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工程学

Caractérisation des ultra-fine grainé et nanocristallins Matériaux Utilisation de la transmission Kikuchi Diffraction

Published: April 01, 2017
doi:
10.3791/55506
, , ,
1School of Civil Engineering,The University of Sydney, 2Australian Centre for Microscopy and Microanalysis,The University of Sydney, 3Department of Earth and Planetary Sciences,Macquarie University, 4Charles Delaunay Institute, LASMIS, UMR STMR CNRS 6281,University of Technology of Troyes

Summary

Ce document propose un procédé détaillé pour caractériser la microstructure des matériaux à grains fins nanocristallins et ultra-fines au moyen d'un microscope électronique à balayage équipé d'un système de diffraction étalon d'électrons rétrodiffusés. Les alliages métalliques et les minéraux présentant des microstructures raffinées sont analysées en utilisant cette technique, qui montre la diversité des applications possibles.

Abstract

L'un des défis dans l'analyse de la microstructure réside aujourd'hui dans la caractérisation fiable et précise des grains ultra-fine (UFG) et matériaux nanocristallins. Les techniques traditionnelles associées à la microscopie électronique à balayage (SEM), tels que la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD), ne possèdent pas la résolution spatiale requise en raison du grand volume d'interaction entre les électrons du faisceau et les atomes du matériau. Microscopie électronique à transmission (TEM) présente la résolution spatiale requise. Toutefois, en raison d'un manque d'automatisation dans le système d'analyse, le taux d'acquisition de données est lente qui limite la zone de l'échantillon qui peut être caractérisé. Cet article présente une nouvelle technique de caractérisation, transmission Kikuchi Diffraction (TKD), qui permet l'analyse de la microstructure des matériaux et LAU nanocristallins utilisant un SEM équipé d'un système standard de EPCA. La résolution spatiale de cette technique peut atteindre 2 nm.Cette technique peut être appliquée à une large gamme de matériaux qui serait difficile à analyser à l'aide EPCA traditionnelle. Après avoir présenté le dispositif expérimental mis en place et en décrivant les différentes étapes nécessaires pour réaliser une analyse de TKD, des exemples de son utilisation sur les alliages métalliques et minéraux sont présentés pour illustrer la résolution de la technique et sa flexibilité en terme de matériau à caractériser.

Introduction

L'une des frontières de la recherche d'aujourd'hui dans les matériaux de pointe est à la recherche de concevoir activement des matériaux ayant des propriétés physiques, chimiques et mécaniques sur mesure adaptés pour les applications haut de gamme. La modification de la microstructure du matériau est un moyen efficace d'adapter ses propriétés pour atteindre la performance spécifique élevée. Dans ce paradigme, affiner la taille de grain des matériaux cristallins pour produire (LAU) à grains ultra-fine ou de matériaux nanocristallins a été montré pour être une technique efficace pour augmenter leur résistance à 1, 2. Une telle microstructure raffinée peut être obtenu par des procédés impliquant une déformation plastique sévère 3, 4, ou par la consolidation de poudres ultra-fines ou de taille nanométrique dans les matériaux en vrac à l' aide de divers procédés de la métallurgie des poudres 5, 6. La recherche dans ce domaine a été increasing au cours des dix dernières années, les principaux objectifs étant à l'échelle les processus et de comprendre les mécanismes de déformation de ces matériaux.

LAU et matériaux nanocristallins sont toutefois pas limités à des applications modernes en science des matériaux puisque la nature a sa propre façon de produire ces matériaux cristallins raffinés. zones de failles géologiques sont connus pour produire des régions nanocristallines; bien que souvent supposé être amorphe sur la base d'études de microscopie optique, la microscopie électronique à transmission à haute résolution (TEM) et microscopie électronique à balayage (MEB) ont souvent montré que la taille des grains peuvent être à l'échelle de dizaines de nanomètres 7. Épisodes de déformation à haute vitesse de déformation, comme celles pendant les impacts de météorites peuvent également produire des structures nanocristallines ainsi que des densités de défauts extrêmement élevés 8. N'est pas toujours Deformation une exigence de nanostructures dans la nature. Pearce et al. </em> ont présenté des preuves de dépôt de gros volumes d'or provenant d' une source colloïdale dans un gisement aurifère orogénique par la caractérisation des nanoparticules Au et Pt / PtFe dans les minéraux extraits des mines d'or 9. Shell structures, telles que nacres, sont formés par l' arrangement régulier d'unités cristallines à l'échelle de quelques 100 nm 10. Même les météorites se sont révélés contenir des structures minérales 11 UFG.

Quelle que soit la provenance des matériaux possédant ces structures ou nanocristallins UFG, qui les caractérisent pose un défi qui a incité le développement d'outils de caractérisation améliorée à l'échelle nanométrique. Une voie prometteuse qui a été étudiée est la microscopie électronique. Une telle technique semble parfaitement adaptée à cette tâche, étant donné que la longueur d'onde d'électrons intrinsèquement faible, associé à son utilisation, offre la possibilité d'analyser la structure atomique de la materia12 l. Il a déjà été montré que peut être utilisé pour caractériser les matériaux UFG électrons rétrodiffusés de diffraction (de EBSD) avec des tailles de grains vers le bas à l'échelle sub-micronique 13, 14, 15, 16. Cependant, la résolution spatiale de la technique EBSD, même en utilisant les MEB actuelles les plus avancées, est limitée à 20 à 50 nm en fonction du matériau 17. Il est donc pas surprenant que d'abord, les chercheurs ont cherché des solutions pour caractériser ces matériaux à microstructure ultra-fine en utilisant TEM. Détermination de l' orientation cristallographique en utilisant des modes de diffraction dans TEM, tels que les modèles de Kikuchi et de motifs par points, peut atteindre une résolution spatiale de l'ordre de 10 nm et , dans certains cas , en dessous de cette valeur 12, 18, 19. Cependant, certains inconvénients ont abeillen identifié avec l'utilisation de ces techniques telles que leur vitesse et leur résolution angulaire, en particulier par rapport aux possibilités offertes par EPCA 12, 19. Bien que les techniques de diffraction TEM à base précession automatisés peuvent atteindre des vitesses d'indexation similaires comme EPCA, la plupart des techniques de TEM souffrent de niveaux relativement bas d'automatisation 19. En outre, les techniques de TEM nécessitent généralement des alignements critiques et chronophages du système de lentille de l'instrument pour atteindre des performances optimales.

Plus récemment, l'intérêt a évolué vers l'amélioration de la résolution de la technique de diffraction Kikuchi dans le SEM, en changeant la façon dont le signal est obtenu et analysé. Keller et Geiss présenté une nouvelle forme de transmission à basse énergie diffraction Kikuchi effectuée dans le SEM 20. Le procédé, qu'ils ont appelé transmission-EBSD (t-EBSD), nécessite un détecteur EBSDet le logiciel associé pour capturer et analyser la variation d'intensité angulaire dans un grand angle de diffusion vers l'avant d'électrons dans la transmission. En utilisant cette technique, ils ont été en mesure de recueillir les modèles Kikuchi de nanoparticules et les grains de nano-avec des tailles aussi faibles que 10 nm de diamètre. Le fait que les électrons diffractés analysés dans ce cas passent par l'échantillon et ne sont pas éjectés par la surface de l'échantillon, a incité un changement de terminologie pour décrire de façon plus appropriée la technique; il est maintenant appelé Transmission Kikuchi ou TKD Diffraction. La technique de TKD a été optimisé par Trimby pour permettre une meilleure résolution et l'acquisition automatique de plans d' orientation 17. Cette technique peut également être couplée à la spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X (EDS) pour recueillir des informations chimiques tout en effectuant l'analyse d'orientation cristallographique 21.

Ce document présente les exigences en termes d'équipementet les échantillons à mener des expériences de TKD, décrit les différentes étapes nécessaires à l'acquisition de données et présente les résultats recueillis sur quatre échantillons différents pour montrer l'étendue des applications possibles de la technique. Les exemples présentés ici sont soit des alliages métalliques qui ont été soumis à une déformation plastique sévère pour créer des matériaux UFG / nanocristallins ou des matériaux géologiques qui ont également été soumis à une déformation plastique sévère et présente des microstructures raffinées.

Protocol

1. Exigences et exemples Équipement Utiliser un SEM équipé d'un détecteur de EPCA pour mener à bien l'expérience. NOTE: Idéalement, la SEM devrait avoir une source d'émission de champ afin de maximiser la résolution spatiale, mais la technique fonctionne sur tout type de SEM. Faire en sorte que l'échantillon à analyser a une épaisseur dans la plage de 100 nm pour des résultats optimaux 17. Vérifiez que l'échantillon est suffisamment mince pour être en mesure d'effectuer l'analyse de TKD. NOTE: Cela peut être fait en utilisant des détecteurs diffusion vers, le plus mince de l'échantillon, le plus sombre qu'il exploitera cette technique d'imagerie. Préparer l'échantillon en utilisant des techniques traditionnelles pour la préparation de l'échantillon de feuille TEM par exemple en utilisant un broyeur à fossette et ensuite, soit électropolissage ou polissage ionique ou en utilisant la technique de lift-à l'aide d'un faisceau d'ions focalisé (FIB) si les caractéristiques à analyser sont site spécifique . NOTE: Les techniques de préparation ne sont pas explained en détail ici car ils ne sont pas l'objet de ce document et sont les mêmes que les techniques bien établies pour la préparation d'échantillons TEM 22. Les utilisateurs devront déterminer ce que la technique de préparation des échantillons est pour leur propre exemplaire. Des informations sont disponibles dans 22. 2. Dispositif expérimental Placer l'échantillon sur un porte-échantillon qui permet à l'échantillon d'être à 20 ° par rapport à l'horizontale une fois à l'intérieur de la chambre SEM. Cela permettra à l'échantillon d'être suspendue au-dessus du carrousel, une fois placée dans une positon horizontale après basculement de la phase de 20 ° (voir étape 2.4) pour éviter les effets d'ombre lors de l'acquisition de données avec l'appareil photo EBSD. REMARQUE: porte-échantillons spéciaux ont été conçus à cet effet et un exemple est illustré à la figure 1. Si l'échantillon est un ascenseur FIB sur échantillon sur une grille TEM, assurez-vous que l'échantillon est sur la surface inférieure of la grille de support. Figure 1. TKD porte-échantillon. Plusieurs échantillons peuvent être analysés au cours d'une session, sans la nécessité de rouvrir la chambre SEM. Il est important de la feuille de TEM est positionnée de telle sorte qu'aucun porteur ou support empêche les électrons diffractés à partir de l'échantillon et à recueillir par la caméra EBSD. Ne pas utiliser des grilles qui interfèrent avec le signal recueilli. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Porte Placer l'échantillon dans la chambre SEM, fermer la chambre et démarrer le pompage sous vide que pour tout autre échantillon en cliquant sur la pompe dans l'onglet vac. Utilisation dans la chambre de nettoyage au plasma pour empêcher la contamination. REMARQUE: Cette étape est facultative, mais recommande fortemented pour améliorer la qualité et la fiabilité des données. Si la technique est disponible avec le SEM, le nettoyage doit être effectué pendant deux ou trois minutes. Inclinaison vers le stade SEM de 20 ° dans le sens horaire de sorte que le spécimen est maintenant dans une position horizontale et perpendiculaire au faisceau d'électrons. Si l'échantillon est non plane et projette des ombres sur l'écran luminophore de détecteur EBSD (telles que l'utilisation de FIB mécaniques des échantillons sur une grille de support de TEM), incliner à 10 ° ou de 0 °, de sorte que l'échantillon est incliné loin du EBSD détecteur. Définissez les conditions SEM pour l'acquisition de données optimale: régler la tension d'accélération à 30 keV en cliquant sur EHT ( « Extra High Tension »), sélectionnez EHT ON pour activer la tension d'accélération et a choisi la valeur correcte de l'EHT. Aller à l'onglet d'ouverture du panneau de commande SEM et choisir une ouverture élevée (par exemple 60 ou 120 pm), pour choisir le mode courant élevé ou la profondeur de mode de champ (selon le SEM) et régler le courant de faisceau approprié (environ 3- 4nA pour une ouverture de 60 pm et de 10 à 20 nA pour une ouverture de 120 pm). Amener l'échantillon à une distance de travail de 6,5 à 6 mm en changeant la position z de l'échantillon. NOTE: Cela dépend de la SEM et la configuration du détecteur de EPCA; l'échantillon doit être positionné juste au-dessus du niveau de la partie supérieure de l'écran de phosphore. Assurez-vous que le support d'échantillon est parallèle à l'axe x de la scène afin d'éviter tout dommage possible à l'équipement tout en déplaçant l'échantillon et pour obtenir le signal optimal. REMARQUE: Ne pas seulement vérifier en regardant la position de l'échantillon sur la caméra CCD, déplacer l'échantillon dans la direction x et assurez-vous que la distance avec la scène n'a pas changé. Déplacer la scène pour localiser l'échantillon et vérifier que le faisceau frappe le spécimen à la position d'intérêt (où le balayage de TKD sera effectué) sur l'échantillon en utilisant l'imagerie d'électrons secondaires. Sélectionnez le détecteur d'électrons secondaires dans le detectoonglet r du panneau de commande SEM. Allumer le logiciel EBSD et insérer l'appareil en appuyant sur le EBSD « dans » bouton sur le boîtier de commande de la caméra EBSD à une distance de 15 à 20 mm de l'échantillon en utilisant le dispositif de commande externe ou du logiciel. Si nécessaire pour l'analyse, insérez le détecteur EDS dans la chambre en cliquant sur le bouton « dans » sur le panneau de commande de caméra EDS. La position optimale peut ne pas être le même que pour l'analyse habituelle EDS, alors regarder le comptage du signal, et faire en sorte que le temps mort est comprise entre 20 et 50% pour la collecte de données optimale, pour déterminer la position optimale pour que expérimental particulier mis en place . NOTE: Il est possible dans ce cas, pour régler la distance de travail pour améliorer les données EDS, mais ce sera au détriment de la qualité des motifs de diffraction recueillies par la caméra EPCA. La figure 2 illustre la configuration expérimentale pour l' acquisition de données dans lequel l'appareil photo EBSDet le détecteur EDS ont été insérés dans la chambre. Une fois que tous les détecteurs sont positionnés et l'échantillon a été localisé, effectuer l'alignement du faisceau en sélectionnant la case à cocher vobulation mise au point dans l'onglet d'ouverture du panneau de commande SEM et le réglage des boutons horizontaux et verticaux pour l'alignement de l'ouverture sur la carte de commande. Effectuer un réglage de mise au point et la correction de l'astigmatisme en ajustant les potentiomètres horizontales et verticales pour la stigmation sur la carte de commande. Le but de cette étape est d'obtenir l'image la plus nette possible. REMARQUE: Lors de la collecte des données EDS assurez-vous de choisir le porte-échantillon correct pour des données fiables. Ne pas utiliser un porte-échantillon fait du même matériau analysé autrement il sera impossible de différencier le signal provenant de l'échantillon à partir du signal provenant du porte-échantillon et assurez-vous qu'il n'y a pas de chevauchement pour les pics de diffraction de la matière en cours d'analyse et à partir de laquelle le porte-échantillon est foue. Figure 2. set-up expérimental. L'échantillon est à une position horizontale après rotation de la scène. Cela limite l'interférence de la scène et carrousel avec le signal qui sera recueilli sur l'écran de phosphore de la caméra EPCA. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 3. EPCA Paramètres logiciels pour l'acquisition de données REMARQUE: Les paramètres d'acquisition de données sont différentes pour les systèmes spécifiques de EPCA disponibles dans le commerce. Cette section est écrite la plus générale possible, mais quelques-uns des noms et les valeurs des paramètres donnés ici ne sont appropriés que si l'on utilise le logiciel de EPCA mentionné dans la liste des matériaux, et les utilisateurs de systèmes différents seront nèed pour régler ces paramètres en fonction de leur propre système. La plupart de ces étapes sont exactement les mêmes que pour une expérience EPCA normale. Assurez-vous que la géométrie de l'échantillon dans le logiciel EBSD reflète le fait que l'échantillon est en position horizontale. Assurez-vous que la valeur d'inclinaison total est de 0 °. Sinon, ajoutez une valeur pré-inclinaison -20 ° dans l'onglet Géométrie de l'échantillon. Sélectionnez la phase (s) (qui élément ou composé) à analyser en ce qui concerne une expérience de EBSD normale dans l'onglet de phase. Capturer une image à l'aide du logiciel EBSD dans l'onglet de l'image numérisée en cliquant sur Démarrer. REMARQUE: diffusion vers des détecteurs montés en dessous de l'écran luminophore de détecteur EBSD peuvent être utilisés pour produire une image de champ foncé, contribuant à l'identification de régions minces et des sites d'intérêt. Réglez les paramètres de la caméra EPCA pour une acquisition optimale des données en optimisant les valeurs de gain et d'exposition jusqu'à ce que l'image est lumineuse mais pas sursaturé, comme pour une expérim EBSD normaleent, dans l'onglet modèle d'optimisation. Remarque: cette étape dépend de l'échantillon et sa qualité (épaisseur et une finition de surface). Recueillir un fond dans l'onglet modèle d'optimisation en cliquant sur Collect. Faire en sorte que suffisamment de grains sont présents pour la collecte de fond en ajustant le grossissement, bien qu'il soit important de balayer une région avec une épaisseur similaire à la surface à analyser. Vérifier la qualité des modèles, une fois l'arrière-plan a été soustraites en veillant à ce que les options de fond statiques et arrière-plan automatique ont été vérifiés. Bien qu'ils seront déformées en raison de la géométrie particulière de la mise en place, faire en sorte que les bandes de diffraction sont clairement visibles (voir Figure 3). Intégrer des trames successives dans l'appareil EBSD pour améliorer le rapport signal sur bruit dans l'image puisque l'intensité lumineuse du motif de diffraction sur l'écran de substance fluorescente est faible. Si la qualité des modèles est pas bonassez, modifier le réglage de la caméra (régler le gain et l'exposition) ou changer la taille de l'ouverture de la SEM (utiliser une ouverture plus grande si possible). Il pourrait aussi être dû à l'échantillon étant trop épais dans ce cas, l'amincissement de l'échantillon est la seule solution (en fonction de l'échantillon cela peut être fait en utilisant un FIB ou un amincissement ionique). Figure 3. Profil de diffraction Kikuchi obtenues par TKD. Le modèle apparaît déformée par rapport à un motif obtenu par EPCA traditionnel et le centre de configuration a été déplacé vers le bas. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Optimiser le solveur pour la reconnaissance des formes et d'améliorer le taux d'indexation en allant à l'onglet solveur d'optimisation. REMARQUE: til logiciel utilisé ici, deux options sont disponibles pour une meilleure indexation modèle TKD: optimisé TKD ou de l'exactitude raffinée. Il est recommandé d'utiliser l'option TKD optimisée lorsque les motifs de diffraction sont fortement mis en cellule; pour des motifs de résolution plus élevée (par exemple de 336 x 256 pixels ou plus), le mode de précision raffiné fonctionne le mieux. Si une analyse à haute résolution est nécessaire (une taille de pas de 5 nm ou plus petit) laisser l'échantillon dans le présent réglage pendant 30 à 60 min afin d'améliorer le vide et la stabilité du faisceau thermique. Ne laissez pas le faisceau bien sur la zone d'intérêt. Avant de commencer l'acquisition de données, régler à nouveau la mise au point et de corriger l'astigmatisme du SEM en répétant l'étape 2.11. Définissez les paramètres (taille de l'étape et la taille de la carte) pour l'acquisition de la carte dans l'onglet Acquire de données cartographiques. REMARQUE: La taille de l'étape peut être aussi faible que 2 nm si nécessaire et si l'échantillon est de grande qualité. Commencez l'acquisition de la carte en appuyant sur le bouton de démarrage dans le AcquireCarte onglet Données. NOTE: L'analyse des données sera effectuée exactement de la même manière que pour une analyse EBSD normale, aucun ajustement sont nécessaires. Les différents types de cartes peuvent être obtenues à partir des données. Euler, le contraste de la bande, la figure de pôle inverse, cartes de phase peuvent tous être obtenus à partir des données collectées. figures de pôles peuvent également être tirées de ces données.

Representative Results

Les données présentées ici ont été recueillies à l'aide de la SEM, le système EBSD et logiciels mentionnés dans la liste des matériaux. En fonction des caractéristiques d'intérêt, des analyses ont été effectuées avec des tailles de pas différentes et la taille de l'étape spécifique est indiquée pour chaque modèle figurant dans ce travail. Les deux premiers exemples d'application de TKD présentés ici sont liés à l'affinage du grain d'alliages métalliques afin d'augmenter leurs propriétés mécaniques. Aciers inoxydables et d' alliages de cobalt-chrome-molybdène sont couramment utilisés pour des applications biomédicales en raison de leur résistance élevée à la corrosion, de bonnes propriétés mécaniques sous sollicitations statiques et biocompatibilité 23, 24. Cependant, ces deux matériaux présentent des inconvénients: les aciers inoxydables ont une faible dureté et résistance à l'usure tout en alliages Co-Cr-Mo peut échouer en raison de phénomènes de tribocorrosion. Une façon to adresse courte allées de ces matériaux est de changer leurs propriétés de surface par le raffinement de la microstructure. L'acier inoxydable et des spécimens d'alliage Co-Cr-Mo ont été soumis à surface mécanique Attrition traitement (SMAT), qui est un traitement de surface qui génère, par sévère déformation plastique, une couche de surface nanocristalline qui augmente la surface mécanique, tribologique, et les propriétés de corrosion de matériaux en vrac sans modifier leur composition chimique 25. En utilisant TKD, la microstructure sous la surface traitée a été analysée pour les différents matériaux pour relier le changement de microstructure aux propriétés améliorées. La caractérisation de la microstructure en utilisant TKD a prouvé que la soumission d' un échantillon d'acier inoxydable pour SMAT créé une région, 1 um d' épaisseur en dessous de la surface traitée, dans lequel un mélange de grains équiaxes et des nano-nano-grains légèrement allongées étaient présents 23.La figure 4 présente l' une des balayages de TKD qui ont été exécutés sur un échantillon traité. L'échantillon de TKD a été préparé en utilisant un FIB comme la zone d'intérêt était juste à la surface de l'échantillon. La figure 4 montre que, dans la première région en dessous de la surface traitée, les grains équiaxes sont inférieures à 100 nm de diamètre , tandis que les grains allongés épaisseurs actuels de 100 à 200 nm pour des longueurs qui peuvent atteindre 500 nm. En dessous de cette première région, une région LAU de grains de taille allongée submicroniques peut également être vu sur la figure. Ce fut la première fois que la région de nano-grain a été correctement caractérisé dans un échantillon soumis à SMAT. À titre de comparaison, un autre échantillon d'acier inoxydable soumis à SMAT a été analysé à l' aide EPCA traditionnelle et les résultats de l' un des scans sont présentés dans la figure 5. Tant le contraste de bande et les cartes GIF montrent la présence d'une région LAU à la surface. Cependant, même si une taille de pas de 15 nm a été utilisé pour exécuter l'analyse, le grain s dans cette région n'a pas pu être indexé avec succès en raison du volume d'interaction plus grande qui est analysé à chaque emplacement lors de l'analyse. Cela montre la limite de la technique EBSD pour la caractérisation des matériaux et nanocristallins UFG. Figure 4. Les données recueillies TKD à partir d' un échantillon d'acier inoxydable après SMAT. Les données ont été recueillies en utilisant une taille de pas de 5 nm à 100 à 120 nm d'épaisseur spécimen. (A) la bande carte de contraste donnant une indication de la qualité du motif collecté (le briquet gris plus le modèle); (B) Pole inverse carte Figure (IPF) montrant les différentes orientations cristallographiques des grains selon le schéma de couleur représentée sur la droite de la carte. La surface traitée est sur le dessus des cartes.Arget = « _ blank »> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 5. Les données EBSD collectées à partir d' un échantillon d'acier inoxydable après SMAT. Les données ont été recueillies en utilisant une étape de 15 nm. (A) carte de contrat de bande; (B) la carte IPF. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. La figure 6 illustre les résultats de la caractérisation de TKD d'un échantillon d'alliage Co-Cr-Mo soumis à SMAT. Le spécimen de TKD a été préparé en utilisant un FIB et la zone analysée était située à environ 10 um en dessous de la surface traitée. Les résultats montrent qu'une amélioration de la microstructure a eu lieu par transformation de phase 24. Dans un premier temps, le matériau possédait une seule phase cubique à faces centrées (cfc) et avait une taille moyenne de grains de 10 pm. La figure 6 montre que les deux phases dans cette région déformée sont présents: lattes emballés hexagonal (hcp) sont visibles à l' intérieur des grains de la FCC. L'épaisseur de ces lattes peut être aussi faible que 10 à 20 nm. Ce raffinement de la microstructure explique l'augmentation de trois fois la dureté mesurée du matériau juste au- dessous de la surface traitée 24. Figure 6. Les données de TKD collectées à partir d' un échantillon d'alliage cobalt-chrome-molybdène après SMAT. Les données ont été recueillies en utilisant une taille de pas de 5 nm à 100 à 120 nm d'épaisseur spécimen. (A) la carte de contraste de la bande; (B) la carte de phase montrant la distribution des deux phases présentes dans l'alliage après la déformation plastique, le rougecouleur représente la phase hcp, alors que la couleur bleue montre la phase fcc; (C) la carte IPF montrant les différentes orientations cristallographiques des grains de la phase hcp selon le schéma de couleurs représenté sur la gauche de la carte; (D) la carte IPF montrant les différentes orientations cristallographiques des grains de la phase fcc selon le schéma de couleur représenté sur la droite de la carte. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Les deux derniers exemples présentés ici sont liés au domaine de la géologie. structures submicroniques peuvent être présents dans les minéraux en raison de la déformation plastique sévère, ils sont soumis à l'intérieur du manteau de la Terre ou pendant les tremblements de terre, par exemple. Ces matériaux peuvent présenter une forte densité de dislocation qui rendent leur caractérisation par la traditional EPCA impossible. Une étude détaillée de leur microstructure est cependant primordiale pour déterminer l'arrière-plan de ces minéraux et de comprendre les différents processus chimiques et physiques auxquels ils ont été soumis. Par exemple, il est possible de suivre le cycle du carbone dans la Terre profonde en étudiant les diamants et leurs inclusions. La figure 7 illustre une de ces études, où Jacob et al. étudié la microstructure et la composition des inclusions FeNi-sulfure dans un agrégat de diamant polycristallin qui affiche une couronne de réaction de magnétite nanogranular 26. L'analyse de TKD a révélé la distribution des différentes phases présentes dans l'échantillon (figure 7b), et a montré les nano-structures de la magnétite (figure 7a). En couplant TKD avec EDS, la répartition des différents éléments (ici montrent que des distributions de Fe et Cu dans les figures 7c et d) dans les e e phases différentes a été déterminée. L'étude a démontré que le diamant formé et nucléée par une réaction redox impliquant le fluide de formation de diamant et le sulfure de FeNi qui a formé la magnétite et le diamant 26. Figure 7. TKD et des données collectées à partir des inclusions EDS FeNi-sulfure dans un agrégat de diamant polycristallin. Les données ont été recueillies en utilisant une taille de pas de 10 nm sur un 80 échantillon à 100 nm d'épaisseur. (A) la carte de contraste de la bande; (B) la carte de phase montrant la répartition des différentes phases présentes dans l' échantillon, le diamant est indiquée en jaune, de la magnétite en rouge, en vert pyrrhotite et de la chalcopyrite en bleu; (C) de la carte de composition chimique montrant la distribution de Fe dans l'échantillon; (D) la carte de composition chimique montrant la distribution de Cu dans l'échantillon.ef = « http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg » target = « _ blank »> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. De nombreux échantillons géologiques sont soumis à forte déformation plastique, bien que cela ne soit pas toujours associée à des processus tectoniques de la Terre. Structures d'impact sont observées dans de nombreux cratères de météorites sur la surface de la Terre, parfois associée à une assez fortes pressions pour transformer le graphite en diamant 27. La structure de ces diamants est fortement déformée avec des densités de dislocations très élevées en raison de l'impact de haute énergie causée par la météorite. La figure 8 montre un exemple d'un diamant d'impact caractérisé en utilisant TKD. La grande déformation plastique vu par l'échantillon explique la présence de grains de taille inférieure au micron, une forte proportion de jumeaux (voir la figure 8b) et des gradients d'orientations cristallographiques wans le grains (ces gradients sont dues à de fortes densités de dislocations dans les grains). Figure 8. Les données recueillies à partir de TKD un diamant d'impact de météorite. Les données ont été recueillies en utilisant une taille de pas de 10 nm sur un 80 échantillon à 100 nm d'épaisseur. (A) la carte de pente bande donnant une indication de la qualité du motif collecté (le plus léger du gris au mieux le bruit); (B) la carte IPF montrant les différentes orientations cristallographiques des grains selon le schéma de couleur représenté sur la droite de la carte. Les lignes rouges représentent les frontières jumelles, avec une rotation de 60 ° autour de <111>. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Toutes les données présentées dans ce document ont été obtenus en utilisant un standard, le système EBSD commercial. Un tel système est disponible dans de nombreux laboratoires à travers le monde, ce qui signifie que cette technique peut être facilement appliquée dans ces laboratoires sans avoir à faire d'autres investissements. Aucune modification de la configuration du SEM et aucun logiciel supplémentaire sont nécessaires pour utiliser le système de EPCA pour recueillir des données TKD. Par conséquent, la transition de EPCA traditionnelle à TKD est très facile. Le taux d'acquisition de données pour TKD est similaire à celle de EPCA, qui atteint actuellement jusqu'à environ 1000 modèles / s 19. Ce taux élevé est dû en partie au très haut niveau d'automatisation de la technique, y compris l' étalonnage pour la position centrale du motif et le changement du centre de configuration pendant la numérisation 19. TKD bénéficiera de tous ces avantages. De plus, comme TKD EPCA, peut être couplé facilement avec EDS pour obtenir chimique supplémentairel' information (voir Figure 7).

La préparation des échantillons est très important d'obtenir des données en TKD donc temps devrait être consacré à l'étape 1.2 pour vous assurer que l'échantillon est suffisamment mince pour être analysé. Sinon, il est inutile de commencer l'expérience. Définir correctement les paramètres de la SEM est primordiale pour obtenir des données fiables. Les utilisateurs devraient particulièrement prêter attention aux étapes 2,5 et 2,11 et les valeurs des paramètres donnés dans le protocole pourraient devoir être ajustées à SEM, des systèmes d'EPCA et de spécimens. Les paramètres pour optimiser la reconnaissance des formes (étape 3.7) sont également très importants pour assurer une bonne qualité des données recueillies. Ces paramètres doivent être testés pour différents modèles dans différentes régions de la zone à numériser pour vous assurer que la zone complète d'intérêt peut être analysé correctement avec un taux d'indexation élevé.

Les différents exemples présentés dans le présent document attestent de la haute résolutionla capacité de la technique par rapport à EPCA traditionnelle. Malgré les progrès réalisés avec le matériel et les logiciels des SEM et des systèmes EPCA, la résolution de la technique EBSD ne peut pas atteindre des valeurs inférieures à 20 nm pour les matériaux à haute densité 17, ce qui signifie que les caractéristiques caractérisant inférieure à 50 nm dans ces matériaux sera impossible. Travailler avec des matériaux moins denses augmentera la taille du plus petit élément résoluble à la marque de 100 nm. La figure 6b montre qu'il est possible d'utiliser TKD pour caractériser les caractéristiques, telles que les lattes de HCP présents dans les alliages Co-Cr-Mo déformées, qui sont aussi petites que 10 à 20 nm, telle que la résolution spatiale de la technique peut être aussi faible que 2 nm 17.

matériaux géologiques sont généralement non-conducteur ou semi-conducteur, ce qui pose souvent des difficultés quand ils doivent être caractérisés par EPCA traditionnelle. Ce problème ne se présente pas en uchanter TKD. Le volume d'interaction lors de l'analyse est si faible compte tenu de la géométrie fine de l'échantillon qu'il n'y a pas de problème de conductivité. Ce petit volume d'interaction est également un avantage tout en travaillant avec des matériaux très déformées que les densités de dislocations normalement élevées, il est impossible d'obtenir des modèles qui peuvent être indexés à l'aide EPCA traditionnelle. Comme on peut le voir sur la figure 8, le diamant très déformées pourrait être caractérisée en utilisant TKD malgré les fortes densités de dislocations présentes dans ses grains.

Une limitation de la technique concerne la préparation des échantillons. Il est plus difficile d'obtenir un bon spécimen pour TKD que pour EPCA. Les techniques de préparation des échantillons sont les mêmes que pour la préparation des échantillons TEM, ce qui signifie qu'ils sont difficiles et prennent du temps. Trouver la bonne zone à analyser est aussi un défi qui peut être résolu en utilisant le site des techniques spécifiques telles que l'aide d'un FIB si elle est suffisante pour le type d'échantillon àétudié. La résolution spatiale est améliorée très sensiblement avec TKD par rapport à EPCA mais toujours pas aussi bon que ce qui peut être atteint en utilisant TEM 17, 19.

Cette étude a démontré que le TKD est une technique utile pour caractériser les matériaux nanocristallins et UFG d'origines diverses. Sa facilité d'application, la vitesse, la résolution et la flexibilité en terme de conductivité l'emportent sur la difficulté de la préparation des échantillons. L'avenir de la technique réside dans la caractérisation in situ. En utilisant un appareil de forage dans des essais mécaniques in situ tout en effectuant une analyse TKD, il sera possible d'observer comment ces nano- et microstructures ultrafines changent sous la charge externe. Cela permettra d'accroître nos connaissances sur les mécanismes de déformation des matériaux nanocrystalline et UFG.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors acknowledge the facilities, and the scientific and technical assistance, of the Australian Microscopy & Microanalysis Research Facility at the Australian Centre for Microscopy and Microanalysis, The University of Sydney. This research was partially supported by funding from the Faculty of Engineering & Information Technologies, The University of Sydney, under the Faculty Research Cluster Program, from the Regional Council of Champagne-Ardenne (France) through the NANOTRIBO project and from the European FEDER program.

Materials

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 dector Oxford instruments This is optional. The one used here is a X-Max 20mm2 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
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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. , (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. , (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. , 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).

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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).
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