織構(gòu)ODF分析方法及織構(gòu)學(xué)習(xí)教案

織構(gòu)ODF分析方法及織構(gòu)

織構(gòu)的表示與檢測(cè)第二部分目錄第一部分織構(gòu)概念與種類第四部分深沖板生產(chǎn)過(guò)程織構(gòu)的演變板材織構(gòu)與深沖性能的相互關(guān)系第三部分第五部分板材織構(gòu)在線檢測(cè)技術(shù)

金屬或合金材料經(jīng)過(guò)拉拔、擠壓、鑄造、軋制等加工后，材料內(nèi)部的晶粒會(huì)沿一定的晶體學(xué)位向排列，稱為擇優(yōu)取向，具有擇優(yōu)取向的多晶體結(jié)構(gòu)稱為織構(gòu)?？棙?gòu)產(chǎn)生于多晶材料物理冶金的各種過(guò)程之中鑄造塑性變形再結(jié)晶燒結(jié)1織構(gòu)的概念相變第一部分織構(gòu)的概念與種類2織構(gòu)的種類

鑄造織構(gòu)塑性變形織構(gòu)形核晶粒長(zhǎng)大

再結(jié)晶織構(gòu)材料的織構(gòu)問(wèn)題具有普遍意義，因此一般材料不可避免地存在不同程度的織構(gòu)問(wèn)題！3織構(gòu)的類型<UVW>{HKL}<UVW>{HKL}絲織構(gòu)板織構(gòu)面織構(gòu)織構(gòu)的類型織構(gòu)的表示方法晶體學(xué)指數(shù)表示法極圖表示法反極圖表示法三維取向分布函數(shù)表示法（ODF){HKL}<UVW>第二部分織構(gòu)的表示與檢測(cè)1晶體學(xué)指數(shù)表示法絲織構(gòu)<UVW>板織構(gòu){hkl}<UVW>面織構(gòu){HKL}優(yōu)點(diǎn)

表示晶體空間擇優(yōu)取向形象、具體，文字書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)潔明了缺點(diǎn)

只表示出晶體取向的理想位置，未表示出織構(gòu)的強(qiáng)弱及漫散程度2極圖表示法直接極圖反極圖

為了表示出織構(gòu)的強(qiáng)弱及漫散程度，常用的是極射平面投影方法。晶體在三維空間中取向分布的三維極射赤面投影，稱為極圖極射赤面投影示意圖投影球的赤道大圓平面與軋面也即試樣被測(cè)面重合，軋面法線投影到大圓的圓心，軋向與大圓豎直直徑相重，橫向與水平直徑重合。放置在球心的晶體，某晶面法線與上半球面的交點(diǎn)為P′，由下半球南極向P′點(diǎn)引出投射線，與赤道平面大圓的交點(diǎn)P，即為此晶面(法線)的極射赤面投影。直接極圖極射赤面投影示意圖

把單晶體放在投影球球心，依次使某些特定晶面與赤道平面重合，然后將其他各晶面法線投影到赤道平面上，便成標(biāo)準(zhǔn)投影圖作用：用于標(biāo)定極圖織構(gòu)。單晶標(biāo)準(zhǔn)投影圖（001）

（110）單晶標(biāo)準(zhǔn)投影圖（111）（112）直接極圖的判定（111）{111}<112>>

211極圖無(wú)織構(gòu)試樣極圖200極圖110極圖必須指出

同一試樣的(200)極圖與(110)或其他(hkl)極圖上的極密度分布的花樣可以不同，但根據(jù)它們所標(biāo)定的織構(gòu)卻是相同的。，

實(shí)際工作中可根據(jù)需要和方便，選測(cè)某一特定(hkl)極圖。還可用另一(hkl)

極圖驗(yàn)證所定織構(gòu)的正確性。因此所測(cè)極圖必須標(biāo)明是哪一個(gè)(hkl)晶面的極圖。當(dāng)試樣中織構(gòu)組分較多，且較為漫散時(shí)，易于導(dǎo)致誤判和漏判。反極圖也是極射赤面投影表示方法。各晶粒對(duì)應(yīng)的某些特征外觀方向（軋面法向、軋向、橫向）在晶體學(xué)取向坐標(biāo)系中所作的極射赤面投影分布圖。由于二者投影的坐標(biāo)系與被投影的對(duì)象剛好相反，故稱反極圖。具體講它是把選定方向在各個(gè)晶粒內(nèi)出現(xiàn)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪出其分布規(guī)律的一種極射赤面投影。即樣品坐標(biāo)系在晶體坐標(biāo)系中的投影。通常，反極圖最適合于用來(lái)表示絲織構(gòu)。反極圖軋向反極圖軋面反極圖用反極圖判定板織構(gòu)時(shí)，軋向反極圖軸密度最大的晶向<UVW>即可能為平行于軋向的晶向，而軋面法向反極圖軸密度最大的極點(diǎn)相應(yīng)的晶面{HKL}可能是平行于軋面的晶面，然后考慮它們間的排列組合，且需符合晶帶定律HU＋KV＋LW＝0，最后用嘗試法確定一個(gè)或幾個(gè)板織構(gòu)(HKL)[UVW]。(111)[011](111)[112]主要有其次有(112)[011]反極圖的判定3三維取向分布函數(shù)表示法（ODF)-現(xiàn)代織構(gòu)分析技術(shù)晶粒取向極圖和反極圖用二維圖像描述晶體三維的取向分布，必有不足之處。特別是在織構(gòu)復(fù)雜和漫散的情況下，易于錯(cuò)判和漏判。上世紀(jì)60年代由羅伊(Roe)和邦厄(Bunge)提出用晶粒取向分布函數(shù)表示織構(gòu)方法—三維取向分布函數(shù)（Orientationdistributionfuction)Χ

極角η

幅角γ

轉(zhuǎn)角初始取向一般取向

OXYZ相對(duì)于OABC的任何取向均可通過(guò)三轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。取向的表達(dá)方式在O-A-B-C內(nèi)O-X-Y-Z任意取向可以用{θ，ψ，φ}三個(gè)自由變量表示以θ，ψ，φ(或φ1，ψ，

φ2）為坐標(biāo)軸建立一直角坐標(biāo)架，形成取向空間(歐拉空間)，在歐拉空間中任一晶粒P的取向{θ，ψ，φ}在歐拉空間里均用一點(diǎn)表示，將試樣所有晶粒的取向逐一標(biāo)點(diǎn)，即該被測(cè)材料的晶粒取向分布圖。故多晶體中每個(gè)晶粒都可用一組歐拉角表示其取向Ω（ψ，θ，φ）。歐拉空間（取向空間）多晶材料測(cè)定各晶粒方位，在（θ，ψ，φ）處的取向密度定義為：式中，為包含取向Ω（ψ，θ，φ）的取向元；ΔV/V為取向落在該取向元的晶粒體積ΔV與試樣體積V之比；K為常數(shù)。確切表達(dá)了織構(gòu)材料內(nèi)晶粒取向分布情況，稱取向分布函數(shù)（ODF）。在1965年Bunge和Roe獨(dú)立提出了織構(gòu)的晶粒三維取向分布函數(shù)（OrientationDidtributionFunction,ODF)表示法和測(cè)定。所以目前存在Roe符號(hào)系統(tǒng)（θ，ψ，φ）和Bunge符號(hào)系統(tǒng)（φ1，ψ，

φ2）

，二者無(wú)本質(zhì)區(qū)別。ODF的出現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用使人們對(duì)晶體材料織構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)。ODF突破了傳統(tǒng)用一維或二維空間描述三維取向分布的方法，建立了三維空間描述晶體取向分布，從而克服了傳統(tǒng)方法的種種弊端，并能確切、定量地給出被測(cè)材料的織構(gòu)組分和計(jì)算各項(xiàng)異性，使材料織構(gòu)和計(jì)算各項(xiàng)異性的研究進(jìn)入定量階段。ψθφIF鋼三維空間取向分布體心立方金屬主要取向及取向線在歐拉空間中的分布在Euler空間中，金屬的取向一般集中分布在一些點(diǎn)和線上。取向集中分布的線稱為取向線。以歐拉角（θ，ψ，φ）或（φ1，ψ，φ2）表示晶粒取向

難以繪制和分析，因而通常以一組恒φ2（每隔5°)截面圖（Bunge符號(hào)系統(tǒng)）或恒φ截面圖（Roe符號(hào)系統(tǒng))表示。

對(duì)于體心立方晶體具有代表性的織構(gòu)通常是<l11>//ND的γ纖維織構(gòu)和<l10>//RD的α纖維織構(gòu)。用φ=45°截面圖中就可以完全表示出γ纖維織構(gòu)和α纖維織構(gòu)的分布。IF鋼ODF恒φ截面圖IF鋼ODF恒φ=45°截面圖在空間取向分布φ=45°截面圖上的理想取向（Roe)γ織構(gòu)α織構(gòu)越強(qiáng)越好織構(gòu)的ODF表示法是表示織構(gòu)的很好方法，但目前尚不能直接用衍射方法測(cè)得，而是通過(guò)測(cè)定材料的一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)極圖而用計(jì)算法求得，如級(jí)數(shù)展開(kāi)法、矢量法、解積分方程法、最大熵法等可以完整、清楚、準(zhǔn)確的描述織構(gòu)可直接與多晶材料的物理參數(shù)相聯(lián)系可以利用ODF回算任意極圖優(yōu)點(diǎn)4織構(gòu)的測(cè)量方法金相蝕坑法

多用于定多晶板、帶材晶面位向，形象直觀，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，不需要專門(mén)的設(shè)備。對(duì)操作人員要求較高，不同材料侵蝕劑不同，只能定性描述材料織構(gòu)情況。檢驗(yàn)面有位錯(cuò)露頭的地方，在特定浸蝕條件下，優(yōu)先腐蝕，產(chǎn)生位錯(cuò)蝕坑．位錯(cuò)蝕坑的形狀將取決于它所在晶體的織構(gòu)取向．通過(guò)蝕坑計(jì)數(shù)可確定表面露頭位錯(cuò)密度的大小，而觀察蝕坑的形狀則可以判定蝕坑所在晶體的織構(gòu)取向．腐蝕坑與位錯(cuò)露頭之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，但達(dá)到位錯(cuò)露頭與蝕坑一一對(duì)應(yīng)則取決于浸蝕劑成分、表面質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)操作等因素。

蝕坑法測(cè)定鋁合金織構(gòu)

目前分析與研究材料織構(gòu)最主要和最常用的技術(shù)手段，用于測(cè)量材料宏觀織構(gòu)，結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。首先測(cè)定材料極圖，由于傳統(tǒng)極圖只提供二維空間，不足以表示三維空間的取向分布問(wèn)題，難以進(jìn)行織構(gòu)的定量分析，所以極圖通過(guò)一系列數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換為三維取向分布函數(shù)。目前衍射儀法測(cè)定極圖已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，《金屬材料定量極圖的測(cè)定》，GB/T17103-1997

X射線衍射儀數(shù)學(xué)方法極圖測(cè)定ODF定量性能估算反射法透射法X射線衍射儀測(cè)定ODF流程X射線衍射儀法用于微觀組織表征和及微區(qū)晶體取向的測(cè)定，是近十年來(lái)材料微觀分析最重要的進(jìn)展。優(yōu)點(diǎn)可以對(duì)材料單個(gè)晶體進(jìn)行織構(gòu)分析與TEM相比，樣品制備簡(jiǎn)單同時(shí)展現(xiàn)晶體材料微觀形貌、結(jié)構(gòu)與取向。如與EDS集成可展現(xiàn)微區(qū)成分電子背散射衍射（EBSD)法通過(guò)對(duì)織構(gòu)的研究將進(jìn)一步挖掘材料的潛力！織構(gòu)直接影響材料的物理和力學(xué)性能。材料中存在織構(gòu)是有利還是有害﹐視對(duì)材料的性能要求而定。例汽車外殼的深沖薄鋼板﹐存在一般織構(gòu)將使其變形不均勻，產(chǎn)生皺紋或發(fā)生破裂；但具有（111）型板織構(gòu)的板材，其深沖性能良好。制造變壓器的硅鋼片則希望使易磁化的〈100〉方向平行于軋向，立方織構(gòu)的硅鋼片，具有很低的鐵損。

第三部分板材織構(gòu)與深沖性能的相互關(guān)系塑性應(yīng)變比（r)凸耳參數(shù)（Δr)加工硬化指數(shù)（n值）評(píng)價(jià)板材深沖性能的主要指標(biāo)為：塑性應(yīng)變比（r值)制耳參數(shù)（Δr值）1板材深沖性能評(píng)價(jià)指標(biāo)深沖性是金屬板材在沖壓過(guò)程中抵抗失效（斷裂、瓢曲、起皺、形狀扭曲）的能力。2塑性應(yīng)變比（r值）定義：將金屬薄板試樣單軸拉伸到產(chǎn)生均勻塑性變形時(shí)，試樣標(biāo)距內(nèi)，寬度方向的真實(shí)應(yīng)變與厚度方向的真實(shí)應(yīng)變之比。反映了金屬薄板在某平面內(nèi)承受拉力或壓力時(shí)，抵抗變薄或變厚的能力。它與多晶材料中織構(gòu)組分有關(guān)。r=1時(shí)各向同性，r＞1時(shí)板平面方向較厚度方向更容易變形。對(duì)于深沖板材r值越大，表明在成形過(guò)程中板材不易減薄。由于板平面內(nèi)的不同方向上具有不同的r值，為此用平均值表示：

從圖可看出，板材的織構(gòu)是影響r值的主要因素。板材的γ纖維織構(gòu)越強(qiáng)，α纖維織構(gòu)越弱。其深沖性能越好。

Ⅰ{111}/Ⅰ{100}與r值關(guān)系3制耳參數(shù)（Δr值）△r表示塑性應(yīng)變比r值在板面上隨方向的變化，△r值的大小決定了杯型拉伸件杯口部位凸耳的形成程度，用圓形坯料拉深板材時(shí)，當(dāng)△r

>0時(shí)，凸耳出現(xiàn)在0°和90°方向；當(dāng)△r

<0時(shí)，凸耳出現(xiàn)在士45°方向：△r=0時(shí)，不產(chǎn)生凸耳。由于凸耳的位置與大小和△r有關(guān)，所以△r也叫凸耳參數(shù)?！鱮值越大，板面內(nèi)各向異性越嚴(yán)重，表現(xiàn)在拉伸件邊緣不齊，形成凸耳，影響成形件質(zhì)量和成品率。

Δr＞0Δr=0Δr＜04主要織構(gòu)組分對(duì)板材深沖性能的影響深沖鋼板的織構(gòu)往往體現(xiàn)為纖維織構(gòu),通常主要分布在α-<110>//RD和γ-<111>//ND取向線上。{001}<110>、{001}<100>{111}<110>、{111}<112>、{554}<225>{112}<110>鐵單晶力學(xué)性能{001}<110>、{001}<100>的影響從提高深沖鋼板成形性能的角度來(lái)看應(yīng)嚴(yán)格避免{001}<110>、{001}<100>兩類織構(gòu)，這類織構(gòu)織構(gòu)造成鋼板沖壓時(shí)厚度方向易于變形，即易于減薄，使得r值非常小，嚴(yán)重惡化了深沖鋼板的成形性能。由于{001}織構(gòu)的<100>晶向垂直于板面,所以這種織構(gòu)造成板材在沖壓過(guò)程易于減薄，導(dǎo)致開(kāi)裂。

{111}<110>、{111}<112>、{554}<225>的影響

由于體心立方金屬中<111>晶向的拉伸強(qiáng)度最高，所以{111}織構(gòu)使得深沖鋼板在沖壓變形時(shí)厚向最不容易變形，因而r值很大、成型性能良好。{554}<225>與{111}<112>的取向非常接近，所以其影響特點(diǎn)與{111}<112>類似。一般情況下，{111}<110>織構(gòu)導(dǎo)致θ=30°、90°方向r值較大，而{111}<112>織構(gòu)θ=0°、60°方向r值較大。因此，如果在γ取向線上得到等強(qiáng)度織構(gòu)分布，將會(huì)減少深沖鋼板的沖壓制耳。{111}<110>、{111}<112>和{554}<225>織構(gòu)是深沖鋼板生產(chǎn)中公認(rèn)的有利織構(gòu)。{112}<110>

{112}<110>的影響{112}<110>織構(gòu)在冷軋深沖鋼板中并沒(méi)有起到主導(dǎo)影響作用，但它對(duì)板材的平面各項(xiàng)異性有顯著作用，{112}<110>織構(gòu)造成的rθ-θ曲線分布為倒V型?？梢钥闯?{112}<110>織構(gòu)對(duì)深沖鋼板塑性應(yīng)變比的影響特點(diǎn)必然是Δr<0。由于冷軋深沖鋼板的塑性應(yīng)變比特點(diǎn)一般總是Δr>0,針對(duì)這一特點(diǎn),不妨可以考慮通過(guò)工藝控制在成品板中保留一定量的{112}<110>織構(gòu),以減小深沖鋼板的Δr值。第四部分深沖鋼生產(chǎn)過(guò)程中織構(gòu)演變

熱軋態(tài)金相顯微組織

（縱向×100）空間取向分布φ=45°截面圖上取向織構(gòu)OD截面圖（φ=45°）1熱軋過(guò)程熱軋織構(gòu)形成機(jī)理熱軋織構(gòu)較為漫散和紊亂，這是由于金屬在熱變形過(guò)程中，其內(nèi)部主要發(fā)生兩種微觀過(guò)程。其一是以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主的塑性變形，并伴隨著金屬基體缺陷密度的升高；其二是以回復(fù)、形核和晶粒長(zhǎng)大為主的再結(jié)晶過(guò)程，并伴隨著金屬基體缺陷密度的下降。二者在變形過(guò)程中同時(shí)或交替出現(xiàn)，使兩類織構(gòu)均不能得到充分發(fā)展，在隨后的相變過(guò)程中會(huì)遺傳給鐵素體，所以往往導(dǎo)致熱軋后形成很弱和較為復(fù)雜的織構(gòu)狀態(tài)。影響因素5.壓下率4.卷曲溫度3.終軋溫度2.加熱溫度1.化學(xué)成分熱軋過(guò)程影響織構(gòu)因素6.潤(rùn)滑

冷軋態(tài)縱向金相顯微組織×100

冷軋態(tài)式樣四分之一厚度織構(gòu)的ODF截面圖（φ=45°）2冷軋過(guò)程冷軋過(guò)程影響織構(gòu)因素影響因素1.化學(xué)成分2.壓下率3.潤(rùn)滑冷軋織構(gòu)形成機(jī)理冷軋軋織構(gòu)已經(jīng)形成明顯的α-<110>//RD織構(gòu)和γ-<111>//ND織構(gòu)，二者都比較強(qiáng)烈。冷軋時(shí)由于有晶界的限制，多晶體不能像單晶體那樣自由轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒只有沿著某些特定的滑移系滑移并轉(zhuǎn)動(dòng)，原來(lái)為任意取向的各晶粒會(huì)逐漸調(diào)整其取向，不斷在取向空間的穩(wěn)定取向上聚積，出現(xiàn)擇優(yōu)取向，即形成形變織構(gòu)。隨變形量加大，擇優(yōu)取向程度加大，形變織構(gòu)加強(qiáng)。對(duì)于體心立方金屬，熱軋制后漫散的各晶粒取向逐漸向{111},{112}和{100}轉(zhuǎn)動(dòng)，故形成穩(wěn)定的取向α纖維織構(gòu)和γ纖維織構(gòu)。750℃再結(jié)晶退火840℃再結(jié)晶退火3再結(jié)晶過(guò)程

α取向線γ取向線不同生產(chǎn)階段試樣1/4厚度層織構(gòu)α和γ取向線不同生產(chǎn)階段織構(gòu)取向線再結(jié)晶過(guò)程影響織構(gòu)因素影響因素2.退火溫度1.化學(xué)成分3.退火時(shí)間4.退火方式5.第二相粒子再結(jié)晶過(guò)程織構(gòu)形成機(jī)理再結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，新生成的核取向以及長(zhǎng)大的晶粒的取向往往不是隨機(jī)分布，這個(gè)過(guò)程受很多因素的影響，如基體材料的化學(xué)性質(zhì)、形變織構(gòu)的類型、再結(jié)晶溫度、時(shí)間等。再結(jié)晶織構(gòu)的形成機(jī)制受人們關(guān)注，但由于實(shí)驗(yàn)方法及手段的限制，人們對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)的形成機(jī)制一直存有爭(zhēng)議。目前較有影響的再結(jié)晶織構(gòu)演變機(jī)制有：選擇生長(zhǎng)理論再結(jié)晶織構(gòu)形成機(jī)制定向形核理論定向形核—選擇生長(zhǎng)聯(lián)合理論在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中板材退火后，織構(gòu)由強(qiáng)的γ-<111>//ND織構(gòu)和弱的α-<110>//RD織構(gòu)組成。退火織構(gòu)的形成受形變織構(gòu)和退火工藝的影響較大。冷軋變形時(shí)組織中產(chǎn)生形變儲(chǔ)存能，為后續(xù)的退火再結(jié)晶提供了前提，不同取向晶粒存儲(chǔ)能的大小順序?yàn)镋{110}＞E{111}＞E{112}