מבוא לGirin Boundary Networks ב- Polycrystalline Materials

רשתות הגבול גרלין הן בין התכונות המיקרו-מבניות הקריטיות ביותר בחומרים פוליקליים.רשתות אלה מורכבות ממשקים שבהם גבישים סמוכים - או גרגרים - באוריינטציות גבישיות שונות.הסידור, הקישוריות והאופי של הגבולות האלה קובעים באופן קולקטיבי את העוצמה המכנית של החומר, דוקטרליות, עמידות קורוזיה, מוליכות חשמלית ואפילו התנהגות תרמית שלה במשך עשרות שנים, ביקשו מדענים להבין רשתות חשמל וטכנולוגיות, קרמיקה, ולהוביל לטכנולוגיות חשמל, לטכנולוגיות חשמל, לטכנולוגיות קרמיקה, לטכנולוגיות חשמל, קרמיקה, קרמיקה, קוסמטיקה, קרמיקה, קרמיקה, סגסוגת, קרמיקה, קרמיקה, קוסמטיקה, סגסוגת, קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה, קוסמטיקה, קוסמטיקה, קרמיקה, קוסמטיקה, קוסמטיקה, סגסוגת, קוסמטיקה, סגסוגת, קרמיקה, קוסמטיקה, קוסמטיקה, קוסמטיקה, קוסמטיקה, סגסוגת, קוסמטיקה, קוסמטיקה יותר סגסוגת, סגסוגת, קרמיקה, קרמיקה, סגסוגת, קרמיקה, סגסוגת יותר טוב יותר סגסוגת, סגסוגת, קרמיקה, קוסמטיקה, קוסמטיקה קרמיקה, סגסוגת קרמיקה, קרמיקה, קוסמטיקה קרמיקה, קרמיקה

ניתוחים מוקדמים התבססו על מיקרוסקופיה דו-ממדית, אשר יכול לחשוף עקבות גבול דגנים אך סיפקו מידע מוגבל על הטופולוגיה תלת-ממדית (3D) העליונה, התפלגות הנאות, וקישוריות ששולטות בביצועים החומריים.הההההה של טכניקות מתקדמות 3D למטרוגרפיה שהפכה את התחום הזה, המאפשרת לחוקרים לדמיין ולכמת רשתות גבול דגנים שלמות בהחלטות החל ממילימטרים ועד ננומטרים.

ראשי תיבות של Grain Boundary Networks

מה הם Grain Boundaries?

גבול גרגר הוא הממשק בין שני גרגרי אוריינטציה גבישית שונה. בתוך אזור הגבול, אטומים נעקרו מעמדות הליטקטיות האידיאליות שלהם, יצירת אזור של אנרגיה חופשית עודף.תכונות של גבול גרגר תלויות זווית השלילית בין שני הדגנים, הכיוון של הגבול, ואת המבנה האטומי המקומי. Boundaries יכול להיות מסווג כמו סבך נמוך (

בחומר פוליקליסטלליין, גבולות דגנים אינם קיימים בבידוד – הם יוצרים רשת תלת-ממדית מקושרת.אדריכלות של רשת זו, כולל צומת גבולות דגנים (צומתי דגנים ושפל), קובע כיצד הפירוק נע, כיצד סדקים מתפשטים, וכיצד אימפולסים של פיזור (למשל, רשתות עם שבריר גבוהה של LTF:0reaves) גבולות ניטאריים (R) ו- ⁇ dross) שיפור לעיתים קרובות.

ראשי תיבות של Grain Boundary Networks

  • (FLT:0) חלוקת האופי של יוון (GBCD): גרף 1) תדירות הגבולות עם תקלות ספציפיות ונטיות מטוסים.
  • (FLT:0)Connectivity and percolation:cioFLT:1) בין אם סוגים מסוימים של גבולות יוצרים מסלולים רצופים דרך החומר, אשר יכול להקל או לחסום תחבורה של אלקטרונים, ions, או סוכנים קורוזיים.
  • (FLT:0) צומת צומת גיאומטריה:FLT:1, הזווית בין שלוש גבולות דגנים נפגשים בקו משולש; סטייה מזווית שיווי משקל מצביעה על אנרגיה מאוחסנים או לחצים מקומיים.
  • (ב) גודלו ומבנה התפוצה: FLT:1 משפיע על שטח גבול דגנים הכולל ועל הנטוסוס של הרשת.
  • (ב) ,0) ניידות של גבול דגנים מקומיים ודגנים: ראטאלף:1 קריטי להבנת גידול תבואה ותיקון.

טומוגרפיה תלת-ממדית מספקת את הדרך הישירה היחידה למדוד פרמטרים אלה בנפחים גדולים, הימנעות מהנחות סטריאולוגיות הנדרשות על ידי שיטות 2D.

3D Tomography טכניקות לניתוח Grain Boundary

במהלך 15 השנים האחרונות, כמה טכניקות אמפוגרפיה תלת-ממדיות משלימות הופיעו, כל אחת עם נקודות חוזק נפרדות מבחינת החלטה, גודל מדגם, מנגנונים ניגודיים, וכדאיות לחומרים שונים.הסעיפים הבאים מתארים את השיטות הנפוצות ביותר עבור סיווג רשת דגנים.

X-Ray Computed Tomography (XCT)

(הופנה מהדף X-ray , 000 קידוד משתמש בסדרה של תמונות הקרנה שנרכשו כדגימה מסתובבת דרך קרן רנטגן-ray (State-of-the-art מעבדה micro-CT יכול להשיג גודל voxel למטה ל-0.5 מיקרומטר, בעוד סנכרון של nano-CT מבוסס X-CT מגיע 50 nm או טוב יותר.עבור ניתוח גבול דגנים, XCT הוא בעל ערך במיוחד כאשר יש מספיק XFrasp; לדוגמה, לדוגמה, לקליטת חומרים דומים, כגון:

XCT מציע מספר יתרונות: זה לא הרסני, יכול להכיל דגימות גדולות יחסית (מילימטרים לסנטימטרים), ומאפשר בניסויים נבחרים (התחממות, עיוות, קורוזיה) המגבלות העיקריות הן החלטה עבור חומרים עתירי קנס וצורך במתקני סינכרון מיוחדים עבור פתרונות DCT.

Ion Beam Scanning אלקטרון מיקרוסקופיה (FIB-SEM) Tomography

(הופנה מהדף ה-FIB-SEM tomography (נקרא גם סעיף סידורי) הוא טכניקה הרסנית אך גבוהה מאוד. A ממוקדת ion beam (בדרך כלל Ga+) מפרשות דקות (10-50 nm) של פני המדגם, ואלקטרון beam תמונות כל משטח חדש באמצעות אלקטרון משני או אחורי (BSD) באמצעות שילוב אלקטרונים אחוריים (BSD) עם מפות אחוריות מלאה של 3DSD-FD-FD-D) עם , 000 , 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ 3D.

שיטה זו משיגה החלטה של עשרות ננומטרים, מה שהופך אותו אידיאלי עבור חומרים ננוקריסטלליין ואפיון מפורט של אוריינטציה מטוס גבול דגנים.גודל הדגימה מוגבל ל כרכים של בערך 10-30 מיקרומטר בצד בשל זמן מילימטר וסחף.פל-SEM אמפוגרפיה כבר היה חיוני בחשיפת התפקיד של רשתות דגנים ב embribribriment, עייפות, סדקים, גרגר, סגסוגת גבול גרגר.

ניוטרון טומוגרפיה

טומוגרפיה Neutron מציעה חדירה עמוקה בחומרים כבדים (למשל, מתכות) ורגישות גבוהה לאלמנטים אור (למשל מימן, ליתיום) למחקרי גבולות דגנים, ניגודיות ניטרון לרמיוגרפיה (ראה: רזולוציה:0nDCTFLT:1) פותחה כדי למפות נטיות בדגימות.טכניקה שימושית במיוחד עבור מחקר גדול של חומרים מלוטשים (xi) ולהפחית את דגנים (xerrexer) אך ורק לכדי דגנים) באופן מוגבל יותר לכדי דגנים (מ"מפרקטיקאים) אך ורק ברזולוציה מוגבלת יותר) אך ורק ברזולוציה מוגבלת יותר (xerxplei-xerxerxerxerrexerrexerrexerrexerphercinrexercinrexerretir) דגנים) דגנים) דגנים) דגנים) דגנים) דגנים) סגסוגת (מתקני דגנים (מתקני דגנים) דגנים) דגנים (מתקני דגנים) דגנים (מתקני דגנים) דגנים) דגנים) סגסוגת מופחתת) דגנים (מתקני דגנים) דגנים (מתקני דגנים (מתקני

אלקטרון טומוגרפיה ב Transmission Electron Microscopy

(הרזולוציה הסופית, טומוגרפיה אלקטרונית במיקרוסקופ אלקטרוני (TEM) יכולה לפתור מבנים בגבול דגנים בקנה מידה אטומי.על ידי רכישת סדרת הטיה של תמונות TEM או דפוסים של דיפרקציה, שחזורים תלת-ממדיים של גבולות דגנים עם רזולוציית תת-מטר הם אפשריים.

עיבוד נתונים והגדרה של Grain Boundary Networks

איסוף נתונים אלגוריתמים 3D הוא רק הצעד הראשון.מיצוי מדדי גבול דגנים משמעותיים דורש צינור עיבוד תמונה וניתוח חישובי.

שיקום ושיקום

תמונות של טומוגרפיה אפור חייב להיות מפורש לזהות דגנים בודדים וממשקי גבול. ב X-ray ו-Nutron tomography, אלגוריתמים מבוססי סימון מבוסס מים או למידת מכונה (למשל, רשתות עצביות U-Net) משמשים לדגנים נפרדים (עבור FIB-EB-EBSD, צעד נפרד ממזג 2D מפות מהצלחה, ומתאים אותם באמצעות סמן הדבקה בין הדבקה של 2D2D).

המונחים: network Topology

לאחר שגבולות דגנים מזוהים, החוקרים מדדים תואמים כגון קישוריות רשת דגנים, השבריר של גבולות מיוחדים, חלוקת סוגי צומת משולש (למשל, ⁇ 3- ⁇ 9 ⁇ 9 צומת), ואת סף ההנצחה של הגבולות אקראיים או מיוחדים.צעדים טופולוגיים אלה לעתים קרובות תואמים עם תכונות חומריות.

ניתוח חשוב נוסף הוא נתוני המטוס הגבול של תפוצה של המטוס הגבול של התפלגות ההרחבה: שימוש בנתונים של FIB-EBSD או DCT, המטוס הקריסטלוגרפיה של כל פלח גבול יכול להיות נחוש ומצטבר על תחזיות סטריאוגרפיה. משפחות מסוימות (למשל, במתחים ממוקדים פנים) קשורות למגבלות אנרגיה נמוכות.

יישומים והטבות של 3D Tomography עבור Grain Boundary Networks

תכונות מכניות ועיוות

רשתות הגבול של גרלין משפיעות ישירות על כוח ודוכסיות באמצעות אפקט הול-פטריך (התחילה עם זיכוך דגנים) ודרך היכולת של גבולות לחסום או לשדר פערים. 3D מחקרים אמפוגרפיים הראו כי לא כל גבולות דגנים יעילים באותה מידה כמו מחסומים פירוק: גבולות סבוכים גבוהים ואלה עם אופי נוטה להיות מכשולים חזקים יותר מאשר סבך נמוך או גבולות.

קורוזיה והערכה סביבתית

קורוזיה אינטרגרפית היא מצב כשל גדול בסגסוגת רבים, ואת הרגישות תלויה ברשת גבול דגנים.לדוגמה, בפלדות אל-חלד אוסטי, גבולות דגנים אשר מתמוססים בכרום (בשל חישה במסלולים) מותקפים גם הם מכופים.שימוש ב- 3D tomography, החוקרים ממפה את הקישוריות של גבולות ensitography ופותחים אשר הראו כי הם חודרים לצמצום גבולות סגסוגתיים כגון:

חשמל ותפקודי

גבולות Grain מתפזרים נושאי מטען ופונינים, צמצום מוליכות חשמלית ותרמית.בחומרים תרמואלקטריים, צפיפות גבוהה של גבולות דגנים מסוימים יכולה למעשה לשפר את הביצועים על ידי הורדת מוליכות תרמית תוך שמירה על מוליכות חשמלית, בשל פיזור גבול-חשמלי. 3D tomography מאפשר מדידה של אזור דגנים ליחידת גבול נפח וקישוריות של נתיבים דלתיים דומים הם לביצוע סגסוגת להובלת רשתות אלקטרו-דלקתיות לסוללות.

גרלין Boundary Engineering

הרעיון של הנדסה גבול נחושת - שליטה על חלוקת הגבולות המיוחדים באמצעות עיבוד תרמומאני - היה אחד היישומים המוצלחים ביותר של ניתוח אמפוגרפיים 3D. על ידי מדידה של רשת הגבול דגנים באמצעות FIB-EBSD או X-rayT, תנאי עיבוד יכולים להיות מכוונים כדי למקסם את השבר של גבולות הנדסיים מיוחדים (במיוחד ⁇ 3 וגרסאות שלהם) כדי לשבור את נתיבי הפירוק של סגסוגת מבוזרת, כולל מהירות יותר.

אתגרים ומגבלות של טכניקות ה-3D Tomography הנוכחיות

למרות כוחם, שיטות ה- 3D הנוכחיות מתמודדות מספר מכשולים. Resolution מול נפח המסחר-offFLT:1] נשאר הגבלה בסיסית: טכניקות לפתרון גבוה (FIB-SEM, TEM tomography) יכולות רק מדגם כרכים קטנים, אשר עשויים להיות ייצוג סטטיסטי של החומר.

(FLT:0Data Acquisition SpeedFLT:1) הוא עוד צוואר בקבוק.ד אחד גבוה ברזולוציה גבוהה של נתונים FIB-EBSD יכול לדרוש כמה ימים של זמן כלי, וסינכרון הניסויים רנטגן-rayT מוגבלים על ידי זמינות ב- beamtime.זה מגביל את מספר הדגימות והתנאים שניתן ללמוד יותר, בנוסף, את שחזור של נטיות מפירוק של דגנים מ-DDCTrerafction מבוסס למפות לעתים קרובות דורש חישוביות אינטנסיביות.

(FLT:0) Sample הכנהFLT:1 הוא גם לא-טריוויאלי. עבור FIB-SEM, דגימות חייב להיות קטן ונהרסו במהלך הניתוח.עבור דלקת נויטרונים, השגת ניגוד מספיק לגילוי גבולות דגנים לעתים קרובות דורש גרגרים גדולים, הגבלת תאימות לחומרים מסחריים רבים.

שיטות עתידיות וטכנולוגיות מתפתחות

Machine Learning for Image Segmentation and Analysis

למידה עמוקה מאומצת במהירות עבור פלח אוטומטי של דגנים וגבולות בנתונים של אמפוגרפיה.רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) יכולות כעת לזרז שיטות מכוסות מים קלאסיות, במיוחד במאגרי מידע רועשים או נמוכים.בנוסף, רשתות עצביות גרפיות (GNN) מפותחות לנתח ישירות את רשת טופוology גבול דגנים וחיזוי תכונות חומר (למשל, שבר) מהמבנה הזה, באמצעות כלים מתקדמים.

שם הסרטון: Operando Tomography

הגבול הבא משלב קרינת 3D עם סביבות מבוקרות כדי לצפות באבולוציה של רשת דגנים בזמן אמת.בשילוב ניסויים חימום באמצעות סינכרונכרן X-ray DCT כבר כבשו גידול דגנים וההגירה גבול.ב-הניתוחים המכניים בתוך סורק מיקרו-CT או מיקרוסקופ אלקטרוני מגלה כיצד סדקים propagate לאורך גבולות דגנים.

אף טכניקה אחת לא יכולה ללכוד את כל המידע הרלוונטי.הדמיון השחיתות – כולל, למשל, X-ray micro-CT עבור אדריכלות כוללת, ולאחר מכן FIB-SEM עבור אוריינטציה ברזולוציה גבוהה ונתונים כימיה באזורים נבחרים - מפלס דרך לגשר על קשקשים באורך הגשר.זרימות עבודה מתקדמות אשר מעבירים באופן אוטומטי קואורדינטים בין מכשירים נמצאים תחת התפתחות.

פתרונות מהירים ומעבדה-Scale Solutions

התקדמות במקורות מעבדה X-ray, אופטיקה חדשנית, וגלאים מהירים הופכת את DCT לנגישה יותר מחוץ לסנכרונכרנים. משתנים מדגם רובוטי צינורות עיבוד נתונים אוטומטיים להפחית את הזמן לדגימה משבועות עד שעות.התפתחויות אלה יאפשרו ניתוח רשת דגנים להפוך כלי שגרתי בשליטה איכותית ופיתוח ⁇ .

מסקנה

טכניקות טומוגרפיה תלת-ממדיות פיתחו את הניתוח של רשתות דגנים על ידי מתן מידע ישיר, נפחי על המיקרו מבנים השולטים ביצועים חומריים.מ-ray ו-Nutron diffraction ניגוד ל-FIB-SEM ו- אטומי בקנה מידה אלקטרוני ל-mography, חבילת שיטות הנדסיות זמינות מכסה כעת מגוון רחב של קשקשים והחלטות.