L’analisi della tessitura nei materiali e film sottili
Luca LutterottiUniversità degli Studi di Trento
Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali
Parte Iteoria e analisi
Introduzione alla tessitura
Tecniche di analisi
Figure polari e spettri di diffrazione
L’analisi quantitativa: i metodi
L’analisi dei risultati
Esempio di analisi
Tessitura ed anisotropia
Legno: robusto parallelamente alle fibre
Tessitura ed anisotropia
Legno: robusto parallelamente alle fibre
Tessuti: in genere bidirezionali
Tessitura ed anisotropia
Legno: robusto parallelamente alle fibre
Tessuti: in genere bidirezionali
Tessuto random
Roccia lunare random (Apollo 12)
Tessitura cristallografica
Colore differente = orientazione cristallografica differente
Roccia lunare random (Apollo 12)
Tessitura cristallografica
Tessitura porfiritica
Colore differente = orientazione cristallografica differente
Roccia lunare random (Apollo 12)
Tessitura cristallografica
Tessitura porfiriticaDendriti da solidificazione
Colore differente = orientazione cristallografica differente
Roccia lunare random (Apollo 12)
Tessitura cristallografica
Tessitura porfiriticaDendriti da solidificazione
Grani a piattello con orientazioneab per il superconduttore ceramico
Bi2Sr2CaCu2Ox
Colore differente = orientazione cristallografica differente
Anisotropia singolo cristallo: la grafite
Anisotropia per:
Proprietà elettricheProprietà meccaniche: modulo elastico, frattura, deformazione....Espansione termicaConducibilità termicaProprietà magnetiche......
Au
Al
Mg
Zn
Anisotropia del tensore elastico
Anisotropia proprietà macroscopiche
Tessitura +Anisotropia
singolo cristallo=
Proprietà macroscopiche anisotrope
Definizioni
ODF: Funzione di Distribuzione delle Orientazioni, f(g)
!
f (g)"g ="V (g)
V
!
C"1a
= C"1(g) f (g)dg
G
#Proprietà macroscopiche: es. tensore elastico, C
Esempi importanza della tessitura
Il problema delle orecchie
Tessituraottimizzata
Aluminium beverage cans
Stages in the drawing and ironing of a beverage canPhoto courtesy of VAW aluminium AG
Anisotropy in the mechanical properties can cause'earing' in the can body. The ears must be cut off,
leading to wastage.Photo courtesy of VAW aluminium AG
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Up level
SEE ALSO:
Rolling: Introduction
Stoving
Strain HardeningOverview
3xxx Series
5xxx Series
Temper Designations
Hard Rolled
Anisotropy in Aluminium------------------
ALUSELECT LINKS:
Alloy 3004
Alloy 5182------------------
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Beverage Cans
Aluminium beverage cans
are fabricated from two
parts:
the can body,
generally made from
EN AW-3104 sheet),
and
the can end,
typically made using
EN AW-5182 due to
its higher strength.
Good sheet formability is
required for the body
making process which
involves blanking, cupping
and finally drawing and
ironing the side-walls.
Anisotropy in the
mechanical behaviour of
the sheet must be
minimised to limit the
formation of so-called 'ears'
on the deep drawn cup.
The can body needs to be
able to withstand a
minimum dome reversal
pressure, and have vertical
load bearing capacity,
making strength an
important consideration
also. Higher strength
enables thinner sheet to be
used and hence a more
efficient use of material in
the fabrication of the
product. Can body EN AW-
3104 is sold in the H19
hard rolled temper, so the
dominant strengthening
mechanism is strain-
hardening. Surface qualities
of the sheet are also
important, both in terms of
surface finish for the
product and for good
frictional characteristics
between the sheet surface
and the forming dies.
The can end is made by
Proprietà meccaniche
Rigidezza
Deformazione, def. a rottura
Creep
Frattura
Tenacità
Sforzi residui
Fatica
.....
Fibre orientate, monocristalline e compositi
Metalli, leghe e laminazioni
Una deformazione plastica direzione induce tessitura
Laminati in alluminio (lega)
RD
ND
TD
RD
ND
TD
Palette per turbine areonauticheIl problema: alta T, creepMateriale: superleghe base Ni, Co
Paletta policristallina
Il creep agisce preferenzialmente sul bordo grano perpendicolare allo sforzo
Solidificata direzionalmente Singolo cristallo
Proprietà elettriche e magnetiche
Superconduttori
Semiconduttori
Microchip, elettronica
Masse magnetiche per trasformatori
Memorie non volatili
....Ferroelettrici
Proprietà termiche anisotrope
Rivestimento TPS dello Shuttle in carbon-carbon
Tecniche di analisi
Microscopio polarizzatore
positive) radius has the principal value n!; the otherradius has an intermediate (prime) length (i.e., n"#).The random biaxial sections may be semirandom orrandom depending on whether one (semirandom) orboth (random) of the ellipse axes are of a prime length
(i.e., n$# or n%#). When performing PLM, crystals shouldbe envisioned with their indicatrix orientation known.In doing so, the PLM provides a simple and directmeans with which to rapidly evaluate the orientationand degree of anisotropy exhibited by a given molecu-
56 OCTOBER 2003 • AMERICAN LABORATORY
POLARIZED LIGHT MICROSCOPY continued
Figure 1 a) Isotropic, b)uniaxial, and c) biaxial indicatrix models
and their respective cross-section shapes. The different types of sections
(ellipses) are colored as follows: principal sections (red, green, and
blue), circular sections (black), semirandom sections (orange), and
random sections (yellow).
c
b
a
Figure 2 Interaction of polarized light with an anisotropic crystal
(see text). Note that the PLM’s rotating stage (not shown) allows one to
place any vibration direction within the sample parallel to the east-west
incident light so that its refractive index can be measured. Also note that
the analyzer may be inserted for observation in cross-polarized light
(XPL) or removed for observation in plane polarized light (PPL).
Microscopio elettronico a scansione: EBSD
EBSD pattern
Microscopio elettronico a scansione: EBSD
EBSD pattern
DiffrazioneCampione random
Campione con tessitura
La misura della tessitura
I rivelatori
Rivelatori puntuali: scintillatori, proporzionali
Rivelatori lineari e curvi
Rivelatori ad area: CCD, Image Plate
Come si ottiene la ODF? La funzione delle orientazioni?
Figure polari Spettri
Analisi quantitativa ODF, f(g)
La figura polare
Intensità di un riflesso in funzione del tilting
del campione
Proporzionale al volume di grani!
Pk (",#) = f (g,$)d$$
%
Metodi di analisi quantitativa
Come si determina la ODF ?
!
Pk (",#) = f (g,$)d$$
%
P() è l’intensità che misuriamo (figure polari e/o spettri)f() è la funzione da determinare
Si stabilisce una forma funzionale per f() e si inverte analiticamente (espansione in serie di armoniche, funzioni standard.....)
Si discretizza la funzione f() nello spazio e si determina il valore di f() nelle celle tramite l’eq. e algoritmi numerici (WIMV, entropia....)
Misura figure polari per riflessi separati
Analisi tramite metodo delle armoniche oppure WIMV
Vantaggi:
Metodo relativamente semplice, analisi veloci
Svantaggi:
Solo per composti semplici (cubici, esagonali) e monofasici
Richiede correzioni se non si colleziona il picco completo
Metodo tradizionale (figure polari)
Si collezionano diversi spettri (completi) ruotando il campione in diverse posizioni
Si analizzano gli spettri tramite “fitting” ai minimi quadrati e si ricava direttamente la ODF (f(g)
Vantaggi:
non ci sono limitazioni date da complessità struttura e/o presenza di più fasi
non occorrono correzioni
si utilizzano efficacemente strumenti moderni (rivelatori ad area, PSD)
Svantaggi: tempi di calcolo, analisi
Metodo tessitura da spettri (Rietveld/texture)
Parte IIEsempi di analisi
Metalli e compositi: Cu-Fe, Kryptonite
Scienze della terra: olivine
Film sottili: memorie di massa, elettronica
Polimeri: film polimerici
Biomateriali: tendine dinosauro, scaglia salmone
Beni culturali: monete, asce preistoriche
Metalli-compositi.pdf
Film-polimeri.pdf
Biomateriali:Tendine di dinosauro e scaglia di salmone
Misura scaglia all’ESRF, ID13, Grenobleconfigurazione analoga, CCD detector
Misura tendine a APS, Argonne National LabImage Plate detector
Due delle immagini raccolte(26 per tendine, 5 per la scaglia)
Tendine dinosauro Scaglia salmone
Variazione intensità lungo il cerchio di diffrazione corrispondente al riflesso 0002
Tendine dinosauro Scaglia salmone
Tendine dinosauro
Scaglia salmone
Spettri e fitting(idrossiapatite)
a) Tendinedinosauro
b) Scagliasalmone
Beni culturali
Monete greche d’argento stampate: originali o riconiate?
Asce in rame preistoriche: quale processo di produzione? Quale uso?
2A2B
Monete greche
Moneta autenticaMesembria, Mar Nero,
450-350 a.C.
Moneta riconiataforgiatura moderna
Varna, Bulgaria
Copertura figura polare ecorrezione assorbimento
Misure diffrazione neutronica, LANSCE, Los Alamos
Spettri di diffrazione2B 2A
2A
Argento
2B
rame
2A
2B
Conclusioni
Purtroppo in questo caso la tessitura è molto debole (le differenze minime) e non permette di distinguere
tra i due processi produttivi
Otzi
Asce in rame preistoriche
Il problema generale: capire la conoscenza metallurgica
dell’epoca nella zona alpina e prealpina
Simulaun Castelrotto
Misure in diffrazione neutronica ILL, D20, Grenoble
Spe
rimen
tali
Cal
colati
Otzi-Simulaun
Castelrotto
Futuro?
Il ch.mo Prof. Artioli si è procurato altre 28 asce preistoriche da analizzare.......