Textura (química)

En la química física y la ciencia de materiales, textura es la distribución de las orientaciones cristalográficas de una muestra policristalina (también forma parte de la tela geológica). Una muestra en la que estas orientaciones son totalmente aleatorias se dice que no tienen una textura distinta. Si las orientaciones cristalográficas no son aleatorias, pero tienen alguna orientación preferida, entonces la muestra tiene una textura débil, moderada o fuerte. El grado depende del porcentaje de cristales que tienen la orientación preferida.

La textura se ve en casi todos los materiales de ingeniería y puede tener una gran influencia en las propiedades de los materiales. La textura se forma en los materiales durante procesos termomecánicos, por ejemplo durante procesos de producción, p. laminación. En consecuencia, el proceso de laminado suele ir seguido de un tratamiento térmico para reducir la cantidad de textura no deseada. Controlar el proceso de producción en combinación con la caracterización de la textura y la microestructura del material ayuda a determinar las propiedades de los materiales, es decir, la relación procesamiento-microestructura-textura-propiedad. Además, las rocas geológicas muestran textura debido a su historia termomecánica de procesos de formación.

Un caso extremo es la falta total de textura: un sólido con una orientación de cristalitos perfectamente aleatoria tendrá propiedades isotrópicas en escalas de longitud suficientemente mayores que el tamaño de los cristalitos. El extremo opuesto es un monocristal perfecto, que probablemente tenga propiedades anisotrópicas por necesidad geométrica.

Caracterización y representación

La textura se puede determinar mediante varios métodos. Algunos métodos permiten un análisis cuantitativo de la textura, mientras que otros son sólo cualitativos. Entre las técnicas cuantitativas, la más utilizada es la difracción de rayos X mediante goniómetros de textura, seguida del método de difracción por retrodispersión de electrones (EBSD) en microscopios electrónicos de barrido. El análisis cualitativo se puede realizar mediante fotografía de Laue, difracción de rayos X simple o con un microscopio polarizado. La difracción de rayos X de alta energía de neutrones y sincrotrones es adecuada para determinar texturas de materiales a granel y análisis in situ, mientras que los instrumentos de difracción de rayos X de laboratorio son más apropiados para analizar texturas de películas delgadas.

La textura a menudo se representa mediante una figura polar, en la que se traza un eje (o polo) cristalográfico específico de cada uno de un número representativo de cristalitos en una proyección estereográfica, junto con direcciones relevantes para la historia de procesamiento del material. . Estas direcciones definen el llamado marco de referencia de la muestra y, debido a que la investigación de texturas comenzó a partir del mecanizado en frío de metales, generalmente denominada dirección de laminación RD, la dirección transversal TD y la dirección normal ND. Para alambres metálicos trefilados, el eje de la fibra cilíndrica resultó ser la dirección de la muestra alrededor de la cual normalmente se observa la orientación preferida (ver más abajo).

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  Difractómetro de cuatro círculos, o cuna Euleria, para la medición de la textura con la difusión de rayos X
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  Modo de χ para medición de reflexión
• 
  modo Ω para medición de transmisión

Texturas comunes

Hay varias texturas que se encuentran comúnmente en materiales procesados (cúbicos). Reciben el nombre del científico que los descubrió o del material en el que se encuentran con mayor frecuencia. Estos se dan en índices de Miller con fines de simplificación.

• Componente de cubo: (001)[100]
• Componente de latón: (110)[-112]
• Componente de cobre: (112)[11-1]
• S component: (123)[63-4]

Función de distribución de orientación

La representación 3D completa de la textura cristalográfica viene dada por la función de distribución de orientación (ODF) que se puede lograr mediante la evaluación de un conjunto de figuras polares o patrones de difracción. Posteriormente, a partir del ODF se pueden derivar todas las cifras polares.

La ODF se define como la fracción de volumen de granos con cierta orientación g{displaystyle {bun}}.

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La orientación g{displaystyle {bun}} normalmente se identifica usando tres ángulos de Euler. Los ángulos de Euler describen la transición desde el marco de referencia de la muestra al marco de referencia cristalográfica de cada grano individual del policrístal. Uno termina así con un gran conjunto de diferentes ángulos de Euler, cuya distribución es descrita por el ODF.

La función de distribución de orientación, ODF, no se puede medir directamente mediante ninguna técnica. Tradicionalmente, tanto la difracción de rayos X como la EBSD pueden recopilar figuras polares. Existen diferentes metodologías para obtener el ODF a partir de las cifras polares o de datos en general. Se pueden clasificar según cómo representan el ODF. Algunos representan el ODF como una función, suma de funciones o lo expanden en una serie de funciones armónicas. Otros, conocidos como métodos discretos, dividen el espacio ODF en celdas y se centran en determinar el valor del ODF en cada celda.

Orígenes

En alambre y fibra, todos los cristales tienden a tener una orientación casi idéntica en la dirección axial, pero una orientación radial casi aleatoria. Las excepciones más conocidas a esta regla son la fibra de vidrio, que no tiene estructura cristalina, y la fibra de carbono, en la que la anisotropía cristalina es tan grande que un filamento de buena calidad será un monocristal distorsionado con simetría aproximadamente cilíndrica (a menudo comparado con una gelatina). rollo). Las fibras monocristalinas tampoco son infrecuentes.

La fabricación de láminas de metal a menudo implica compresión en una dirección y, en operaciones de laminado eficientes, tensión en otra, lo que puede orientar los cristalitos en ambos ejes mediante un proceso conocido como flujo de grano. Sin embargo, el trabajo en frío destruye gran parte del orden cristalino y los nuevos cristalitos que surgen con el recocido suelen tener una textura diferente. El control de la textura es extremadamente importante en la fabricación de láminas de acero al silicio para núcleos de transformadores (para reducir la histéresis magnética) y de latas de aluminio (ya que la embutición profunda requiere una plasticidad extrema y relativamente uniforme).

La textura en la cerámica generalmente surge porque los cristalitos en una suspensión tienen formas que dependen de la orientación cristalina, a menudo en forma de aguja o placa. Estas partículas se alinean cuando el agua sale del lodo o cuando se forma arcilla.

La fundición u otras transiciones de fluido a sólido (es decir, deposición de película delgada) producen sólidos texturizados cuando hay suficiente tiempo y energía de activación para que los átomos encuentren lugares en los cristales existentes, en lugar de condensarse como un sólido amorfo o comenzar uno nuevo. cristales de orientación aleatoria. Algunas facetas de un cristal (a menudo los planos compactos) crecen más rápidamente que otras, y los cristalitos en los que uno de estos planos mira en la dirección de crecimiento normalmente superarán a los cristales en otras orientaciones. En casos extremos, sólo un cristal sobrevivirá después de cierta longitud: esto se aprovecha en el proceso de Czochralski (a menos que se utilice un cristal semilla) y en la fundición de álabes de turbinas y otras piezas sensibles a la fluencia.

Propiedades de textura y materiales

Las propiedades del material, como la resistencia, la reactividad química, la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, la soldabilidad, el comportamiento de deformación, la resistencia al daño por radiación y la susceptibilidad magnética, pueden depender en gran medida de la textura del material y de los cambios relacionados en la microestructura. En muchos materiales, las propiedades son específicas de la textura, y el desarrollo de texturas desfavorables cuando el material se fabrica o se utiliza puede crear debilidades que pueden iniciar o exacerbar fallas. Las piezas pueden dejar de funcionar debido a texturas desfavorables en los materiales que las componen. Las fallas pueden correlacionarse con las texturas cristalinas formadas durante la fabricación o el uso de ese componente. En consecuencia, la consideración de las texturas que están presentes y que podrían formarse en los componentes de ingeniería mientras están en uso puede ser crítica al tomar decisiones sobre la selección de algunos materiales y métodos empleados para fabricar piezas con esos materiales. Cuando las piezas fallan durante el uso o abuso, comprender las texturas que se producen dentro de esas piezas puede ser crucial para una interpretación significativa de los datos del análisis de fallas.

Texturas de película fina

Como resultado de los efectos del sustrato que producen orientaciones preferidas de los cristalitos, tienden a aparecer texturas pronunciadas en películas delgadas. Los dispositivos tecnológicos modernos se basan en gran medida en películas delgadas policristalinas con espesores en el rango de nanómetros y micrómetros. Esto es válido, por ejemplo, para todos los sistemas microelectrónicos y la mayoría de los sistemas optoelectrónicos o capas sensoriales y superconductoras. La mayoría de las texturas de película delgada se pueden clasificar en dos tipos diferentes: (1) para las denominadas texturas de fibra, la orientación de un determinado plano de la red es preferentemente paralela al plano del sustrato; (2) en texturas biaxiales la orientación en el plano de los cristalitos también tiende a alinearse con respecto a la muestra. En consecuencia, este último fenómeno se observa en procesos de crecimiento casi epitaxiales, donde ciertos ejes cristalográficos de los cristales en la capa tienden a alinearse a lo largo de una orientación cristalográfica particular del sustrato (monocristalino).

Adaptar la textura según la demanda se ha convertido en una tarea importante en la tecnología de película fina. En el caso de compuestos de óxido destinados a películas conductoras transparentes o dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW), por ejemplo, el eje polar debe estar alineado a lo largo de la normal del sustrato. Otro ejemplo lo dan los cables de superconductores de alta temperatura que se están desarrollando como sistemas multicapa de óxido depositados sobre cintas metálicas. El ajuste de la textura biaxial en capas de YBa₂Cu₃O_7−δ resultó ser el requisito previo decisivo para alcanzar corrientes críticas suficientemente grandes.

El grado de textura a menudo está sujeto a una evolución durante el crecimiento de la película delgada y las texturas más pronunciadas solo se obtienen después de que la capa ha alcanzado un cierto espesor. Por tanto, los productores de películas finas necesitan información sobre el perfil de textura o el gradiente de textura para optimizar el proceso de deposición. Sin embargo, la determinación de los gradientes de textura mediante dispersión de rayos X no es sencilla, porque las diferentes profundidades de una muestra contribuyen a la señal. Recientemente se han desarrollado técnicas que permiten una deconvolución adecuada de la intensidad de la difracción.