Texture (cristalline) - Texture (crystalline)
En science des matériaux , la texture est la distribution des orientations cristallographiques d'un échantillon polycristallin (elle fait également partie du tissu géologique ). On dit qu'un échantillon dans lequel ces orientations sont entièrement aléatoires n'a pas de texture distincte. Si les orientations cristallographiques ne sont pas aléatoires, mais ont une orientation préférée, alors l'échantillon a une texture faible, modérée ou forte. Le degré dépend du pourcentage de cristaux ayant l'orientation préférée. La texture est visible dans presque tous les matériaux d'ingénierie et peut avoir une grande influence sur les propriétés des matériaux. De plus, les roches géologiques présentent une texture en raison de leur histoire thermomécanique des processus de formation.
Un cas extrême est un manque complet de texture: un solide avec une orientation cristallite parfaitement aléatoire aura des propriétés isotropes à des échelles de longueur suffisamment plus grandes que la taille des cristallites. L'extrême opposé est un monocristal parfait, qui a probablement des propriétés anisotropes par nécessité géométrique.
Caractérisation et représentation
La texture peut être déterminée par diverses méthodes. Certaines méthodes permettent une analyse quantitative de la texture, tandis que d'autres ne sont que qualitatives. Parmi les techniques quantitatives, la plus largement utilisée est la diffraction des rayons X à l' aide de goniomètres à texture, suivie de la méthode EBSD ( diffraction par rétrodiffusion électronique ) dans les microscopes électroniques à balayage . L'analyse qualitative peut être effectuée par photographie de Laue , simple diffraction des rayons X ou avec un microscope polarisé. La diffraction des rayons X à haute énergie neutronique et synchrotron convient à la détermination des textures de matériaux en vrac et à l' analyse in situ , tandis que les instruments de diffraction des rayons X de laboratoire sont plus appropriés pour l'analyse des textures de couches minces.
La texture est souvent représentée à l'aide d'une figure de pôle , dans laquelle un axe cristallographique (ou pôle) spécifié de chacun d'un nombre représentatif de cristallites est tracé dans une projection stéréographique, ainsi que des directions pertinentes pour l'historique de traitement du matériau. Ces directions définissent ce que l'on appelle le cadre de référence de l'échantillon et sont, parce que l'investigation des textures a commencé à partir du travail à froid des métaux, généralement désignées comme la direction de laminage RD , la direction transversale TD et la direction normale ND . Pour les fils métalliques étirés, l'axe de fibre cylindrique s'est avéré être la direction de l'échantillon autour de laquelle l'orientation préférée est généralement observée (voir ci-dessous).
Diffractomètre à quatre cercles, ou berceau eulérien, pour la mesure de texture avec diffraction des rayons X
χ mode pour la mesure de la réflexion
Mode Ω pour la mesure de transmission
Textures courantes
Il existe plusieurs textures que l'on trouve couramment dans les matériaux traités (cubiques). Ils sont nommés soit par le scientifique qui les a découverts, soit par le matériau dans lequel ils se trouvent le plus. Ils sont donnés dans des indices de meunier à des fins de simplification.
- Composant cube: (001) [100]
- Composant en laiton: (110) [- 112]
- Composant en cuivre: (112) [11-1]
- Composant S: (123) [63-4]
Fonction de distribution d'orientation
La représentation 3D complète de la texture cristallographique est donnée par la fonction de distribution d'orientation ( ) qui peut être obtenue par l'évaluation d'un ensemble de figures de pôles ou de diagrammes de diffraction. Par la suite, toutes les figures de pôles peuvent être dérivées du .
Le est défini comme la fraction volumique de grains avec une certaine orientation .
L'orientation est normalement identifiée à l'aide de trois angles d'Euler . Les angles d'Euler décrivent ensuite la transition du cadre de référence de l'échantillon dans le cadre de référence cristallographique de chaque grain individuel du polycristal. On aboutit ainsi à un grand ensemble d'angles d'Euler différents, dont la distribution est décrite par le .
La fonction de distribution d'orientation,, ne peut être mesurée directement par aucune technique. Traditionnellement, la diffraction des rayons X et l'EBSD peuvent collecter des figures de pôles. Différentes méthodologies existent pour obtenir les chiffres des pôles ou des données en général. Ils peuvent être classés en fonction de la manière dont ils représentent le fichier . Certains représentent la fonction, la somme de fonctions ou l'étendent en une série de fonctions harmoniques. D'autres, appelées méthodes discrètes, divisent l' espace en cellules et se concentrent sur la détermination de la valeur du dans chaque cellule.
Origines
Dans le fil et la fibre , tous les cristaux ont tendance à avoir une orientation presque identique dans la direction axiale, mais une orientation radiale presque aléatoire. Les exceptions les plus connues à cette règle sont la fibre de verre , qui n'a pas de structure cristalline , et la fibre de carbone , dans laquelle l'anisotropie cristalline est si grande qu'un filament de bonne qualité sera un monocristal déformé avec une symétrie approximativement cylindrique (souvent comparée à une gelée rouler ). Les fibres monocristallines ne sont pas rares non plus.
La fabrication de la feuille de métal implique souvent une compression dans un sens et, dans des opérations de laminage efficaces, une tension dans un autre, ce qui peut orienter les cristallites dans les deux axes par un processus appelé écoulement de grain . Cependant, le travail à froid détruit une grande partie de l'ordre cristallin, et les nouvelles cristallites qui apparaissent avec le recuit ont généralement une texture différente. Le contrôle de la texture est extrêmement important dans la fabrication de la tôle d' acier au silicium pour les noyaux de transformateurs (pour réduire l' hystérésis magnétique ) et des boîtes en aluminium (car l'emboutissage profond nécessite une plasticité extrême et relativement uniforme ).
La texture dans les céramiques survient généralement parce que les cristallites dans une suspension épaisse ont des formes qui dépendent de l'orientation cristalline, souvent en forme d'aiguille ou de plaque. Ces particules s'alignent au fur et à mesure que l'eau quitte la suspension ou lorsque l'argile se forme.
La coulée ou d'autres transitions fluide-solide (c'est-à-dire le dépôt en couche mince ) produisent des solides texturés lorsqu'il y a suffisamment de temps et d'énergie d'activation pour que les atomes trouvent leur place dans les cristaux existants, plutôt que de se condenser sous forme de solide amorphe ou de démarrer de nouveaux cristaux aléatoires orientation. Certaines facettes d'un cristal (souvent les plans serrés) se développent plus rapidement que d'autres, et les cristallites pour lesquelles l'un de ces plans fait face dans le sens de la croissance surpasseront généralement les cristaux dans d'autres orientations. A l'extrême, un seul cristal survivra après une certaine longueur: cela est exploité dans le procédé Czochralski (sauf si un germe cristallin est utilisé) et dans la coulée d' aubes de turbine et autres pièces sensibles au fluage .
Propriétés de la texture et des matériaux
Les propriétés du matériau telles que la résistance , la réactivité chimique, la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte , la soudabilité , le comportement à la déformation, la résistance aux dommages causés par les radiations et la susceptibilité magnétique peuvent être fortement dépendantes de la texture du matériau et des changements connexes de microstructure . Dans de nombreux matériaux, les propriétés sont spécifiques à la texture et le développement de textures défavorables lorsque le matériau est fabriqué ou utilisé peut créer des faiblesses qui peuvent déclencher ou aggraver des défaillances. Les pièces peuvent ne pas fonctionner en raison de textures défavorables dans les matériaux de leurs composants. Les échecs peuvent être en corrélation avec les textures cristallines formées lors de la fabrication ou de l'utilisation de ce composant. Par conséquent, la prise en compte des textures présentes et susceptibles de se former dans les composants techniques lors de leur utilisation peut être critique lors de la prise de décisions concernant la sélection de certains matériaux et méthodes employées pour fabriquer des pièces avec ces matériaux. Lorsque des pièces échouent lors de l'utilisation ou de l'abus, la compréhension des textures qui se produisent dans ces pièces peut être cruciale pour une interprétation significative des données d' analyse des défaillances .
Textures de films minces
En raison des effets de substrat produisant des orientations de cristallite préférées, des textures prononcées ont tendance à se produire dans des films minces . Les dispositifs technologiques modernes reposent dans une large mesure sur des films minces polycristallins avec des épaisseurs de l'ordre du nanomètre et du micromètre. Cela vaut, par exemple, pour tous les systèmes microélectroniques et la plupart des systèmes optoélectroniques ou les couches sensorielles et supraconductrices . La plupart des textures de film mince peuvent être classées dans l'un des deux types différents: (1) pour les textures dites de fibres, l'orientation d'un certain plan de réseau est préférentiellement parallèle au plan du substrat; (2) dans les textures biaxiales, l'orientation dans le plan des cristallites a également tendance à s'aligner par rapport à l'échantillon. Ce dernier phénomène est par conséquent observé dans des processus de croissance presque épitaxiaux , où certains axes cristallographiques des cristaux dans la couche ont tendance à s'aligner le long d'une orientation cristallographique particulière du substrat (monocristallin).
La personnalisation de la texture à la demande est devenue une tâche importante dans la technologie des couches minces. Dans le cas de composés d'oxyde destinés à des films conducteurs transparents ou à des dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), par exemple, l'axe polaire doit être aligné le long de la normale du substrat. Un autre exemple est donné par les câbles de supraconducteurs à haute température qui sont développés sous forme de systèmes multicouches d'oxydes déposés sur des rubans métalliques. L'ajustement de la texture biaxiale dans les couches YBa 2 Cu 3 O 7 − δ s'est avéré être la condition préalable décisive pour obtenir des courants critiques suffisamment importants.
Le degré de texture est souvent soumis à une évolution lors de la croissance des couches minces et les textures les plus prononcées ne sont obtenues qu'après que la couche a atteint une certaine épaisseur. Les producteurs de films minces ont donc besoin d'informations sur le profil de texture ou le gradient de texture afin d'optimiser le processus de dépôt. La détermination des gradients de texture par diffusion des rayons X n'est cependant pas simple, car différentes profondeurs d'un échantillon contribuent au signal. Les techniques permettant une déconvolution adéquate de l'intensité de diffraction n'ont été développées que récemment.
Les références
Lectures complémentaires
- Bunge, H.-J. "Mathematische Methoden der Texturanalyse" (1969) Akademie-Verlag, Berlin
- Bunge, H.-J. "Analyse de texture en science des matériaux" (1983) Butterworth, Londres
- Kocks, UF, Tomé, CN, Wenk, H.-R., Beaudoin, AJ, Mecking, H. "Texture et anisotropie - Orientations préférées dans les polycristaux et leur effet sur les propriétés des matériaux" (2000) Cambridge University Press ISBN 0-521 -79420-X
- Birkholz, M., chapitre 5 de "Thin Film Analysis by X-ray Scattering" (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN 3-527-31052-5