En química física [¿ fuente poco confiable? ] y ciencia de los materiales , la textura es la distribución de las orientaciones cristalográficas de una muestra policristalina (también es parte del tejido geológico ). Se dice que una muestra en la que estas orientaciones son completamente aleatorias no tiene una textura distintiva. Si las orientaciones cristalográficas no son aleatorias, sino que 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 observa 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 los procesos termomecánicos, por ejemplo, durante los procesos de producción, como el laminado . En consecuencia, el proceso de laminado a menudo va seguido de un tratamiento térmico para reducir la cantidad de textura no deseada. El control del 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 . [2] [3] [4] 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 los cristales perfectamente aleatoria tendrá propiedades isotrópicas en escalas de longitud suficientemente mayores que el tamaño de los cristales. El extremo opuesto es un monocristal perfecto, que probablemente tenga propiedades anisotrópicas por necesidad geométrica.
La textura se puede determinar mediante varios métodos. [5] Algunos métodos permiten un análisis cuantitativo de la textura, mientras que otros son solo cualitativos. Entre las técnicas cuantitativas, la más utilizada es la difracción de rayos X utilizando goniómetros de textura, seguida del método de difracción de 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 sincrotrón son adecuadas 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 se representa a menudo mediante una figura polar , en la que se traza un eje cristalográfico específico (o polo) de cada uno de un número representativo de cristalitos en una proyección estereográfica, junto con direcciones relevantes para el historial de procesamiento del material. Estas direcciones definen el llamado marco de referencia de la muestra y, debido a que la investigación de las texturas comenzó a partir del trabajo en frío de los metales, generalmente se las denomina dirección de laminación RD , dirección transversal TD y dirección normal ND . Para los alambres metálicos trefilados, el eje de fibra cilíndrica resultó ser la dirección de la muestra alrededor de la cual se observa típicamente la orientación preferida (ver a continuación).
Existen varias texturas que se encuentran comúnmente en materiales procesados (cúbicos). Se las nombra según el científico que las descubrió o según el material en el que se encuentran con mayor frecuencia. Se dan en índices de Miller para simplificar.
La representación tridimensional completa de la textura cristalográfica se obtiene mediante 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, todas las figuras polares se pueden derivar de la ODF.
La ODF se define como la fracción de volumen de granos con una determinada orientación .
La orientación se identifica normalmente mediante tres ángulos de Euler . Los ángulos de Euler describen entonces la transición desde el sistema de referencia de la muestra al sistema de referencia cristalográfico de cada grano individual del policristal. De este modo, se obtiene un gran conjunto de diferentes ángulos de Euler, cuya distribución se describe mediante la 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 recoger figuras polares. Existen diferentes metodologías para obtener la ODF a partir de las figuras polares o de los datos en general. Se pueden clasificar en función de cómo representan la ODF. Algunas representan la ODF como una función, suma de funciones o la expanden en una serie de funciones armónicas. Otros, conocidos como métodos discretos, dividen el espacio de la ODF en celdas y se centran en determinar el valor de la ODF en cada celda.
En los alambres y las fibras , 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 una simetría aproximadamente cilíndrica (a menudo comparado con un rollo de gelatina ). Las fibras monocristalinas tampoco son infrecuentes.
La fabricación de chapas metálicas suele implicar 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 chapa 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 de la cerámica suele surgir porque los cristales de una suspensión tienen formas que dependen de la orientación cristalina, a menudo en forma de aguja o de placa. Estas partículas se alinean a medida que el agua sale de la suspensión o se forma la 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 iniciar nuevos cristales de orientación aleatoria. Algunas facetas de un cristal (a menudo los planos compactos) crecen más rápidamente que otras, y los cristalitos para los cuales uno de estos planos está orientado en la dirección de crecimiento generalmente superarán a los cristales en otras orientaciones. En casos extremos, solo un cristal sobrevivirá después de cierta longitud: esto se explota en el proceso Czochralski (a menos que se use un cristal semilla ) y en la fundición de álabes de turbinas y otras piezas sensibles a la fluencia .
Las propiedades del material como la resistencia , [6] reactividad química, [7] resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión , [8] soldabilidad , [9] comportamiento de deformación, [6] [7] resistencia al daño por radiación , [10] [11] y susceptibilidad magnética [12] pueden depender en gran medida de la textura del material y 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 está en uso puede crear debilidades que pueden iniciar o exacerbar fallas. [6] [7] Las piezas pueden fallar en su rendimiento debido a texturas desfavorables en los materiales que las componen. [7] [12] Las fallas pueden correlacionarse con las texturas cristalinas formadas durante la fabricación o el uso de ese componente. [6] [9] En consecuencia, la consideración de las texturas que están presentes y que podrían formarse en los componentes diseñados mientras están en uso puede ser fundamental al tomar decisiones sobre la selección de algunos materiales y métodos empleados para fabricar piezas con esos materiales. [6] [9] Cuando las piezas fallan durante el uso o el 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 . [6] [7]
Como resultado de los efectos del sustrato que producen orientaciones cristalinas preferidas, tienden a ocurrir texturas pronunciadas en películas delgadas . [13] Los dispositivos tecnológicos modernos en gran medida dependen de películas delgadas policristalinas con espesores en los rangos nanométricos y micrométricos. Esto es válido, por ejemplo, para todos los sistemas microelectrónicos y la mayoría de los optoelectrónicos o capas sensorias y superconductoras . La mayoría de las texturas de películas delgadas pueden categorizarse como uno de dos tipos diferentes: (1) para las llamadas texturas de fibra, la orientación de un cierto plano reticular es preferentemente paralela al plano del sustrato; (2) en las texturas biaxiales, la orientación en el plano de los cristalitos también tiende a alinearse con respecto a la muestra. El último fenómeno se observa en consecuencia en procesos de crecimiento casi epitaxial , donde ciertos ejes cristalográficos de los cristales en la capa tienden a alinearse a lo largo de una orientación cristalográfica particular del sustrato (monocristal).
La adaptación de la textura a las necesidades se ha convertido en una tarea importante en la tecnología de películas delgadas. En el caso de compuestos de óxido destinados a películas conductoras transparentes o dispositivos de ondas acústicas superficiales (SAW), por ejemplo, el eje polar debe estar alineado a lo largo de la normal del sustrato. [14] Otro ejemplo lo dan los cables de superconductores de alta temperatura que se están desarrollando como sistemas multicapa de óxido depositados sobre cintas metálicas. [ 15] El ajuste de la textura biaxial en capas de YBa2Cu3O7 − δ resultó ser el requisito previo decisivo para lograr corrientes críticas suficientemente grandes. [16]
El grado de textura suele estar sujeto a una evolución durante el crecimiento de la película delgada [17] y las texturas más pronunciadas solo se obtienen después de que la capa haya alcanzado un cierto espesor. Por lo tanto, los cultivadores de películas delgadas requieren 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. Las técnicas que permiten la deconvolución adecuada de la intensidad de difracción se desarrollaron recientemente. [18] [19]
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