ОРВИ
SRAS (акустическая спектроскопия с пространственным разрешением) - метод неразрушающей акустической микроскопии для определения микроструктурно-кристаллографических характеристик, обычно используемый при исследовании кристаллических или поликристаллических материалов. Этот метод может предоставить информацию о структуре и кристаллографической ориентации материала. [1] Традиционно информация, предоставляемая SRAS, была получена с использованием дифракционных методов электронной микроскопии, таких как EBSD . Технология была запатентована в 2005 году. Патент ЕР 1910815 .
SRAS измеряет скорость поверхностной акустической волны по образцу, скорость поверхностной акустической волны (ПАВ), в свою очередь, является функцией состояния материала, включая такие параметры, как кристаллографическая ориентация, упругие константы , температура и напряжение.
Измерение
[ редактировать ]При измерении SRAS, как и в большинстве методов лазерного ультразвука , используются два лазера: один для генерации акустических волн, а другой для последующего обнаружения этих волн. Учитывая сначала генерацию акустических волн, на поверхность образца отображается оптическая амплитудная решетка, освещаемая короткоимпульсным лазером накачки (обычно ~ 1 нс). Падающий свет термоупруго поглощается, создавая поверхностные акустические волны, такие как волны Рэлея . Поскольку лазерный импульс содержит широкий диапазон частот, будут генерироваться только те частоты, которые соответствуют шагу решетки и скорости звука в этой точке выборки. Используя второй, непрерывный лазер, эти поверхностные акустические волны затем можно измерить с помощью ряда методов интерферометрии. Обнаружение обычно достигается путем отклонения оптического луча.
Поскольку волны Рэлея недисперсионны, фазовую скорость акустической волны можно найти по формуле
где – расстояние между полосами решетки, отображаемыми на поверхности образца, и — доминирующая частота волнового пакета, найденная с помощью быстрого преобразования Фурье .
Поскольку при измерении измеряется частота волнового пакета, которая не меняется по длине распространения, измеренная скорость ПАВ определяется только свойствами образца в области, где отображается рисунок решетки, в отличие от более традиционных времени пролета измерений . на которые влияют свойства образца по длине распространения. Это делает SRAS надежным и невосприимчивым к аберрирующим и рассеивающим эффектам микроструктуры.
Визуализация микроструктуры
[ редактировать ]Путем растрового сканирования образца и проведения измерений в нескольких точках поверхности можно построить многомегапиксельные изображения скорости ПАВ, предоставляя богатые карты микроструктуры. На образцах с хорошей шероховатостью поверхности измерения можно проводить без усреднения, что позволяет быстро сканировать образцы. Теоретически это означает, что скорость сбора данных ограничена только частотой повторения лазера накачки; частота повторения современных лазеров может превышать 10 кГц. Поскольку для измерений не требуется вакуумная камера или акустическая контактная жидкость, размер образца, который можно опрашивать, невелик, за пределами стадий сканирования. Упругая анизотропия большинства конструкционных материалов означает, что акустический отклик зависит от направления нагрузки. Следовательно, для каждого направления распространения ПАВ существует уникальная карта скоростей. Можно объединить несколько карт скоростей, чтобы улучшить контраст между зернами.
Отображение ориентации
[ редактировать ]
Поверхность акустической медленности можно определить для каждого пикселя путем распространения акустической волны в нескольких направлениях. После измерения скорости ПАВ в нескольких направлениях задача состоит в том, чтобы преобразовать эту информацию в измерение кристаллографической ориентации. Непосредственный расчет ориентации по скорости представляет собой трудную задачу. Однако численный расчет скорости ПАВ как функции скорости ПАВ относительно прост, как впервые было предложено Фарнеллом. Таким образом, можно предварительно рассчитать базу данных возможных поверхностей медленности и сравнить ее с измеренными значениями. Для каждого пикселя измерения ориентация определяется ориентацией заранее рассчитанной поверхности скорости, которая лучше всего соответствует измеренным данным. Эти карты могут пространственно описывать кристаллическую ориентацию исследуемого материала и использоваться для изучения микротекстуры и морфологии образца. Этот метод применим к любой кристаллической структуре, однако поперечная изотропия означает, что полная ориентация не может быть определена в гексагональных материалах, таких как титан . [2]
Чтобы рассчитать прогнозируемую скорость SAW образца, плотность необходимо знать материала и упругие константы. Упругие константы обычно измеряются ультразвуковыми методами, такими как резонансная ультразвуковая спектроскопия , с хорошо известными значениями для большинства распространенных конструкционных материалов. Однако можно попытаться решить полную обратную задачу, чтобы определить упругие константы и кристаллографическую ориентацию только по измеренной скорости ПАВ. [3]
На основании данных об ориентации можно получить обширную информацию, которая поможет понять микроструктуру образца и историю обработки. Недавние разработки включают понимание: предшествующей текстуры родительских фаз при повышенной температуре; хранение и остаточная деформация после механических испытаний; совокупность различных микроструктурных особенностей, включая выделения и зернограничный характер.
Измерение матрицы упругости монокристалла (SRAS++)
[ редактировать ]SRAS++ использует визуализацию SRAS для обеспечения необработанных измерений поверхностей скоростей отдельных зерен. Эти данные вводятся в новый обратный решатель, который смягчает проблему очень плохой обусловленности инверсии за счет одновременного решения для нескольких зерен с уникальной ориентацией одновременно в грубом методе. силовой подход. Это позволяет одновременно определять упругие константы и кристаллографическую ориентацию. Кроме того, этот метод имеет потенциал для работы с поликристаллическими материалами с минимальной подготовкой и обеспечивает высокую точность с возможностью реализации ошибок при определении значений упругих констант менее 1 ГПа.
Грубые поверхности
[ редактировать ]Гладкие зеркальные поверхности обеспечивают зеркальное отражение , что позволяет легко обнаружить акустическую волну. Однако по мере того, как поверхности становятся более шероховатыми, отражения становятся более размытыми , что затрудняет обнаружение акустической волны по двум причинам. Во-первых, отраженный луч распределяется по конусу, поскольку по мере увеличения диаметра этого конуса в систему возвращается меньше света, что снижает эффективность обнаружения. Во-вторых, свет, который возвращается в детектор, больше не имеет гауссовой интенсивности, вместо этого интерферирующие волновые фронты создают стохастический спекл-паттерн . Однако многие технологические процессы придают оптически шероховатую поверхность, например, аддитивное производство или ковка , и существует желание проводить измерения таких компонентов в их «состоянии изготовления». Для этого требуется интерферометрический метод, совместимый с шероховатыми поверхностями. Например, интерферометр Фабри-Перо , который по своей сути толерантен к спеклу и двухволновому смешению, который может адаптироваться к спекл-паттерну, или детектор спекл-нож. [6] Используя такие методы обнаружения, можно проводить измерения SRAS на оптически шероховатых поверхностях. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патель, Рикеш; Ли, Вэньци; Смит, Ричард Дж.; Шарплс, Стив Д.; Кларк, Мэтт (ноябрь 2017 г.). «Ориентационная визуализация макроразмерных зерен поликремния на пластинах с использованием акустической спектроскопии с пространственным разрешением» . Скрипта Материалия . 140 : 67–70. дои : 10.1016/j.scriptamat.2017.07.003 .
- ^ Драйберг, Пол; Смит, Ричард Дж.; Марроу, Пол; Лэйне, Стивен Дж.; Шарплс, Стив Д.; Кларк, Мэтт; Ли, Вэньци (01 декабря 2020 г.). «Определение кристаллографической ориентации материалов с гексагональной кристаллической структурой с помощью измерения скорости поверхностных акустических волн» . Ультразвук . 108 : 106171. doi : 10.1016/j.ultras.2020.106171 . ISSN 0041-624X . ПМИД 32497903 . S2CID 219331320 .
- ^ Драйбург, Пол; Ли, Вэньци; Пиерис, Дон; Фуэнтес-Домингес, Рафаэль; Патель, Рикеш; Смит, Ричард Дж.; Кларк, Мэтт (15 февраля 2022 г.). «Измерение упругости монокристаллической матрицы поликристаллических материалов» . Акта Материалия . 225 : 117551. Бибкод : 2022AcMat.22517551D . дои : 10.1016/j.actamat.2021.117551 . ISSN 1359-6454 .
- ^ Драйберг, Пол; Ли, Вэньци; Пиерис, Дон; Фуэнтес-Домингес, Рафаэль; Патель, Рикеш; Смит, Ричард; Кларк, Мэтт (07 декабря 2021 г.). «Измерение упругости монокристаллической матрицы поликристаллических материалов» . Акта Материалия . 225 : 117551. doi : 10.1016/j.actamat.2021.117551 . ISSN 1359-6454 .
- ^ Драйберг, Пол; Ли, Вэньци; Пиерис, Дон; Фуэнтес-Домингес, Рафаэль; Патель, Рикеш; Смит, Ричард; Кларк, Мэтт (07 декабря 2021 г.). «Измерение упругости монокристаллической матрицы поликристаллических материалов» . Акта Материалия . 225 : 117551. doi : 10.1016/j.actamat.2021.117551 . ISSN 1359-6454 .
- ^ Шарпи, СД; Свет, РА; Ачамфуо-Йебоа, ЮАР; Кларк, М; Сомех, М.Г. (03.06.2014). «SKED: детектор кромок спекл-ножа» . Физический журнал: серия конференций . 520 (1): 012004. Бибкод : 2014JPhCS.520a2004S . дои : 10.1088/1742-6596/520/1/012004 . ISSN 1742-6588 .
- ^ Патель, Рикеш; Хирш, Матиас; Драйберг, Пол; Пиерис, Дон; Ачамфуо-Йебоа, Самуэль; Смит, Ричард; Лайт, Роджер; Шарплс, Стив; Клэр, Адам; Кларк, Мэтт (19 октября 2018 г.). «Визуализация текстуры материала непосредственно осажденных деталей, расплавленных селективным лазером, с использованием акустической спектроскопии с пространственным разрешением» . Прикладные науки . 8 (10): 1991. doi : 10.3390/app8101991 . ISSN 2076-3417 .