基于X射線面探測(cè)器的織構(gòu)在線檢測(cè)技術(shù)

1、北京科技大學(xué)材料學(xué)系北京科技大學(xué)材料學(xué)系陳冷陳冷2012.8.6，貴陽，貴陽主要內(nèi)容主要內(nèi)容 研究背景研究背景 織構(gòu)在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史織構(gòu)在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史 主要研究結(jié)果主要研究結(jié)果 射線面探測(cè)器衍射幾何關(guān)系射線面探測(cè)器衍射幾何關(guān)系 采集衍射數(shù)據(jù)采集衍射數(shù)據(jù)的的策略策略 極圖與取向分布函數(shù)極圖與取向分布函數(shù)的模擬的模擬計(jì)算方法計(jì)算方法 典型金屬典型金屬的的織構(gòu)在線檢測(cè)織構(gòu)在線檢測(cè) 總結(jié)總結(jié) 織構(gòu)是材料在加工處理過程中普遍存在的現(xiàn)象，常見的織構(gòu)是材料在加工處理過程中普遍存在的現(xiàn)象，常見的如如變形織構(gòu)變形織構(gòu)、再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)和和相變織構(gòu)相變織構(gòu)等。等。 織構(gòu)會(huì)對(duì)材料的相關(guān)力學(xué)和物理性

2、能產(chǎn)生重要影響，如織構(gòu)會(huì)對(duì)材料的相關(guān)力學(xué)和物理性能產(chǎn)生重要影響，如無間隙原子鋼板中的無間隙原子鋼板中的g g纖維織構(gòu)纖維織構(gòu)對(duì)其沖壓性能、電容器對(duì)其沖壓性能、電容器鋁箔中的鋁箔中的立方織構(gòu)立方織構(gòu)對(duì)其電學(xué)性能、取向硅鋼中的對(duì)其電學(xué)性能、取向硅鋼中的Goss織織構(gòu)構(gòu)對(duì)其磁學(xué)性能，等等。對(duì)其磁學(xué)性能，等等。 通過織構(gòu)設(shè)計(jì)、控制和調(diào)整，可以改善材料的相關(guān)力學(xué)通過織構(gòu)設(shè)計(jì)、控制和調(diào)整，可以改善材料的相關(guān)力學(xué)和物理性能。和物理性能。 織構(gòu)測(cè)量在材料織構(gòu)研究中十分重要?？棙?gòu)測(cè)量在材料織構(gòu)研究中十分重要。研究背景研究背景 目前，織構(gòu)測(cè)量方法一般是采集若干個(gè)極圖數(shù)據(jù)，再計(jì)目前，織構(gòu)測(cè)量方法一般是采集若干個(gè)極圖

3、數(shù)據(jù)，再計(jì)算取向分布函數(shù)，通常需要算取向分布函數(shù)，通常需要幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。的時(shí)間。 織構(gòu)測(cè)量一般用抽檢方法，如取一卷金屬板材的頭部、織構(gòu)測(cè)量一般用抽檢方法，如取一卷金屬板材的頭部、中部和尾部進(jìn)行測(cè)量，屬于一種中部和尾部進(jìn)行測(cè)量，屬于一種靜態(tài)的靜態(tài)的、離線的離線的和和破壞破壞的的方法。方法。 現(xiàn)代工業(yè)希望實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程中的織構(gòu)變化，傳統(tǒng)織現(xiàn)代工業(yè)希望實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程中的織構(gòu)變化，傳統(tǒng)織構(gòu)測(cè)量方法已經(jīng)不能滿足要求，需要一種構(gòu)測(cè)量方法已經(jīng)不能滿足要求，需要一種動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)的、在線在線的的和和無損的無損的織構(gòu)測(cè)量方法?？棙?gòu)測(cè)量方法。 織構(gòu)在線檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)急需發(fā)展的技術(shù)?？?/p>

4、構(gòu)在線檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)急需發(fā)展的技術(shù)。研究背景研究背景Grain orientation and textureGrain orientation and textureTexture and mechanical propertiesTexture, microstructure and mechanical propertiesIndustrial process for manufacture of steel plateTexture evolutionRolling textureRecrystallization texture Recrystallization texture P

5、ole figures Modern texture analysis EBSD Neutron19651990TimeMethods on the deconvolution of pole figuresODF2000Micro-textureIn-situ measurementTexture analysis methodsH.J.Bunge, Z.Metallk., 1965,56:872874R . J . R o e , J . A p p l . P h y s . , 1965,36:20242031織構(gòu)在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史織構(gòu)在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史1996年，年，H.J.

6、Bunge等等( 德國德國Clausthal技術(shù)大學(xué)技術(shù)大學(xué) )在在Z.Metallkd.上發(fā)表論文上發(fā)表論文“Determination of quantitative, high-resolution pole figures with the area detector”；1998年，年，X射線多晶面探測(cè)器衍射系統(tǒng)問世射線多晶面探測(cè)器衍射系統(tǒng)問世(Bruker AXS公司公司)；2000年前后，年前后，B.B.He( Bruker AXS公司公司 )發(fā)表發(fā)表X射線射線面探測(cè)器原理和應(yīng)用等方面的論文；面探測(cè)器原理和應(yīng)用等方面的論文； 2001年開始，北京科技大學(xué)年開始，北京科技大學(xué)( Ch

7、en, Mao, Yu )開始發(fā)開始發(fā)表多篇用表多篇用X射線面探測(cè)器研究材料織構(gòu)的論文。射線面探測(cè)器研究材料織構(gòu)的論文。Kopineck H J. On-line texture measurement in a production line,In: Bunge H J, ed. Experimental Techniques of Texture Analysis.Oberursel: DGM Informationsgesellschaft Verlag, 1986X-ray tube with protective gear Steel strip Detector unit r-va

8、lue online measurement in Thyssen-KruppLarge rm and small D Dr required for deep drawing)2(21)()2(41)()/ln()/ln()/ln()/ln(9045090450rrranisotropyplanarrrrrvaluerrWLWLWWTTWWrmiifffififiDLiWiRolling Direction45900Lankford coefficient or r-valuer-value online measurement in Thyssen-KruppBunge H J, et a

9、l. Determination of quantitative, high-resolution pole figures with the area detector, Z.Metallkd. 1996Pole figure measurement by area detectorThe lines 2q q=const and g g=const on the detectorIntegration over the line profile along a line g g=constRapid texture measurement of Cu interconnectsKozacz

10、ek K J, et al. The 49th Annual Denver X-Ray Conference, 2000(a) Ta barrier layer (30 nm thick) shows a (110) fiber texture(b) electroplated Cu (0.5 m mm thick) shows a (111)+(511) fiber texture Data collection and processing approximately 1minute. (a) (b)Kozaczek K J, et al. The 49th Annual Denver X

11、-Ray Conference, 2000Rapid texture measurement of Cu interconnectsGADDSBruker AXS Schematic of 1D and 2D X-ray diffractometer1X-ray source；2incident X-ray；3sample；4diffracted X-ray；5detectorArea detector position in the laboratory systema a: swing angle2q qBragg angle；g gazimuthal angleGeometric def

12、inition of diffraction rings in lab axesGeometry convention azimuthal angle g g detector-sample distance d swing angle a a w w (q q ),f f,c c in Eulerian cradle x, y, z in sample stageFrames collected by area detectorRandom textureWeak textureStrong textureSharp texture 110 200 211Pole figure of IF

13、steelRDRDRDStrategy of collecting diffracted dataRapid texture measurement of IF steel 110 200 211 c c=085c c=65c c=50c c=20ODF sections ( 2=45)，levels：2,4,6,8,10 ODF of IF steelChen L, Mao W, et al. Mater. Sci. Forum, 2002c c=50, f f=0360 c c=50, f f=090 Chen L, Mao W, et al. Mater. Sci. Forum, 200

14、2ODF of IF steelODF sections ( 2=45)，levels：2,4,6,8,10 Rapid texture measurement of IF steela aa ab b00a ab b00a a110 pole figure中國發(fā)明專利，毛衛(wèi)民，陳冷中國發(fā)明專利，毛衛(wèi)民，陳冷. ZL 03 1 02229.4Rapid texture measurement of multi-phase steelbcc and fcc in TRIP steel110 pole figure of oriented Si steelGoss texture position

15、 in 110 pole figurePole figure simulation & ODF calculationp 假設(shè)織構(gòu)組分衍射峰呈正態(tài)分布假設(shè)織構(gòu)組分衍射峰呈正態(tài)分布p 求出衍射峰正態(tài)分布的關(guān)鍵參數(shù)求出衍射峰正態(tài)分布的關(guān)鍵參數(shù)( (如體積量和半高寬如體積量和半高寬) )p 根據(jù)極圖幾何原理模擬完整極圖根據(jù)極圖幾何原理模擬完整極圖p 計(jì)算取向分布函數(shù)計(jì)算取向分布函數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的形式正態(tài)分布函數(shù)的形式 2020expSS 2020expaSSS0 織構(gòu)組分中心位置的密度分布函數(shù)值織構(gòu)組分中心位置的密度分布函數(shù)值 從極圖中心向橫向的偏轉(zhuǎn)角從極圖中心向橫向的偏轉(zhuǎn)角 a 表示織構(gòu)組分中心位

16、置的偏轉(zhuǎn)角表示織構(gòu)組分中心位置的偏轉(zhuǎn)角 0 表示正態(tài)分布函數(shù)的散布寬度表示正態(tài)分布函數(shù)的散布寬度-110-100-90-80-7002468 experimental data Gauss fit of experimental data Ig gData fitting of X-ray diffractionODF of oriented Si steelexperimentcalculationODF sections ( 1=0)，levels：8,16,24,32,40,48 Chen L, Mao W. Mater. Sci. Forum, 2004X-rayarea detect

17、orsheetRapid texture measurement of oriented Si steelRDRDRapid texture measurement of annealed Al sheet (200) pole figure position of cube(red) & R(blue) CubeR150120 90 60 30 0-110 -100 -90 -80 -70Countsc cCubeR frame collected Fitting of volume fraction and half-width by area detector Mao W, Chen L

18、, et al. Chin. Sci. Bull., 2004Rapid texture measurement of annealed Al sheetRDRDmeasured (200) pole figure simulated (200) pole figure Mao W, Chen L, et al. Chin. Sci. Bull., 2004Rapid texture measurement of annealed Al sheetMa, et al. Scripta Mater., 2006Rapid texture measurement of cold rolled Al sheetRapid texture measurement of cold rolled Al sheetMa, et al. Scripta Mater., 2006Rapid texture meas