Характеристика Ультра мелкозернистый и нанокристаллических материалов с помощью просвечивающей Кикучи дифракции
Summary
В настоящем документе представлен подробный способ охарактеризовать микроструктуру ультра-мелкозернистых и нанокристаллических материалов с использованием сканирующего электронного микроскопа, оснащенного стандартной системой дифракции электронов обратного рассеяния. Металлические сплавы и минералы, представляющие рафинированные микроструктуры анализируются с помощью этой техники, показывая разнообразие его возможных применений.
Abstract
Одна из проблем в анализе микроструктуры в настоящее время находится в надежной и точной характеристики ультра-мелкозернистый (РМЗ) и нанокристаллических материалов. Традиционные методы, связанные с методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), такие как электронная обратного рассеяния дифракции (EBSD), не обладают требуемой пространственной разрешающей из-за большого объема взаимодействия между электронами из пучка и атомов материала. Просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) обладает требуемым пространственным разрешением. Однако из-за отсутствие автоматизации в системе анализа, скорость сбора данных является медленной, который ограничивает область образца, которые могут быть охарактеризованы. Эта статья представляет собой новый метод характеризации, передача Кикучи дифракции (TKD), что позволяет анализ микроструктуры УМЗ и нанокристаллических материалов с использованием сканирующего электронного микроскопа, оснащенного стандартной системой EBSD. Пространственное разрешение этого метода может достигать 2 нм.Этот метод может быть применен к широкому диапазону материалов, которые будут трудно анализировать с использованием традиционных EBSD. После представления экспериментальной установки и описания различных шагов, необходимых для реализации анализа TKD, примеры его использования на металлических сплавов и минералов приведены для иллюстрации разрешающей способности метода и его гибкость в плане материала, чтобы охарактеризовать.
Introduction
Одним из современных научных границ в современных материалов стремится активно разрабатывать материалы с заданными физико-химическими и механическими свойствами, пригодными для высокопроизводительных приложений. Изменение микроструктуры материала является эффективным способом адаптировать свои свойства для достижения высокой удельной производительности. В этой парадигме, рафинирования размер зерна кристаллических материалов для получения ультра-мелкозернистый (РМЗ) или нанокристаллических материалов было показано, что эффективным методом , чтобы увеличить их прочность 1, 2. Такая рафинированная микроструктура может быть достигнута за счетом процессов , связанных с интенсивными пластической деформацией 3, 4, или через консолидацию ультратонкие или наноразмерные порошки в сыпучие материалы с использованием различных процессов порошковой металлургии 5, 6. Исследования в этой области были вклыreasing за последние десять лет, с основными целями в том, чтобы расширить масштабы процессов и понять деформационные механизмы таких материалов.
UFG и нанокристаллических материалов, однако, не ограничивается современных приложений в материаловедении, так как природа имеет свой собственный способ получения таких рафинированных кристаллических материалов. Геологические зоны разломов, как известно, для получения нанокристаллических областей; хотя часто предполагается, что аморфная на основе исследований световой микроскопии, высокое разрешение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) анализ часто показали , что размер зерна может быть в масштабе десятков нанометров 7. Высокие деформации эпизодов скорости деформации, как и те , в ходе метеоритов, могут также произвести нанокристаллических структур, а также чрезвычайно высокую плотность дефектов 8. Деформация не всегда является обязательным требованием для наноструктур в природе. Пирс и соавт. </EM> представили доказательства осаждения больших объемов золота из коллоидного источника в орогенном месторождении золота через характеристику Au и наночастицы Pt / Ptfe минералов , извлеченные из золотого рудник 9. Shell структуры, такие как перламутра, образуются путем регулярного расположения кристаллических единиц по шкале несколько 100 нм 10. Даже метеориты были показаны, содержит минеральный УМЗ структуру 11.
Какими бы ни были происхождение материалов, обладающих этими УМЗ или нанокристаллических структур, характеризующими их представляет собой проблему, которая побудила развитие улучшенных средств характеризации на наноуровне. Одним из перспективных направлений, которые были исследованы в электронной микроскопии. Такой метод оказывается идеально приспособлен для выполнения этой задачи, поскольку по своей природе малой длины волны электрона, связанный с его использованием, дает возможность проанализировать атомную структуру материил 12. Как уже было показано , что Электронно Backscatter дифракция (ЭИ) могут быть использованы для характеристики УМЗ материалов с размером зерен вплоть до масштаба субмикронного 13, 14, 15, 16. Однако пространственное разрешение метода EBSD, даже с использованием текущих самых современных SemS, ограничено от 20 до 50 нм в зависимости от материала 17. Поэтому не удивительно, что на начальном этапе, исследователи искали решения, чтобы охарактеризовать эти материалы с ультра-тонкой микроструктуры с помощью ПЭМ. Кристаллографические определения ориентации с использованием режимов дифракции в ПОМ, таких как узоры и узоры Кикучи пятнами, могут достигать пространственное разрешение порядка 10 нм , и в некоторых случаях ниже это значения 12, 18, 19. Тем не менее, некоторые недостатки у пчелп идентифицированы с использованием этих методов , таких , как их скорости и угловым разрешением, особенно по сравнению с возможностями , предоставляемыми EBSD 12, 19. Несмотря на то, автоматизированные прецессионные на основе методики дифракции ТЕМ может достичь подобных скоростей индексирования как EBSD, большинство методов ПЭМ страдают от относительно низких уровней автоматизации 19. Кроме того, методы ПЭХ обычно требуют критического и трудоемкого выравнивания системы линз инструмента для достижения оптимальной производительности.
Совсем недавно, интерес смещается в сторону улучшения разрешающей способности метода дифракции Kikuchi в SEM, путем изменения способа сигнал получают и анализируют. Келлер и Гейсс представили новую форму низкоэнергетической передачи Kikuchi дифракции , выполняемую в SEM 20. Метод, который они назвали передачи-EBSD (трет-Й), требует детектора Йи соответствующее программное обеспечение для сбора и анализа изменения угловой интенсивности в большие углы рассеяния вперед электронов в передаче. Используя эту технику, они были в состоянии собирать образцы Кикучи из наночастиц и нано-зерен с размерами ниже 10 нм в диаметре. Тот факт, что дифрагированные электроны, анализируемые в этом случае идут через образец и не выбрасываются обратно от поверхности образца, вызвал изменение в терминологии, чтобы более адекватно описывает технику; это теперь называется Transmission Кикучи дифракция или ТКД. Методика ТКД была оптимизирована с помощью Trimby , чтобы более высокого разрешения и автоматическое получение ориентации карты 17. Этот метод также может быть связан с энергетической дисперсии рентгеновской спектроскопии (EDS) для сбора информации о химических свойствах при проведении кристаллографического анализа ориентации 21.
В настоящем документе содержатся требования в отношении оборудованияи образцы для проведения экспериментов ТКД, описывает различные шаги, необходимые для сбора данных, а также представлены результаты, полученные на четырех различных образцов, чтобы показать степень возможных применений техники. Примеры, представленные здесь, являются либо металлические сплавы, которые были подвергнуты интенсивной пластической деформации для создания UFG / нанокристаллических материалов или геологические материалы, которые также были подвергнуты интенсивной пластической деформации и рафинированных присутствующих микроструктур.
Protocol
Representative Results
Discussion
Все данные, представленные в этой статье, были получены с использованием стандартного, коммерческая системой Й. Такая система доступна во многих лабораториях по всему миру, а это значит, что этот метод может быть легко применен в этих лабораториях, без необходимости каких-либо дополнительных инвестиций. Никакие изменения в конфигурации SEM и без дополнительного программного обеспечения не требуется использовать систему Й для сбора данных ТКДА. Поэтому переход от традиционного EBSD к ТКД очень легко. Скорость сбора данных для ТКД аналогична из EBSD, которая в настоящее время достигает примерно до 1000 шаблонов / с 19. Этот высокий уровень частично из – за очень высокой степенью автоматизации техники, в том числе для калибровки положения модели центра и изменения шаблона центра во время сканирования 19. TKD выиграют от всех этих преимуществ. Кроме того, ТКД, как EBSD, может быть легко соединен с EDS, чтобы получить дополнительные химическиеинформация (рисунок 7).
Подготовка проб очень важна для получения данных в ТКДЕ, поэтому время должно быть потрачено на шаге 1.2, чтобы гарантировать, что образец достаточно тонкий, чтобы проанализировать. В противном случае нет смысла начинать эксперимент. Правильно настройка параметров РЭМ имеет первостепенное значение в получении надежных данных. Пользователи должны особенно обратить внимание на шаги 2.5 и 2.11, а также значения параметров, приведенные в протоколе, возможно, должны быть скорректированы с конкретными SEM, EBSD систем и образцов. Параметры для оптимизации распознавания (этап 3.7), также очень важно, чтобы обеспечить хорошее качество собираемых данных. Эти параметры должны быть проверены на различные модели в разных регионах области сканирования, чтобы убедиться, что вся область интереса может быть надлежащим образом отсканирована с высокой скоростью индексации.
Различные примеры, представленные в этой статье, свидетельствуют о высоком разрешенииспособность методы по сравнению с традиционной EBSD. Несмотря на прогресс , достигнутый с аппаратным и программным обеспечением систем SEM и EBSD, разрешение метода EBSD не может достигать значений ниже 20 нм для материалов с высокой плотностью 17, что означает , что отличительные признаки меньше , чем 50 нм в этих материалах будет невозможно. Работа с менее плотными материалами будет увеличивать размер самого маленького разрешаемого элемента до отметки 100 нма. На фиг.6b показано , что можно использовать ТКД , чтобы охарактеризовать особенности, такие как гпу планок , присутствующих в деформированных сплавах Co-Cr-Mo, которые являются как малые , как от 10 до 20 нм, в качестве пространственного разрешения техники может быть , как цена от 2 нм 17.
Геологические материалы, как правило, не проводят электрический ток или полупроводниковая, который часто создает некоторые трудности, когда они должны быть охарактеризованы с использованием традиционных EBSD. Эта проблема не представляет себя в то время как Uпеть ТКД. Объем взаимодействия в ходе анализа настолько мал, учитывая тонкую геометрию образца, что нет никаких проблем проводимости. Этот небольшой объем взаимодействия также является преимущество при работе с сильно деформированными материалами, как правило, высокая плотность дислокаций не позволяет получить образцы, которые могут быть проиндексированы с использованием традиционных EBSD. Как можно видеть на фигуре 8, сильно деформированного алмаз можно охарактеризовать с помощью ТКД , несмотря на высокие плотности дислокаций , присутствующих в его зерен.
Одно ограничение техники касается подготовки образцов. Это труднее получить хороший образец для ТКДА, чем для EBSD. Методики подготовки образцов такие же, как и для ТЕМ подготовки образцов, что означает их трудно и отнимает много времени. Поиск правильной области для анализа также является проблемой, которая может быть решена с помощью специальных методов, таких как с помощью FIB, если она адекватна для типа образца, чтобы бытьизучал. Пространственное разрешение улучшается весьма значительно с ТКДОМ по сравнению с EBSD , но все еще не так хорошо , как то , что может быть достигнута с помощью ТОГО 17, 19.
В данной работе показано, что ТКД является ценный метод для характеристики нанокристаллических и УМЗ материалов различного происхождения. Простота применения, скорость, разрешение и гибкость в плане проводимости перевешивают трудности при подготовке проб. Будущая техники находится в месте в характеристике. При использовании на месте механической испытательной установки в при проведении анализа TKD, можно будет наблюдать , как эти нано- и ультра-тонкие микроструктура изменяются под действием внешней нагрузки. Это увеличит наши знания о деформационных механизмов нанокристаллических и УМЗ материалов.
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 |
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. , (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. , (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. , 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).
