CN115272568A - 一种位错界面特征三维可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种位错界面特征三维可视化方法，通过透射电镜获得图像构建位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像，并获取位错界面的组分位错的柏氏矢量；根据三维图像反映的位错界面的构型以及组分位错的柏氏矢量、线方向和所在滑移面法向，获得位错界面的转动轴方向和位错界面的局部区域法向，进一步在三维图像中展示位错界面的局部区域法向，以及根据位错界面的局部区域法向和位错界面的转动轴方向之间的夹角获得位错界面的倾斜和扭转组分信息，在三维图像中展示位错界面的组分分布特征。本发明基于透射电镜位错三维定量表征方法，能够直观呈现位错界面取向和组分信息的空间分布特征。
Description
技术领域
本发明涉及晶体分析及表征技术领域，特别是涉及一种位错界面特征三维可视化方法。
背景技术
位错界面是晶体材料形变或者热处理过程中产生的典型位错组态。位错界面通常属于小角度晶界，其位错构型和界面组分常随着晶体类型、形变和热处理等条件不同而变化万千。
位错界面特征与组分位错自身的结构和空间组态特征密切相关，主要特征参量包括界面取向差、界面取向和界面组分三个方面。其中，界面取向常随界面局域位错空间组态变化而变化，深刻影响局域或者整体位错界面的迁移能力。晶界类型通常可分为倾斜晶界、扭转晶界以及由倾斜晶界和扭转晶界混合组成的混合晶界，不同类型的晶界具有不同的应变场分布、热稳定性和界面迁移机制，对于材料的强韧化、加工硬化和再结晶行为具有重要影响。因而，精确确定位错界面的界面取向和倾斜/扭转界面组分，对于深刻理解外场作用下位错界面稳定性和迁移行为具有重要意义。
目前，基于衍射原理并结合晶界迹线分析方法，利用同步辐射X射线、电子背散射衍射以及透射电镜电子衍射可以测定晶界面法向，并通过晶体学分析计算晶界转动轴，进而确定混合晶界中倾斜界面组分和扭转界面组分。这些方法或受限于空间分辨率和角度分辨率，或局限于二维截面观察，难以准确确定以小角度取向差为特征的位错界面的局部界面取向和界面组分，同时无法直观呈现位错界面的局部界面取向和界面组分的空间分布特征。因此，亟需开发一种能够直观表征位错界面取向和组分空间分布的三维可视化方法，为位错界面相关科学问题研究提供重要技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种位错界面特征三维可视化方法，通过对位错界面三维重构以及基于三维图像分析和表征位错界面特征，能够直观表征位错界面取向和组分信息的空间分布。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种位错界面特征三维可视化方法，包括：
通过透射电镜获取位错界面的图像，并根据获得图像构建所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像；
获取所述位错界面的组分位错的柏氏矢量；
根据所述三维图像反映的所述位错界面的构型以及所述组分位错的柏氏矢量、线方向和所在滑移面法向，获得所述位错界面的转动轴方向和所述位错界面的局部区域法向；
在所述三维图像中展示所述位错界面的局部区域法向，以及根据所述位错界面的局部区域法向和所述位错界面的转动轴方向之间的夹角获得所述位错界面的倾斜和扭转组分信息，在所述三维图像中展示所述位错界面的组分分布特征。
优选的，通过透射电镜获取位错界面的图像，并根据获得图像构建所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像包括：
以预设衍射矢量g为成像矢量并保持双束或者弱束成像条件，通过透射电镜对所述位错界面获取多个不同角度的图像，根据获得图像进行三维重构，获得所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像。
优选的，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
根据所述位错界面的所述三维图像，从所述位错界面的两个位错获得第一矢量和第二矢量，所述第一矢量或者所述第二矢量为所述两个位错中任一位错上一点指向另一位错上一点形成的矢量，根据所述第一矢量和所述第二矢量确定所述位错界面的局部区域法向。
优选的，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
若由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成所述位错界面，在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面，则所述位错界面的法向与位错的柏氏矢量方向平行；
若由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成所述位错界面，在仅滑移且无长程应力条件下，(p1×p2)和(b1×b2)不共线，则n∥(p1×p2)×(b1×b2)，(p1×p2)和(b1×b2)共线，则n⊥(b1×b2)，其中，n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向。
优选的，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
若由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的所述位错界面，若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，则n∥(b1×p2)×(b2×p1)；若两个柏氏矢量位错位于相同滑移面，则n∥(b1×b2)；
若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，给定a时，则n∥[(p1×a)×p2]×[(p2×a)×p1]，其中，n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向，a表示所述位错界面的转动轴方向。
优选的，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
若所述位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面，三个柏氏矢量位错位于三个滑移面，则n∥[(p1×q1)×(p2×q2)]，其中，q1＝a×(b2×b3)，q2＝a×(b3×b1)，q3＝a×(b1×b2)，其中，n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2、b3分别表示所述位错界面的三个位错的柏氏矢量，p1、p2、p3分别表示所述位错界面的三个位错所在滑移面法向，a表示所述位错界面的转动轴方向。
优选的，获得所述位错界面的转动轴方向包括：
若由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成所述位错界面，在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面，则所述位错界面的转动轴方向与平行位错的线方向平行；有攀移发生时，所述位错界面的转动轴位于所述位错界面内，所述位错界面的转动轴与所述位错界面的法向垂直；
若由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成所述位错界面，两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，则a∥ξ∥(p1×p2)；在仅滑移且无长程应力条件下，若两个柏氏矢量位错来自同一滑移面，则a∥ξ∥(n×p)，(n×p)表示晶界面与滑移面的交线，其中，a表示所述位错界面的转动轴方向，ξ表示平行位错的线方向，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向。
优选的，获得所述位错界面的转动轴方向包括：
若由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的所述位错界面，则a∥(b1×b2)；若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，给定n时，则a∥[(p2×n)×p1]×[(p1×n)×p2]，其中，a表示所述位错界面的转动轴方向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向，n表示所述位错界面的局部区域法向。
优选的，获得所述位错界面的转动轴方向包括：
若所述位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面，三个柏氏矢量位错位于相同滑移面，则a‖(b1×b2)‖(b2×b3)‖(b3×b1)；
若所述位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面，三个柏氏矢量位错位于三个滑移面，则求解以下方程确定所述位错界面的转动轴方向：[(p1×q1)×(p2×q2)]·(p3×q3)＝0，其中，q1＝a×(b2×b3)，q2＝a×(b3×b1)，q3＝a×(b1×b2)；
其中，b1、b2、b3分别表示所述位错界面的三个位错的柏氏矢量，p1、p2、p3分别表示所述位错界面的三个位错所在滑移面法向，a表示所述位错界面的转动轴方向。
优选的，在所述位错界面的所述三维图像中展示所述位错界面的局部区域法向包括：
以同一显示元素的不同量值分别描述不同的局部区域法向，在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面的各个局部区域法向，以在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面取向的空间分布。
优选的，在所述位错界面的所述三维图像中展示所述位错界面的组分信息包括：
以同一显示元素的不同量值分别描述位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间夹角的不同角度，在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面的局部区域法向和转动轴方向的夹角角度，以在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面倾斜和扭转组分信息的空间分布。
由上述技术方案可知，本发明所提供的位错界面特征三维可视化方法，通过透射电镜获取位错界面的图像，并根据获得图像构建位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像，以及获取位错界面的组分位错的柏氏矢量；然后，根据三维图像反映的位错界面的构型以及组分位错的柏氏矢量、线方向和所在滑移面法向，获得位错界面的转动轴方向和位错界面的局部区域法向，进一步在三维图像中展示位错界面的局部区域法向，以及根据位错界面的局部区域法向和位错界面的转动轴方向之间的夹角获得位错界面的倾斜和扭转组分信息，在三维图像中展示位错界面的组分分布特征。本发明通过对位错界面三维重构以及基于三维图像分析和表征位错界面特征，能够直观地表征位错界面取向和位错界面组分信息的空间分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种位错界面特征三维可视化方法的流程图；
图2(a)为由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成的位错界面在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面的示意图；
图2(b)为由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成的弯曲界面的示意图；
图3(a)为在仅滑移且无长程应力条件下由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成的平直位错界面示意图；
图3(b)为由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成的位错界面且形成弯曲界面的示意图；
图4为由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的位错界面的示意图；
图5为位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面的示意图；
图6为本发明中从六边形位错界面获得局部区域法向的示意图；
图7为本发明一具体实例中展示位错界面的局部区域法向的示意图；
图8为本发明中位错界面局部区域法向和位错界面转动轴的夹角示意图；
图9为本发明一具体实例中以色阶表示角度的示意图；
图10为一具体实例中使用透射电镜对样品获得的位错界面图像；
图11为一具体实例中构建出的在晶体坐标系下位错界面的三维图像；
图12为一具体实例中构建出的展示位错界面取向的位错界面的三维图像；
图13为一具体实例中构建出的展示位错界面组分的位错界面的三维图像。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本实施例提供的一种位错界面特征三维可视化方法的流程图，如图所示，所述位错界面特征三维可视化方法包括以下步骤：
S11：通过透射电镜获取位错界面的图像，并根据获得图像构建所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像。
使用透射电镜获取样品内位错界面的图像。根据获得的位错界面的图像，经过三维重构，构建出在晶体坐标系下描述的位错界面的三维图像。
S12：获取所述位错界面的组分位错的柏氏矢量。
位错界面是由多个位错组成的位错组态。位错界面的组分位错是指形成本位错界面的位错。
S13：根据所述三维图像反映的所述位错界面的构型以及所述组分位错的柏氏矢量、线方向和所在滑移面法向，获得所述位错界面的转动轴方向和所述位错界面的局部区域法向。
位错界面的构型是指位错界面的组分位错之间的空间关系和组分位错的分布形态。组分位错的线方向反映组分位错迹线的方向。可以根据位错界面的三维图像，在三维图像中确定出组分位错的迹线，能够得到组分位错的线方向。
位错界面的转动轴方向表示扭转晶体两部分可以相对旋转的界面轴，位错界面的转动轴可用于描述位错界面之间的相对取向，可以根据位错界面的相对构型结合晶体学信息确定。
位错界面组分表示位错界面倾斜和扭转的组分信息，通过局部区域法向和转动轴方向的夹角角度来表示。
S14：在所述三维图像中展示所述位错界面的局部区域法向。
S15：根据所述位错界面的局部区域法向和所述位错界面的转动轴方向之间的夹角获得所述位错界面的倾斜和扭转组分信息，在所述三维图像中展示所述位错界面的组分分布特征。
根据获得的位错界面的局部区域法向，在位错界面的三维图像中展示位错界面的局部区域法向，从而可视化展示位错界面的取向。
根据获得的位错界面的局部区域法向和位错界面的转动轴方向，得到位错界面的局部区域法向与位错界面的转动轴方向之间的夹角，根据两者的夹角角度可以分析位错界面的组分信息。位错界面的组分信息是指位错界面包括的倾斜和扭转界面相对含量。
本实施例的位错界面特征三维可视化方法，通过对位错界面三维重构以及基于三维图像分析和表征位错界面特征，实现了对位错界面取向和位错界面组分信息的可视化表征，能够直观地表征位错界面的取向和组分信息的空间分布。
下面结合具体实施方式对本位错界面特征三维可视化方法进行详细说明。
可选的，可采用以下方法通过透射电镜获取样品的位错界面图像，构建位错界面在晶体坐标系下的三维图像，方法包括：以预设衍射矢量g为成像矢量并保持双束或者弱束成像条件，通过透射电镜对所述位错界面获取多个不同角度的图像，根据获得图像进行三维重构，获得所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像。
使用透射电镜对样品的位错界面进行成像，可以以样品的某一衍射矢量g为成像矢量，并保持双束或者弱束成像条件，通过透射电镜获取位错界面多个不同角度的图像。具体可以在高倾角度范围内，对位错界面获取多个不同角度的暗场图像，在实际操作中可以在高倾角度范围内，以预设角度步长采集一系列不同角度的位错界面明/暗场像。根据获取的样品位错界面多个不同角度的图像，通过图像处理、图像合轴以及结合样品的空间坐标系和晶体坐标系之间的转换关系，构建出在晶体坐标系中位错界面的三维图像。但不限于此，通过透射电镜对位错界面进行成像以构建出位错界面在晶体坐标系下的三维图像的过程还可以采用其它方法，都在本发明保护范围内。
本实施例中，对获取位错界面的组分位错的柏氏矢量的方法不做限定。可选的，可通过以下方法获取位错界面的组分位错的柏氏矢量，包括：选取样品的多个衍射矢量，通过透射电镜获取在各个衍射矢量下所述样品的位错界面图像，根据获得图像基于不可见法则获得所述位错界面的组分位错的柏氏矢量。选取样品的多个不同的衍射矢量，通过透射电镜对应每一衍射矢量获取样品位错界面的图像，具体获取样品位错界面的暗场图像。根据位错的不可见判据，根据图像中位错界面像的衬度确定出组分位错的柏氏矢量b。但不限于此，在其它实施例中也可以采用其它方法获得位错界面的组分位错的柏氏矢量。
可选的，可根据构建出的位错界面在晶体坐标系下的三维图像，分析和获得位错界面的几何特征和晶体学特征，可以获得位错界面的构型，可以分析获得位错界面的组分位错的线方向。根据组分位错的柏氏矢量结合晶体学知识可以确定组分位错所在滑移面法向，可以分析位错界面的构型，可以进一步分析获得位错界面的转动轴方向和局部区域法向。
可选的，可根据以下方法根据构建的位错界面的三维图像，确定具有典型形貌和结构特征的位错界面的转动轴方向和局部区域法向。包括以下几种情况：
第一种情况：由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成位错界面。
设位错的柏氏矢量为b，线方向为ξ，所在滑移面法向为p。位错界面的转动轴为a，局部区域法向为n。这种位错界面的转动轴方向与平行位错的线方向平行。
在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面，若位错界面为平直界面，a∥ξ，位错界面的法向与位错的柏氏矢量方向平行，可以将平行位错的柏氏矢量方向确定为位错界面的局部区域法向，可表示为n∥b。可参考图2(a)，图2(a)为由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成的位错界面在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面的示意图。
在实际条件下，有攀移发生时，转动轴a可能位于位错界面内任意方向，即a⊥n。若位错界面为平直界面，n∥b。
若位错界面为弯曲界面，可通过以下方法获得位错界面的局部区域法向n，包括：根据所述位错界面的所述三维图像，从所述位错界面的两个位错获得第一矢量和第二矢量，所述第一矢量或者所述第二矢量为所述两个位错中任一位错上一点指向另一位错上一点形成的矢量，根据所述第一矢量和所述第二矢量确定所述位错界面的局部区域法向。可参考图2(b)，图2(b)为由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成的弯曲界面的示意图，如图所示可在相邻位错上分别取点A、B和C、D，则该相邻两位错之间区域的法向为n∥(AD×BC)。这种方法能够比较准确地获得位错界面的局部区域法向。
第二种情况：由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成位错界面，两个柏氏矢量位错来自两个滑移面。
设位错的柏氏矢量为b1、b2，线方向为ξ，所在滑移面法向为p1、p2。位错界面的转动轴为a，局部区域法向为n。这种位错界面的转动轴方向与平行位错的线方向平行。
在仅滑移且无长程应力条件下，位错界面形成平直界面，两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，a∥ξ∥(p1×p2)。可参考图3(a)，图3(a)为在仅滑移且无长程应力条件下，由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成的平直位错界面示意图。其中，若(p1×p2)和(b1×b2)不共线，存在唯一平直界面，则n∥(p1×p2)×(b1×b2)。若(p1×p2)和(b1×b2)共线，平行于(b1×b2)的平面都可能是界面，则n⊥(b1×b2)。n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向。
特殊地，仅滑移且无长程应力条件下，当两组位错b1和b2位于相同滑移面p，即p∥(b1×b2)，因晶界面须包含(b1×b2)，此时可能的晶界面均垂直于滑移面，a∥ξ∥(n×p)(晶界面与滑移面的交线)。
在实际条件下，转动轴a∥ξ∥(p1×p2)。位错界面为平直界面或者弯曲界面，都可通过以下方法获得位错界面的局部区域法向n，包括：从所述位错界面的两个位错获得第一矢量和第二矢量，所述第一矢量或者所述第二矢量为所述两个位错中任一位错上一点指向另一位错上一点形成的矢量，根据所述第一矢量和所述第二矢量确定所述位错界面的局部区域法向。可参考图3(b)，图3(b)为由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成的位错界面且形成弯曲界面的示意图，如图所示在相邻位错上分别取点A、B和C、D，则该相邻两位错之间区域的法向为n∥(AD×BC)。
第三种情况：由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的位错界面，位错界面为扭转界面。
设位错的柏氏矢量为b1、b2，线方向为ξ1、ξ2，所在滑移面法向为p1、p2。位错界面的转动轴为a，局部区域法向为n。可参考图4，图4为由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的位错界面的示意图。这种位错界面的转动轴方向与位错界面的两个柏氏矢量所在平面垂直。
在仅滑移且无长程应力条件下，若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，a∥(b1×b2)，或者a＝(b1×b2)/|b1×b2|，n∥(b1×p2)×(b2×p1)。
若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，给定n时，因ξ1∥(p1×n)和ξ2∥(p2×n)，则有a∥[(p2×n)×p1]×[(p1×n)×p2]。给定a时，因b1∥(p1×a)和b2∥(p2×a)，则仅可能有一个界面，n∥[(p1×a)×p2]×[(p2×a)×p1]。
但是，若(b1×p2)∥(b2×p1)，则有(b1×p2)∥(b2×p1)∥(b1×b2)，则n⊥(b1×p2)，界面为倾斜界面。特殊地，若p1∥b2，p2∥b1，则n·(b1×p2)＝0，即n⊥(b1×p2)，界面平行于(b1×p2)。进一步地，若p2∥b1，界面为任意取向，此情形相当于两组位错线b1和b2位于相同滑移面，则n∥p1或者n∥p2，只能形成位于滑移面的扭转界面。其中n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向。
在实际条件下，a∥(b1×b2)。另外可以根据四边形的相邻两边的矢量方向确定该四边形区域的法向，即，可根据为四边形的位错界面的相邻两位错的线方向，确定位错界面的该局部区域法向，表示为n∥(ξ1×ξ2)。亦可通过将四边形单元以对角线拆分成两个三角形区域，各个三角形区域的局部区域法向可通过上述方法确定。另外，也可通过以下方法获得位错界面的局部区域法向n，包括：从所述位错界面的两个位错获得第一矢量和第二矢量，所述第一矢量或者所述第二矢量为所述两个位错中任一位错上一点指向另一位错上一点形成的矢量，根据所述第一矢量和所述第二矢量确定所述位错界面的局部区域法向。可以从四边形单元的相邻两边位错上获得第一矢量和第二矢量来获得局部区域法向。
第四种情况：位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面。
设位错的柏氏矢量为b1、b2、b3，线方向为ξ1、ξ2、ξ3，所在滑移面法向为p1、p2、p3。位错界面的转动轴为a，局部区域法向为n。可参考图5，图5为位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面的示意图。
若三个柏氏矢量位错位于相同滑移面且形成六边形网络界面，则a∥(b1×b2)∥(b2×b3)∥(b3×b1)，另外，可以通过确定在六边形单元相邻边矢量方向AB和AC，则该六边形区域法向为n∥(AB×AC)。或者，亦可对六边形单元通过大小对角线拆分成四个三角形区域，各区域确定方法相同。
若三个柏氏矢量位错位于三个滑移面，设定q1＝a×(b2×b3)，q2＝a×(b3×b1)，q3＝a×(b1×b2)。在理论条件下即仅滑移且无长程应力条件下，n∥[(p1×q1)×(p2×q2)]，表明n⊥(pi×qi)，i∈[1,3]，即pi和qi平行于界面(共面)。
求解以下方程确定位错界面的转动轴方向a：[(p1×q1)×(p2×q2)]·(p3×q3)＝0。当n∥q1时，方程无解，其余有唯一解。
在实际条件下，可通过求解上述方程确定位错界面的转动轴方向a。可通过以下方法获得位错界面的局部区域法向n，包括：根据所述位错界面的所述三维图像，从所述位错界面的两个位错获得第一矢量和第二矢量，所述第一矢量或者所述第二矢量为所述两个位错中任一位错上一点指向另一位错上一点形成的矢量，根据所述第一矢量和所述第二矢量确定所述位错界面的局部区域法向。比如可参考图6，图6为从六边形位错界面获得局部区域法向的示意图，可从六边形单元相邻边获得矢量AD和BC，则该六边形区域法向为n∥(AD×BC)，比如，A点为(x1,y1,z1)，B点为(x2,y2,z2)，C点为(x3,y3,z3)，D点为(x4,y4,z4)，n＝AD×BC＝(x4-x1,y4-y1,z4-z1)×(x3-x2,y3-y2,z3-z2)。亦可通过以六边形单元的对角线将其拆分成四个三角形区域，各个区域应用上述方法确定区域法向。
本实施例中，对在位错界面的三维图像中展示位错界面的局部区域法向的方法不做限定，能够实现在位错界面的三维图像中可视化展示出位错界面的局部区域法向即可。可选的，可通过以下方法在位错界面的三维图像中展示位错界面的局部区域法向，包括：以同一显示元素的不同量值分别描述不同的局部区域法向，在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面的各个局部区域法向，以在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面取向的空间分布。显示元素可以理解为三维图像的该显示元素的量值改变时会影响三维图像的显示效果。三维图像的显示元素包括但不限于颜色或者灰度。那么，对于不同的局部区域法向，在位错界面的三维图像中会以显示元素取不同的量值进行表示，从而在位错界面的三维图像中显示出位错界面取向的空间分布。示例性的可参考图7，图7为一具体实例中展示位错界面的局部区域法向的示意图，如图所示，以不同颜色表示不同的界面取向，局部区域法向n1＝(0.30,0.53,1)对应以其中一颜色表示。
可选的，可根据以下方法根据位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间的夹角获得位错界面的组分信息，包括：计算位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间的夹角角度
根据角度
确定位错界面中的倾斜界面组分和扭转界面组分。示例性的可参考图8，图8为位错界面局部区域法向和位错界面转动轴的夹角示意图，如图所示，位错界面的其中一个区域的法向n1与转动轴a的夹角为
另一个区域的法向n2与转动轴a的夹角为
可选的，若
则位错界面为扭转界面；若
则位错界面为倾斜界面；若
时为混合界面。
值越接近0°，位错界面各方面特征越接近扭转界面，
值越接近90°，位错界面各方面特征越接近倾斜界面。
本实施例中，对在位错界面的三维图像中展示位错界面的组分信息的方法不做限定，能够实现在位错界面的三维图像中可视化展示出位错界面的组分信息即可。可选的，可通过以下方法在位错界面的三维图像中展示位错界面的组分信息，包括：以同一显示元素的不同量值分别描述位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间夹角的不同角度，在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面的局部区域法向和转动轴方向的夹角角度，以在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面组分信息的空间分布。
在位错界面的三维图像中，根据位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间的夹角角度
表示位错界面的组分信息。具体可以使用对比鲜明的两种颜色分别表示角度为0°和90°，设置该两种颜色之间的渐变色阶表示从0°到90°的角度范围。具体使用对比鲜明的两种颜色分别表示δ为0°和90°两种情形，设置从0°到90°的渐变色阶，那么具有不同量的扭转界面组分和倾斜界面组分的位错界面会呈现特定颜色。将颜色信息与位错界面的三维几何特征信息相结合，即可直观地呈现位错界面组分的空间分布特征。示例性的可参考图9，图9为一具体实例中以色阶表示角度的示意图，比如图示的位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间的夹角角度
以图中对应的色阶表示，色阶的表示范围可以根据显示范围进行调整。
下面以铝合金中六边形位错网络界面作为具体实例说明，采用上述方法分别获得位错界面晶体取向三维分布图和位错界面组分三维分布图。
(1)基于透射电镜对位错界面进行三维重构及定量表征。
在透射电镜下，保持弱束成像条件为g311/3g311，对样品中感兴趣的位错界面(如图10所示)以固定步长为1°采集系列角度位错暗场像，角度范围为-70°到+70°。根据面心立方金属位错的可见性判据进行位错的柏氏矢量分析。在得到了样品坐标系下位错界面的三维图像后通过矩阵转换算法将重构图像转化至晶体坐标系下，得到晶体坐标系下位错界面的三维重构像(如图11所示)；
(2)根据位错界面构型确定局部区域(如规则或不规则结构单元、平行线间区域等)，本实例中为六边形位错界面，以六边形亚单元为局部区域，根据图12中所示的两向量确定局部区域法向n；计算得界面转动轴a＝[111]；
根据n数值，结合晶体取向色彩编码原理将位错界面局部区域以彩色图示化形式展示，获得位错界面晶体取向的三维分布图，如图12所示。
(3)根据界面转动轴与局部区域法向之间的夹角确定位错界面局部区域的扭转和倾斜界面组分特征，并以三维彩色图示化方法直观呈现位错界面扭转和倾斜界面组分特征。
计算出界面转动轴a和局部区域法向之间的夹角
利用
来量化表征位错界面扭转和倾斜界面组分特征。用白色和黑色分别表示
为40°和90°，设置从40°至90°的渐变色阶，用颜色的变化直观呈现位错界面扭转和倾斜界面组分，获得位错界面组分的三维分布图，如图13所示。
以上对本发明所提供的一种位错界面特征三维可视化方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，包括：
通过透射电镜获取位错界面的图像，并根据获得图像构建所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像；
获取所述位错界面的组分位错的柏氏矢量；
根据所述三维图像反映的所述位错界面的构型以及所述组分位错的柏氏矢量、线方向和所在滑移面法向，获得所述位错界面的转动轴方向和所述位错界面的局部区域法向；
在所述三维图像中展示所述位错界面的局部区域法向，以及根据所述位错界面的局部区域法向和所述位错界面的转动轴方向之间的夹角获得所述位错界面的倾斜和扭转组分信息，在所述三维图像中展示所述位错界面的组分分布特征，位错界面的组分分布特征是指位错界面包括的倾斜和扭转界面相对含量。
2.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，通过透射电镜获取位错界面的图像，并根据获得图像构建所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像包括：
以预设衍射矢量g为成像矢量并保持双束或者弱束成像条件，通过透射电镜对所述位错界面获取多个不同角度的图像，根据获得图像进行三维重构，获得所述位错界面在晶体坐标系下描述的三维图像。
3.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
根据所述位错界面的所述三维图像，从所述位错界面的两个位错获得第一矢量和第二矢量，所述第一矢量或者所述第二矢量为所述两个位错中任一位错上一点指向另一位错上一点形成的矢量，根据所述第一矢量和所述第二矢量确定所述位错界面的局部区域法向。
4.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
若由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成所述位错界面，在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面，则所述位错界面的法向与位错的柏氏矢量方向平行；
若由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成所述位错界面，在仅滑移且无长程应力条件下，(p1×p2)和(b1×b2)不共线，则n∥(p1×p2)×(b1×b2)，(p1×p2)和(b1×b2)共线，则n⊥(b1×b2)，其中，n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向。
5.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
若由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的所述位错界面，若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，则n∥(b1×p2)×(b2×p1)；若两个柏氏矢量位错位于相同滑移面，则n∥(b1×b2)；
若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，给定a时，则n∥[(p1×a)×p2]×[(p2×a)×p1]，其中，n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向，a表示所述位错界面的转动轴方向。
6.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的局部区域法向包括：
若所述位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面，三个柏氏矢量位错位于三个滑移面，则n∥[(p1×q1)×(p2×q2)]，其中，q1＝a×(b2×b3)，q2＝a×(b3×b1)，q3＝a×(b1×b2)，其中，n表示所述位错界面的局部区域法向，b1、b2、b3分别表示所述位错界面的三个位错的柏氏矢量，p1、p2、p3分别表示所述位错界面的三个位错所在滑移面法向，a表示所述位错界面的转动轴方向。
7.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的转动轴方向包括：
若由单个柏氏矢量的平行刃型位错阵列形成所述位错界面，在仅滑移且无长程应力条件下形成平直界面，则所述位错界面的转动轴方向与平行位错的线方向平行；有攀移发生时，所述位错界面的转动轴位于所述位错界面内，所述位错界面的转动轴与所述位错界面的法向垂直；
若由两个柏氏矢量的平行位错阵列形成所述位错界面，两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，则a∥ξ∥(p1×p2)；在仅滑移且无长程应力条件下，若两个柏氏矢量位错来自同一滑移面，则a∥ξ∥(n×p)，(n×p)表示晶界面与滑移面的交线，其中，a表示所述位错界面的转动轴方向，ξ表示平行位错的线方向，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向。
8.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的转动轴方向包括：
若由两个柏氏矢量位错形成四边形网络的所述位错界面，则a∥(b1×b2)；若两个柏氏矢量位错来自两个滑移面，给定n时，则a∥[(p2×n)×p1]×[(p1×n)×p2]，其中，a表示所述位错界面的转动轴方向，b1、b2分别表示所述位错界面的不同位错的柏氏矢量，p1、p2分别表示所述位错界面的不同位错所在滑移面法向，n表示所述位错界面的局部区域法向。
9.根据权利要求1所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，获得所述位错界面的转动轴方向包括：
若所述位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面，三个柏氏矢量位错位于相同滑移面，则a‖(b1×b2)‖(b2×b3)‖(b3×b1)；
若所述位错界面为三个柏氏矢量位错形成的网络界面，三个柏氏矢量位错位于三个滑移面，则求解以下方程确定所述位错界面的转动轴方向：[(p1×q1)×(p2×q2)]·(p3×q3)＝0，其中，q1＝a×(b2×b3)，q2＝a×(b3×b1)，q3＝a×(b1×b2)；
其中，b1、b2、b3分别表示所述位错界面的三个位错的柏氏矢量，p1、p2、p3分别表示所述位错界面的三个位错所在滑移面法向，a表示所述位错界面的转动轴方向。
10.根据权利要求1-9任一项所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，在所述位错界面的所述三维图像中展示所述位错界面的局部区域法向包括：
以同一显示元素的不同量值分别描述不同的局部区域法向，在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面的各个局部区域法向，以在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面取向的空间分布。
11.根据权利要求1-9任一项所述的位错界面特征三维可视化方法，其特征在于，在所述位错界面的所述三维图像中展示所述位错界面的组分信息包括：
以同一显示元素的不同量值分别描述位错界面的局部区域法向和转动轴方向之间夹角的不同角度，在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面的局部区域法向和转动轴方向的夹角角度，以在所述位错界面的所述三维图像中显示所述位错界面倾斜与扭转组分信息的空间分布。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |