel 60 eller 120 pm) ved å velge den høye strømmodus eller feltdybden modus (avhengig av SEM) og innstilling av ønsket strålestrømmen (omtrent 3- 4nA for en 60 um åpning og 10-20 nA for en 120-um åpning).
  5. Bringe prøven ved en arbeidsavstand på 6 til 6,5 mm ved å endre z-posisjonen av prøven.
    MERK: Dette er avhengig av SEM og konfigurasjonen av EBSD detektor; prøven bør være plassert like over nivået av toppen av fosforskjerm.
  6. Sørge for at prøveholderen er parallell med x-aksen for trinnet for å unngå enhver mulig skade på utstyr under bevegelse av prøven, og for å få den optimale signal.
    MERK: Ikke bare sjekke ved å se på prøven posisjon på CCD-kamera, flytte prøven i x-retning og sørge for at avstanden til scenen ikke er endret.
  7. Flytt trinn for å lokalisere prøven og verifisere at strålen treffer prøvestykket i en posisjon av interesse (hvor TKD skanningen blir utført) på prøven ved hjelp sekundærelektronavbildning.
    1. Velge sekundærelektrondetektor i Detector fliken av den SEM kontrollpanelet.
  8. Slå på EBSD programvare og sette inn EBSD kameraet ved å trykke på "i" -knappen på kontrollboksen for EBSD kameraet til en avstand på 15 til 20 mm fra prøven ved hjelp av ytre regulator eller programvaren.
  9. Hvis det er nødvendig for analysen, setter EDS detektoren inne i kammeret ved å klikke "på" -knappen på EDS kontrollpanelet på kameraet. Den optimale stilling kan ikke være det samme som for den vanlige EDS analyse, så se på signalet teller, og at den døde tid mellom 20 og 50% for optimal datasamling, for å bestemme den optimale posisjon for den spesielle eksperimentelle oppstilling .
    MERK: Det er mulig i dette tilfellet å justere arbeidsavstanden til å forbedre EDS data, men det vil gå på bekostning av kvaliteten på diffraksjonsmønsterne samlet inn av EBSD kameraet. Figur 2 viser det eksperimentelle konfigurasjonen for datainnhenting, hvor både EBSD kameraetog EDS-detektor er satt inn i kammeret.
  10. Når alle detektorene er plassert og prøven har vært plassert, utføre stråleinnstilling ved å velge Focus Wobble boksen på fliken åpning av SEM kontrollpanelet og justering av horisontale og vertikale knotter for åpningen innretting på styrekortet. Utføre fokuseringsjustering og astigmatismen korreksjon ved å justere den horisontale og vertikale knotter for stigmation på styrekortet. Hensikten med dette trinn er å oppnå den skarpest mulig.
    MERK: Mens samle EDS data sørg for å velge riktig prøveholder for pålitelige data. Ikke bruk en prøveholder laget av det samme materialet som analyseres ellers vil det være umulig å skille det signal som kommer fra prøven fra det signal som kommer fra prøveholderen, og sørge for at det ikke er noen overlapping av diffraksjonstoppene fra materialet som blir analysert og fra hvilken prøveholderen er gale.

Figur 2
Figur 2. Forsøks oppsett. Prøven er i en horisontal stilling etter dreining av scenen. Dette begrenser innblanding av scenen og karusellen med signalet som skal bli samlet på fosforskjermen i EBSD kameraet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. EBSD Programvare Parametere for datainnsamling

MERK: datainnsamlingsparametere er forskjellig for spesifikke kommersielt tilgjengelige EBSD systemer. Denne delen er skrevet som generelt som mulig, men noen av navnene og verdiene av parametrene gitt her er bare aktuelt hvis man bruker EBSD programvaren som er nevnt i Materials List, og brukere av ulike systemer vil need å justere disse parametere i henhold til sitt eget system. De fleste av disse trinnene er nøyaktig den samme som for en vanlig EBSD eksperiment.

  1. Sørg for at prøven geometri i EBSD programvare gjenspeiler det faktum at prøven er i horisontal stilling. Sørge for at den totale hellingsverdien er 0 °. Hvis ikke, tilsett en -20 ° pre-hellingsverdien i fanen prøven geometri.
  2. Velge fasen (e) (som element eller forbindelse) for å bli analysert som for en normal EBSD eksperiment i fanen fase.
  3. Ta et bilde ved hjelp av EBSD programvaren i skannebildet kategorien ved å klikke på start.
    MERK: Forescatter detektorer som er montert under den EBSD detektoren fosforskjerm kan anvendes for å fremstille et mørkt felt bilde, hjelpe til med identifisering av tynne områder og områder av interesse.
  4. Justere innstillingene av EBSD kamera for en optimal datainnsamlingen ved å optimalisere forsterknings og eksponeringsverdiene til bildet er lyse, men ikke overeksponert, som for en normal EBSD experiment, i kategorien optimalisering mønster.
    MERK: Dette trinnet er avhengig av prøvestykket og dets kvalitet (tykkelse og overflate).
  5. Samle bakgrunn i kategorien optimalisering oppskriften ved å trykke på collect. Sikre at et tilstrekkelig korn er til stede for bakgrunnen samling ved å justere forstørrelse, selv om det er viktig å skanne over en region med lik tykkelse til området som skal analyseres.
  6. Sjekk kvaliteten på mønstrene når bakgrunnen er trukket ved at statisk bakgrunn og auto bakgrunnsalternativer er kontrollert.
    1. Selv om de vil se ut forvrengt på grunn av den spesielle geometri av set-up, sørge for at diffraksjon band er klart synlig (se figur 3). Integrere suksessive rammer i EBSD kameraet for å forbedre signal-til-støy-forholdet i bildet siden belysningsstyrken til diffraksjonsmønsteret på fosforskjermen er lav.
    2. Hvis kvaliteten av mønstrene er ikke branok, vil endre kamerainnstilling (justerer forsterkningen og eksponering) eller endre åpningsstørrelsen av SEM (bruke en større åpning hvis mulig). Det kan også være på grunn av prøven å være for tykk, i hvilket tilfelle tynning av prøven er den eneste løsningen (avhengig av prøven dette kan gjøres ved hjelp av en FIB eller ion tynning).

Figur 3
Figur 3. Kikuchi diffraksjonsmønster oppnådd ved TKD. Mønsteret er forvrengt i forhold til et mønster som oppnås ved tradisjonelle EBSD og mønsteret senteret har blitt forskjøvet nedover. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Optimaliser løser for mønstergjenkjenning, og for å forbedre den indekserhastigheten ved å gå til fanen optimalisere løser.
    MERK: I tHan programvaren som brukes her, to alternativer er tilgjengelige for bedre TKD mønster indeksering: Optimalisert TKD eller Raffinert Nøyaktighet. Det anbefales å bruke Optimalisert TKD alternativet når diffraksjonsmønsterne er høyt binned; for høyere oppløsning mønstre (for eksempel 336 x 256 piksler eller høyere), det raffinerte presisjonsmodus fungerer best.
  2. Hvis det kreves en høyoppløsnings-analyse (en trinnstørrelse på 5 nm eller mindre) la prøven i den foreliggende omgivelser for 30 til 60 minutter for å forbedre vakuum og termisk stabilitet bjelke. Ikke la strålen selv på regionen av interesse.
  3. Før datainnsamlingen, justerer på nytt fokus og korrigere astigmatisme av SEM ved å gjenta trinn 2,11.
  4. Sett parametrene (trinnstørrelse og størrelsen på kartet) for kartet oppkjøpet i kategorien bruke kartdata.
    MERK: trinnstørrelsen kan være så lav som 2 nm hvis nødvendig, og hvis prøven er av høy kvalitet.
  5. Start kartet oppkjøpet ved å trykke på startknappen i AcquireKategorien kartdata.
    MERK: dataanalyse skal gjennomføres på samme måte som for en vanlig EBSD scan, ingen justeringer er nødvendig. Forskjellige typer av kart kan oppnås fra dataene. Euler, bånd kontrast, invers pol figur, fase kartene kan alle bli oppnådd fra de innsamlede dataene. Pole tall kan også trekkes fra disse data.

Representative Results

Dataene som presenteres her er samlet inn ved hjelp av SEM, EBSD system og programvare nevnt i Materials List. Avhengig av funksjoner av interesse, ble skanninger kjøre med forskjellige trinn størrelser og den spesifikke trinnstørrelse er angitt for hver prøve som vises i dette arbeidet.

De to første eksempler på TKD anvendelse som presenteres her, er relatert til kornforfining av metall-legeringer, for å øke deres mekaniske egenskaper. Rustfritt stål og kobolt-krom-molybden-legeringer blir vanligvis anvendt for biomedisinske anvendelser på grunn av deres høye korrosjonsmotstand, gode mekaniske egenskaper under statisk belastning og biokompatibilitet 23, 24. Imidlertid har begge disse materialer har imidlertid ulemper: rustfritt stål har lav hardhet og slitasjemotstand, og Co-Cr-Mo-legeringene kan svikte på grunn av Tribokorrosjon fenomener. En måte to ta opp disse materialers kort-livet er å endre sine overflateegenskaper av mikrostrukturen raffinering. Rustfritt stål og Co-Cr-Mo legeringsprøvestykker ble underkastet overflatebehandling Mekanisk Attrition Behandling (SMAT), som er en overflatebehandling som genererer, ved alvorlig plastisk deformasjon, en nanocrystalline overflatesjikt som forbedrer overflate mekaniske, tribologisk, og korrosjonsegenskapene av av bulkmaterialer uten å endre den kjemiske sammensetningen 25. Ved hjelp av TKD, ble mikrostrukturen under den behandlede overflaten analyseres for de forskjellige materialer for å knytte endring av mikrostrukturen til de forbedrede egenskaper.

Mikrostruktur karakterisering ved hjelp av TKD har vist seg at å utsette en rustfri stål prøven til SMAT opprettet en region, 1 mikrometer tykk under den behandlede overflate, hvor en blanding av likeaksede nanokorn og litt forlengede nano-kornene var til stede 23.Figur 4 viser en av de TKD skanninger som ble kjørt på en behandlet prøve. Den TKD Prøven ble fremstilt ved anvendelse av en FIB som det området av interesse var bare på overflaten av prøven. Figur 4 viser at, i det første området under den behandlede overflaten, likeaksede korn er mindre enn 100 nm i diameter, mens de langstrakte korn som er tilstede tykkelser på 100 til 200 nm for lengder som kan nå 500 nm. Under dette første område, kan en UFG region av langstrakte sub-mikrometer-størrelse korn også ses på figuren. Dette var den første gang at den nano-korn region ble riktig, karakterisert ved et prøvestykke utsettes for SMAT. Til sammenligning blir en annen prøve av rustfritt stål utsatt for SMAT ble analysert ved hjelp av tradisjonell EBSD og resultatene av en av skanner som er vist på figur 5. Både båndet kontrasten og IPF kart viser tilstedeværelse av en UFG område på overflaten. Imidlertid, selv om en trinnstørrelse på 15 nm ble anvendt for å kjøre søket, kornet s i dette område ikke var mulig å indekseres på grunn av den større vekselvirkning volum som analyseres ved hvert sted under skanningen. Dette viser grensen for EBSD teknikk for å karakterisere ufg og nanokrystallinske materialer.

Figur 4
Figur 4. TKD data samlet inn fra en rustfri stål prøven etter SMAT. Dataene ble samlet opp ved hjelp av en trinnstørrelse på 5 nm på et 100 til 120 nm tykt prøvestykke. (A) Band kontrast kartet gir en indikasjon på kvaliteten av de innsamlede mønster (jo lettere blir den grå desto bedre mønster); (B) Invers Pole figur (IPF) kart som viser de forskjellige krystallografiske orienteringer av kornene i henhold til fargevalget vist på høyre side av kartet. Overflaten behandles er på toppen av kartene.Arget = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. EBSD data samlet inn fra en rustfri stål prøven etter SMAT. Dataene ble samlet opp ved hjelp av et trinn på 15 nm. (A) Band kontrakt kartet; (B) IPF kart. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6 viser resultatene av TKD karakterisering av en Co-Cr-Mo legering prøven utsettes for SMAT. De TKD prøve ble fremstilt ved anvendelse av en FIB og det analyserte området var plassert omtrent 10 mikrometer under den behandlede overflate. Resultatene viser at en forbedring av mikrostrukturen fant sted via fasetransformasjon 24. Til å begynne med Materialet hadde en kubisk enkeltflatesentrert kubisk (FCC) fase, og hadde en midlere kornstørrelse på 10 um. Figur 6 viser at to faser i denne deformerte område er til stede: heksagonal, tettpakket (HCP) lektene er sett inne i FCC-korn. Tykkelsen av disse lekter kan være så liten som 10 til 20 nm. Denne raffinering av mikrostrukturen forklarer den tre-gangers økning i den målte materialets hardhet like under den behandlede overflate 24.

Figur 6
Figur 6. TKD data samlet inn fra en kobolt-krom-molybdenlegering prøven etter SMAT. Dataene ble samlet opp ved hjelp av en trinnstørrelse på 5 nm på et 100 til 120 nm tykt prøvestykke. (A) Band kontrast kart; (B) fase kart som viser fordeling av de to faser som er tilstede i legeringen etter plastisk deformasjon, den røderepresenterer farge HCP fase, mens den blå fargen viser fcc fase; (C) IPF kart som viser de forskjellige krystallografiske orienteringer av kornene av HCP fase i henhold til fargevalget representert på venstre side av kartet; (D) IPF kart som viser de forskjellige krystallografiske orienteringer av kornene av fcc fasen i henhold til fargevalget vist på høyre side av kartet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

De to siste eksemplene som presenteres her er knyttet til feltet av geologi. Sub-mikron strukturer kan være til stede i mineraler på grunn av alvorlig plastisk deformasjon de utsettes for innenfor mantelen eller under jordskjelv, for eksempel. Disse materialene kan presentere høye dislokasjonstettheter som gjør deres karakterisering ved hjelp av tradisjonal EBSD umulig. Detaljert studie av deres mikrostruktur er imidlertid viktig å fastslå på bakgrunn av disse mineralene, og for å forstå de ulike kjemiske og fysiske prosesser som de har vært utsatt for. For eksempel er det mulig å følge karbonsyklusen i den dype Earth ved å studere diamanter og sine inneslutninger. Figur 7 illustrerer en av disse studiene, hvor Jacob et al. undersøkte mikrostrukturen og sammensetningen av feni-sulfid-inneslutninger i et polykrystallinsk diamant aggregat som viser en nanogranular magnetitt reaksjon corona 26. Den TKD-analyse viste at fordelingen av de forskjellige fasene som er tilstede i prøven (figur 7b), og viste nano-strukturer av magnetitt (figur 7a). Ved å koble TKD med EDS, fordelingen av de forskjellige elementer (her viser bare Fe og Cu-distribusjoner i figurene 7c og d) i th e ulike fasene ble bestemt. Studien viste at diamanten som dannes og kjernedannet ved en redoks-reaksjon som omfatter diamant-dannende fluid, og den feni sulfidet som dannes magnetitt og diamant 26.

Figur 7
Figur 7. TKD og EDS-data som er samlet fra feni-sulfid-inneslutninger i et polykrystallinsk diamant aggregat. Dataene ble samlet opp ved hjelp av en trinnstørrelse på 10 nm på en 80 til 100 nm prøven. (A) Band kontrast kart; (B) fase kart som viser fordelingen av de forskjellige fasene som er tilstede i prøven, er diamant angitt i gul, magnetitt i rødt, grønt og magnetkis i kobberkis i blått; (C) kjemisk sammensetning kart som viser fordelingen av Fe i prøven; (D) kjemisk sammensetning kart som viser fordelingen av Cu i prøven.ef = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Mange geologiske prøver utsettes for høy plastisk deformasjon, selv om dette ikke er alltid forbundet med tektoniske prosesser. Impact strukturer er observert i mange meteorittkratere på overflaten av jorden, og til assosiert med høye nok press for å forvandle grafitt til diamant 27. Strukturen av disse diamanter er sterkt deformert med svært høye dislokasjonstettheter på grunn av den høye energi virkningen skyldes meteoritten. Figur 8 viser et eksempel på en påvirkning ved hjelp av diamant karakterisert TKD. Den store plastisk deformasjon sett av prøven forklarer tilstedeværelsen av sub-mikrometerstørrelse korn, noen høye andeler av tvillinger (se figur 8b) og gradienter av krystallografisk orientering wTVen på kornene (disse gradienter er på grunn av høye dislokasjonstettheter inne i kornene).

Figur 8
Figur 8. TKD data samlet inn fra en meteoritt innvirkning diamant. Dataene ble samlet opp ved hjelp av en trinnstørrelse på 10 nm på en 80 til 100 nm prøven. (A) Band skråning kartet gir en indikasjon på kvaliteten av de innsamlede mønster (jo lettere blir den grå den bedre patter); (B) IPF kart som viser de forskjellige krystallografiske orienteringer av kornene i henhold til fargevalget vist på høyre side av kartet. De røde linjer representerer tvillinggrenser, med en 60 ° rotasjon om <111>. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Alle de data som presenteres i denne artikkelen ble oppnådd ved bruk av en standard, kommersielt EBSD system. Et slikt system er tilgjengelig i mange laboratorier rundt om i verden, noe som betyr at denne teknikken kan lett brukes i disse laboratoriene uten å gjøre noen ytterligere investeringer. Ingen endring i konfigurasjonen av SEM og ingen ekstra programvare er nødvendig å bruke EBSD system for å samle TKD data. Derfor overgangen fra tradisjonell EBSD til TKD er veldig enkelt. Den datainnsamling hastighet for TKD er lik som EBSD, som i dag når opp til ca 1000 mønstre / s 19. Denne høye hastighet er delvis på grunn av den meget høye grad av automatisering av teknikken, inkludert kalibrerings for mønster midtstilling og mønster sentrum forandring under skanning 19. TKD vil dra nytte av alle disse fordelene. I tillegg TKD som EBSD, kan lett kobles med EDS for å oppnå ytterligere kjemiskinformasjon (se figur 7).

Prøvepreparering er meget viktig for å oppnå data i TKD, derfor tid bør brukes i trinn 1.2 for å sikre at prøven er tynn nok til å bli analysert. Ellers er det ingen vits i å starte forsøket. Riktig innstilling av parametrene for de SEM er av vesentlig betydning å skaffe pålitelige data. Brukere skal spesielt ta hensyn til trinn 2,5 og 2,11, og verdiene for de gitte i protokollparameterne må kanskje justeres til bestemte SEM, EBSD systemer og prøver. Parametrene for å optimalisere mønstergjenkjenning (trinn 3.7) er også meget viktig for å sikre god kvalitet på de innsamlede dataene. Disse parametrene må bli testet for forskjellige mønstre i forskjellige deler av det området som skal gjennomsøkes for å være sikker på at hele området av interesse kan bli skannet på riktig måte med en høy hastighet indeksering.

De forskjellige eksempler som er presentert i dette papir attest til den høye oppløsningenevnen til teknikken sammenlignet med tradisjonell EBSD. Til tross for de fremskritt som er gjort med den maskinvare og programvare av SEM og EBSD systemer, kan oppløsningen av EBSD teknikk ikke komme opp i verdier under 20 nm for materialer med høy tetthet 17, noe som betyr at karakteriserende trekk som er mindre enn 50 nm i disse materialene vil være umulig. Arbeide med mindre tette materiale vil øke størrelsen på den minste løses funksjon til 100 nm mark. Figur 6b viser at det er mulig å bruke TKD for å karakterisere egenskaper, slik som HCP lektene tilstede i de deformerte Co-Cr-Mo-legeringene, som er så liten som 10 til 20 nm, som den romlige oppløsningen av teknikken kan være så lav som 2 nm 17.

Geologisk materiale er vanligvis ikke-ledende eller halvledende, noe som ofte skaper noen problemer når de trenger å bli karakterisert ved hjelp av tradisjonell EBSD. Dette problemet er ikke presentere seg selv mens usynge TKD. Interaksjonen volum under analysen er så liten gitt tynne geometrien av prøven at det ikke er noe problem av ledningsevne. Denne lille interaksjonen volum er også en fordel under arbeidet med høyt deformerte materiale som normalt høye dislokasjonstettheter gjør det umulig å oppnå mønstre som kan indekseres ved hjelp av tradisjonell EBSD. Som det kan sees i figur 8, kan den sterkt deformerte diamant karakteriseres ved anvendelse av TKD til tross for de høye dislokasjonstettheter som er tilstede i dens korn.

En begrensning av den teknikk som angår prøvepreparering. Det er vanskeligere å få en god prøve for TKD enn det er for EBSD. De prøveprepareringsteknikker er de samme som for TEM prøvepreparering, som betyr at de er vanskelige og tidkrevende. Finne riktig område å analysere er også en utfordring som kan løses ved hjelp av stedsspesifikke teknikker som ved hjelp av en FIB om det er tilstrekkelig for den type prøven å værestudert. Den romlige oppløsningen er økt ganske betydelig med TKD i sammenligning med EBSD, men er fortsatt ikke så bra som det kan oppnås ved hjelp av TEM 17 19.

Dette papir har vist at TKD er en verdifull teknikk for å karakterisere nanokrystallinske og ufg materialer fra forskjellige opphav. Dens enkel søknad, hastighet, oppløsning og fleksibilitet på sikt av ledningsevne oppveier vanskeligheter med prøveopparbeidelse. Den fremtidige av teknikken består i in situ karakterisering. Ved å bruke en in situ mekanisk testing av riggen under utførelse av TKD analyse vil det være mulig å observere hvordan disse nano- og ultrafine mikrostrukturer endres under ytre belastning. Dette vil øke vår kunnskap om deformasjonsmekanismer av nanocrystalline og UFG materialer.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wang, Y. M., Chen, M. W., Zhou, F. H., Ma, E. High tensile ductility in a nanostructured metal. Nature. 419, 912-915 (2002).
  2. Liddicoat, P. V., et al. Nanostructural hierarchy increases the strength of aluminium alloys. Nat. Commun. 1, (63), 1-7 (2010).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Fang, Z. Z., Wang, H. Densification and grain growth during sintering of nanosized particles. Int. Mater. Rev. 53, (6), 326-352 (2008).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Mukai, H., Saruwatari, K., Nagasawa, H., Kogure, T. Aragonite twinning in gastropod nacre. J. Cryst. Growth. 312, (20), 3014-3019 (2010).
  11. 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).
  12. Rauch, E. F., Véron, M. Automated crystal orientation and phase mapping in TEM. Mater. Charact. 98, 1-9 (2014).
  13. Humphreys, F. J., Brough, I. High resolution electron backscatter diffraction with a field emission gun scanning electron microscope. J. Microsc. 195, 6-9 (1999).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Trimby, P. W. Orientation mapping of nanostructured materials using transmission Kikuchi diffraction in the scanning electron microscope. Ultramicroscopy. 120, 16-24 (2012).
  18. Schwarzer, R. A. Advances in crystal orientation mapping with the SEM and TEM. Ultramicroscopy. 67, (1-4), 19-24 (1997).
  19. Zaefferer, S. A critical review of orientation microscopy in SEM and TEM. Cryst. Res. Technol. 46, (6), 607-628 (2011).
  20. Keller, R. R., Geiss, R. H. Transmission EBSD from 10 nm domains in a scanning electron microscope. J. Microsc. 245, (3), 245-251 (2012).
  21. 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).
  22. Ayache, J., Beaunier, L., Boumendil, J., Ehret, G., Laub, D. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy: Methodology. Springer. Berlin/Heidelberg. (2010).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics