Polyline Materials'ta Sınırlararası Ağlara Giriş
Bu ağ, mikroyapısal özelliklerin çoğu polikristal malzemelerdedir. Bu ağ, bitişik kristallerin nerede olduğu arayüzlerden oluşur - veya tahıllar - farklı kristalografi yönelimleri ile ilgili mevzuat, bağlantı ve bu sınırların karakteri kolektif olarak, bir malzemenin mekanik gücü, kanal direnci, elektrik iletkenliği ve hatta on yıllar boyunca, malzemeler daha iyi alaşımları anlamak ve kontrol etmek için aranan bakır sınırı ağlarını, seramikleri ve yarı iletkenleri belirlemektir.
Erken analizler, üç boyutlu mikroskobaya dayanan iki boyutlu mikroskobuya dayanıyor, bu alanı ortaya çıkarabilir, araştırmacıların milimetreden nanometrelere kadar değişen tüm tahıl sınır ağlarını görüntülemesine ve ölçmelerine olanak tanır.Bu makale, 3D tomografi tekniklerini kullanarak sanat durumunu inceler.
Temelleri Boundary Networks
What Arej Boundaries?
Bir tahıl sınırı, iki tahıl ile farklı kristalografi yönelimleri arasındaki arayüzdür. Sınır bölgesinde atomlar ideal lattice pozisyonlarından uzak durmaktadır, aşırı serbest enerji alanı yaratır. Bir tahıl sınırının özellikleri iki tahıl arasında yanlış yönlendirmeye bağlıdır, sınırın yönüne bağlıdır ve yerel atom yapısına bağlıdır.
Bir polikristal malzemede, tahıl sınırları izolasyonda mevcut değildir - birbiriyle bağlantılı bir 3D ağı oluştururlar.Bu ağ mimarisi, tahıl sınırlarını (kesinlikle düğümleri ve dört düğümleri) dahil, sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık çatlakların nasıl sıkıştırılabileceğini ve çatlakların nasıl azaltıldığını gösterir.
Anahtar Parametreleri Boundary Networks Karakterize etmek için
- [FONT=0)Grate sınır karakter dağılımı (GBCD):), belirli yanlış yönlendirme ve uçak yönlendirmeleriyle sınırların frekansı.
- [FONT:0)Bağlantı ve percolasyon:[Dönetici: 0,4; Bazı sınır türleri, elektronların taşınmasını veya bloke edebilir.
- [FONT:0)Triple kavim geometrisi:[Döntgen:[Dönetici:0)[Dönekli bir çizgide üç tahıl sınırı arasındaki açılar; denge açılarından sapmalar depolanmış enerji veya yerel stresler gösterir.
- [FONT=0)Grate boyut ve form dağıtımları: Toplam tahıl sınır alanını ve ağ işkencesini etkiler.
- [FONT:0)Local curvature ve tahıl sınır hareketliliği:) tahıl büyümesini ve yeniden kristalleşmeyi anlamak için kritik.
Üç boyutlu tomografi, bu parametreleri toplu hacimlerde ölçmenin tek yolu sunar, 2D yöntemleri tarafından gerekli olan stereolojik varsayımlardan kaçınır.
3D Tomography Techniques forTOR Boundary Analysis
Son 15 yılda, birkaç tamamlayıcı 3D tomografi tekniği ortaya çıktı, her biri karar, örnek boyut, kontrast mekanizmaları ve farklı malzemeler için uygulanabilir. Aşağıdaki bölümler tahıl sınır ağ karakterizasyonu için en yaygın kullanılan yöntemleri tanımlar.
X-Ray Tomography (XCT)
X-ray, tomografi, bir X-rayışı ile örnek dönen bir projeksiyon görüntülerini kullanarak bir dizi kullanır.Döntgenlik sistemi, bakırlı sınırlarda ağır elementler içerdiğinde farklı aşamalarda veya tahıl sınırlarındaki malzemelerde kullanılır.
XCT birkaç avantaj sunuyor: Bu, tahrip edici değildir, nispeten büyük örnekleri (mevcutlar santimetreye kadar), ve in-situ deneylerine ( ısıtma, deformasyon, korozyon) izin verir. ana sınırlamalar iyi işlenmiş malzemeler için karar verir ve yüksek çözünürlüklü DCT için özel senkronizasyon tesislerine ihtiyaç duyar.
Odaklı Ion Beam Taramalı Elektron Mikroscopy (FIB-SEM) Tomografi
FB-SEM tomografi (ayrıca seri bölümleme) yıkıcı ama son derece yüksek çözünürlüklü bir tekniktir. A odaklanmış iyon kiriş (genellikle Ga+) değirmenleri ince dilimler (10-50 nm) örnek yüzeyde ve bir elektron kirişi her bir yeni yüzey ikincil veya arkascattered elektronlar ile.Manset diffüz (EBSD) seri bölümü ile haritaları birleştirerek, araştırmacılar 3D - 3D olarak tam kristalografisi ile tam olarak tam olarak tam olarak elde edebilir.
Bu yöntem, on nanometrenin bir kararına ulaşır, nano kristalin malzemeler ve ayrıntılı tahıl sınır yönlendirmelerinin düzlemselleştirilmesi için ideal hale getirir. Örnek boyut, alaşımların yaklaşık 10-30 μm'si için yanan hacimler ile sınırlıdır. FIB-SEM tomografi, hidrojen embrittlement, yorgunluk açma ve tahıl sınır mühendisliğinin rolünü ortaya çıkarmak için enstrümantal olmuştur.
Neutron Tomography
Neutron tomografi ağır malzemelerde derin bir penetrasyon sunuyor (örneğin, metaller) ve hafif elementlere yüksek hassasiyet (örneğin, hidrojen, lityum). tahıl sınır çalışmaları için, nötron difraksiyon kontrast tomografi (nDCT) için, x-yapımdaki nano-parçacıklı malzemelere kıyasla özellikle kullanışlıdır.
Elektron Mikroskopografisi
Nihai karar için, bir iletim elektron mikroskopu (TEM) atomik boyutta tahıl sınır yapıları çözebilir. Bir eğim serisini elde ederek, 3D rezografi ile ilgili olarak, 3D rezografisi[Dönemli elektron tomografisi ile ilgili olarak) çok ince örneklerle sınırlıdır (Dökümler) ancak nano ölçekli tahıl sınırlarındaki özelliklerini kontrol eder.
Boundary Networks'in veri işleme ve Sayılandırılması
3D tomografik verileri elde etmek sadece ilk adımdır. anlamlı tahıl sınır ağ ölçümlerini özümsetmek, görüntü işleme ve hesaplama analizinin bir boru hattı gerektirir.
Segmentasyon ve Yeniden Yapın
Grayscale tomografi görüntüleri bireysel tahılları ve sınır arabirimlerini tanımlamak için segmente edilmelidir. X-ray ve nötron tomografide, işaretli sulu algoritmaları veya makine öğrenimi (örneğin, U-Net konvolual sinir ağları) her bir kristalsel yönelim için ayrı bir adım atılır ve iki kutuplu farklı açılardan farklı bir şekilde farklı bir şekilde farklı yönlerden farklı bir şekilde tanımlanır.
Sayılama Ağı Topology
Bir zamanlar tahıl sınırları tespit edilir, araştırmacılar tahıl sınır bağlantı gibi ölçümler hesaplar, özel sınırların kısımları, üç tane kavim türün dağılımı (örneğin, ⁇ 3- ⁇ 9 ⁇ 9 klübüs), ve percolasyon eşi rastgele veya özel sınırlar için. Bu topolojik önlemler genellikle malzeme özellikleri ile ilişkilendirilir. Örneğin, birbiriyle bağlantılı bir “twin-limited sınırların yüksek bir kısmı ile bir araya gelir.
Başka bir önemli analiz, her sınır segmentinin kristalografisi ve stereografik projeksiyonlar üzerinde arsalanabilir. Bazı uçak aileleri (örneğin, orta büyüklükteki metaller) düşük enerji sınırları ile ilişkilendirilir.
3D Tomography forTOR Boundary Networks için uygulamalar ve Faydaları
Mekanik Özellikler ve Deformasyon
Sınır ağları doğrudan Hall-Petch etkisi ile güç ve hıza etki eder (kök rafinerisi ile güçlendirilme) ve dislokasyonları engellemek veya iletmek için sınırların yeteneği aracılığıyla, 3D tomografik çalışmalar, tüm tahıl sınırlarının üç ayrıklık bariyerleri olarak eşit derecede etkili olduğunu göstermiştir: yüksek düzelme sınırları ve bu anlayışa sahip olanlar düşük çözünürlükte veya eğimli sınırlara göre daha iyi engeller.In-situ X-ray tomografide, çatlakları, çatlakları veya sınırların yüksek yerel streslerle nasıl yeniden başlatıldığını ortaya koydular.
Korozyon ve Çevre Degradasyon
Intergranular korozyonu birçok alaşımda büyük bir başarısızlık modudur ve susceptability, örneğin, bu tür sınırların yollarına giren tahıl sınırlarına ve benzeri sınırların bozulmasına bağlı olarak, mikropiyonel işlemenin (duekonomiye) tercih edilir. 3D tomografi kullanarak, araştırmacılar da bu tür sınırların bağlantılarını haritaladılar ve bu tür sınırların yollarına kadar korozyonun kullanımını da gösterdiler.
Elektrik ve Termal Davranış
Elektriksel iletkenliği korumak için yüksek miktarda tahıl sınırlarına sahip olan elektrik ve ısı iletkenliği azaltılır. 3D tomografisi, düşük ücretli yolların bağlantılarını sağlar. Benzer analizler oksitleri ve batarya elektrotlarını iyonik taşımak için optik kanallarını optimize etmek için uygulanır.
Boundary Engineering
Mekanik işleme ile özel sınırların dağılımını kontrol etmek - 3D tomografik analizin en başarılı uygulamalarıydı.Bu yaklaşım, FB-EBSD veya X-ray DCT kullanarak tahıl sınırlarını kullanarak, işleme koşullarını optimize etmek ve oxidasyon 3D'nin değişkenlerini arttırmak için ayarlandığında, atomik sınırların ve daha ucuz sınırlarını kırmak için daha ucuza ve daha ucuza doğru bir şekilde genişletildi.
Mevcut 3D Tomography Tekniklerinin Zorlukları ve Sınırları
Onların gücüne rağmen, mevcut 3D tomografi yöntemleri birkaç engelle karşı karşıyadır.ETHFLT:0)Resolution against volume trade-off) temel bir sınırlama kalır: yüksek çözünürlüklü teknikler (FIB-SEM, TEM tomografi) sadece küçük hacimler örnekleyebilir, bu da büyük hacimlerin istatistiksel olarak temsilcisi olabilir.
[FONT:0)Data satın alma hızı[Dönetici:0) Başka bir şişenck. FİLB-EBSD veri seti, birkaç gün boyunca enstrüman süresi gerektirdiği ve senkronizasyonu X-ray DCT deneylerini gerektiren bir diğer uygulama alanıdır.
[FONT:0)Sample hazırlığı[[Dönetici:0) Aynı zamanda birçok ticari materyal için de geçerlilik gerektirir.Fyönetici için örnekler küçük olmalıdır ve analiz sırasında yok edilmelidir.In nötron tomografi için, tahıl sınır tespiti için yeterli bir kontrast elde etmek, birçok ticari malzemeye sınırlamak, son olarak, tahıl sınır dağıtımlarının analizi yüksek kaliteli yönelimli veri gerektirir.
Future rotası ve Gelişen Teknikler
Görüntü Segmentasyon ve Analiz için Makine Öğrenmesi
Derin öğrenme, özellikle gürültülü veya düşük ücretli veri kümeleri için hızla kabul edilir. Ek olarak, grafik sinir ağları (GNNs) doğrudan tahıl sınır ağ topolojisini analiz etmek ve malzeme özelliklerini tahmin etmek için geliştirilebilir (örneğin, kırışıklık) Bu araçlar özellikle de ağ yapısından hızlanabilir ve yüksek kodlu malzemeler taraması ile hızlanacaktır.
In-Situ ve Operando Tomography
Bir sonraki sınır, mikro-CT tarayıcı veya bir elektron mikroskopu içinde 3D tomografiyi gerçek zamanlı olarak gözlemlemek için bir araya getiriyor.In-situ ısıtma deneylerinde senkronizasyonu kullanarak, tahıl sınır davranışını doğrulama ve geliştirme modellerini kullanarak zaten ele geçirdi.In-situ mekanik testlerinde mikro-CT tarayıcı veya bir elektron mikroskopu, çatlakların tahıl sınırları boyunca nasıl ortaya çıktığını ortaya koyuyor.
Çok fazlaModal ve Correlative Approaches
Tek bir teknik tüm ilgili bilgileri yakalayabilir. Correlative tomography – örneğin, X-ray mikro-CT genel mimari için, o zaman FIB-SEM, seçilmiş bölgelerdeki yüksek çözünürlüklü ve kimya verileriyle korelasyonla ilişkilendirebilir. Otomatik olarak yükleme araçları arasındaki koordinatlar geliştirilir.
YüksekThroughput ve Lab-Scale Çözümleri
Laboratuvar X-ray kaynakları, yeni optikler ve hızlı dektörler DCT'yi diğer senkronizasyonlar dışında daha erişilebilir hale getiriyor. Robotik örnek değişimciler ve otomatik veri işleme hatları, haftalardan saatlerce örnek olarak zaman azaltır.Bu gelişmeler, tahıl sınır ağ analizinin malzeme kalitesi kontrol ve alaşım geliştirmede rutin bir araç haline gelmesine izin verecektir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
X-ray ve nötron diffraction tomografi analizini, mevcut yöntemlerin süitini, tahıl sınır karakterinin, bağlantı ve düzlem dağıtımlarının sayısal analizlerini içeren mikroyapısal analizleri, mekanik davranışı, korozyon direnci ve taşıma özelliklerini anlamak için devrime sahiptir.Özellikle de çözüm, hız ve örnek boyutlarını kapsar - bu tür deneylerde ve sayısal yöntemlerden daha fazla performansa söz konusu olacaktır.