DE102012219998A1 - Method for identifying crystalline phases in polycrystalline sample used in e.g. airplane, involves determining total quality from quality factors, so as to associate crystal structure with highest total quality to measuring point - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation kristalliner Phasen in einer mono- oder polykristallinen Probe.The invention relates to a method for the identification of crystalline phases in a mono- or polycrystalline sample.
Technologischer HintergrundTechnological background
Die Identifikation kristallographischer Mikrostrukturen ist in vielen Bereichen der Technik von erheblicher Bedeutung, beispielsweise bei metallischen Werkstücken, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, wie in Flugzeugen und Automobilen. The identification of crystallographic microstructures is of considerable importance in many fields of technology, for example, in metallic workpieces subjected to high loads, such as in aircraft and automobiles.
In der Regel wird zunächst die chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Probe ermittelt. Eine Standardmethode der Materialanalytik, die zu diesen Zwecken Einsatz findet, ist die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX). Zur Anregung wird ein Elektronenstrahl einheitlicher Energie auf den jeweiligen Messpunkt der Probe gerichtet und die resultierende Röntgenemission detektiert. Die erfasste charakteristische Röntgenstrahlung gibt Aufschluss über die Elementzusammensetzung der Probe.As a rule, the chemical composition of the sample to be examined is first determined. A standard method of material analysis used for these purposes is energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). For excitation, an electron beam of uniform energy is directed to the respective measuring point of the sample and the resulting X-ray emission is detected. The recorded characteristic X-ray radiation provides information about the elemental composition of the sample.
Die Elektronenrückstreubeugung (EBSD; electronbackscatterdiffraction) ist eine Methode der Strukturaufklärung, die zur Identifikation von Kristallen in einer Probe dient. Bei diesem Verfahren wird die Beugung von Elektronen am Kristallgitter (das sogenannte Beugungsbild) zu Zwecken der Phasenanalyse beziehungsweise Kristallstrukturanalyse ausgewertet. Ein Beugungsbild besteht dabei aus einer Reihe von Beugungsbändern, deren Lage von der Kristallstruktur am Probenort und von der lokalen Orientierung des Kristalls abhängt. Die Auswertung der Beugungsbilder erfordert daher zwingend die Kenntnis der vorhandenen Kristallstruktur. Aus der Kenntnis dieser Kristallstruktur wird vorhergesagt, wie die Beugungsbänder bei einer gegebenen Orientierung im Beugungsbild liegen müssten. Electron backscatter diffraction (EBSD) is a structure-elucidation technique used to identify crystals in a sample. In this method, the diffraction of electrons at the crystal lattice (the so-called diffraction pattern) is evaluated for purposes of phase analysis or crystal structure analysis. A diffraction pattern consists of a series of diffraction bands whose position depends on the crystal structure at the sample location and on the local orientation of the crystal. The evaluation of the diffraction images therefore necessarily requires knowledge of the existing crystal structure. From the knowledge of this crystal structure, it is predicted how the diffraction bands would have to lie in the diffraction image at a given orientation.
Die zur Vorhersage der Beugungsbänder nötigen Strukturdaten vieler Tausend bekannter Kristallstrukturen sind in Datenbanken zusammengestellt und dienen als Referenzen zur Identifikation bisher unbekannter Phasen einer vermessenen Probe. In der Praxis werden anhand bestimmter Auswahlkriterien, zumeist der chemischen Zusammensetzung, Kristallstrukturen in der Datenbank vorselektiert, die man in der Probe vermutet. Mittels geeigneter Suchverfahren wird dann auf Grundlage des Beugungsbildes der unbekannten Probe die Orientierung bestimmt, bei der die Vorhersage am besten mit der Messung übereinstimmt. Hat man die korrekte Kristallstruktur gewählt, so erhält man eine gute Übereinstimmung, ansonsten ist die Übereinstimmung schlecht. The structural data of many thousands of known crystal structures necessary for the prediction of the diffraction bands are compiled in databases and serve as references for the identification of hitherto unknown phases of a measured sample. In practice, based on certain selection criteria, mostly the chemical composition, crystal structures are pre-selected in the database, which are suspected in the sample. By means of suitable search methods, the orientation is then determined on the basis of the diffraction pattern of the unknown sample, in which the prediction best matches the measurement. If you have chosen the correct crystal structure, you get a good match, otherwise the match is bad.
Der Grad der Übereinstimmung wird primär durch die Anzahl der innerhalb einer gewissen Toleranz erfolgreich erklärten Beugungsbänder angegeben. Man nimmt also eine gewisse Abweichung der theoretischen Beugungsbänder von den tatsächlich gemessenen in Kauf. Der Grad dieser Abweichung – der Winkelfehler – ist ein sekundäres Maß der Übereinstimmung. Werden mehrere Kristallstrukturen in der Probe vermutet, dann wird das Auswerteverfahren für alle Kandidaten wiederholt. Der Kandidat mit der besten Übereinstimmung wird mit dem Probenort identifiziert. The degree of agreement is primarily indicated by the number of diffraction bands successfully declared within a certain tolerance. Thus, a certain deviation of the theoretical diffraction bands from the actually measured ones is accepted. The degree of this deviation - the angle error - is a secondary measure of agreement. If several crystal structures in the sample are suspected, the evaluation procedure is repeated for all candidates. The candidate with the best match is identified with the sample location.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Identifikation kristalliner Phasen in einer mono- oder polykristallinen Probe können ein oder mehrere Nachteile des Standes der Technik behoben oder zumindest gemindert werden. Das Verfahren umfasst dazu die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen einer Liste von Kristallstrukturen, die in der Probe vermutet werden, wobei zu jeder Kristallstruktur zumindest seine chemische Zusammensetzung und ein Elektronenbeugungsbild mit einer Vielzahl von Beugungsbändern oder zur Vorhersage der Beugungsbänder nötige Strukturdaten hinterlegt sind;
- b) Für jede vermutete Kristallstruktur, Bestimmung eines normierten Vektors p(i) für die chemische Zusammensetzung, dessen Koordinaten proportional zu den einzelnen Elementhäufigkeiten sind;
- c) An jedem Messpunkt der Probe, (i) Aufnahme eines Spektrums mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX-Spektrum) und Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und (ii) Aufnahme eines Elektronenbeugungsbildes und Bestimmung der Beugungsbänder;
- d) Bestimmung eines normierten Vektors v für die chemische Zusammensetzung am Messpunkt, dessen Koordinaten proportional zu den einzelnen Elementhäufigkeiten sind;
- e) Vergleich des normierten Vektors v für die chemische Zusammensetzung am Messpunkt mit jedem der normierten Vektoren p(i) der vermuteten Kristallstrukturen unter Ausgabe eines Bewertungsfaktors s(i) für die jeweilige Übereinstimmung der Vektoren;
- f) Vergleich der am Messpunkt bestimmten Beugungsbänder mit den Beugungsbändern der vermuteten Kristallstrukturen unter Ausgabe eines Bewertungsfaktors n(i) für die Übereinstimmung der Beugungsbänder; und
- g) Bestimmung einer Gesamtgüte aus den beiden Bewertungsfaktoren s(i) und n(i) und Zuordnung der Kristallstruktur mit der höchsten Gesamtgüte zum Messpunkt.
- a) Provision of a list of crystal structures suspected in the sample, wherein for each crystal structure at least its chemical composition and an electron diffraction pattern with a plurality of diffraction bands or structure data necessary for the prediction of the diffraction bands are deposited;
- b) For any suspected crystal structure, determination of a normalized vector p (i) for the chemical composition whose coordinates are proportional to the individual element abundances;
- c) At each measuring point of the sample, (i) recording a spectrum by means of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX spectrum) and determining the chemical composition and (ii) taking an electron diffraction pattern and determining the diffraction bands;
- d) determining a normalized vector v for the chemical composition at the measuring point whose coordinates are proportional to the individual element frequencies;
- e) comparing the normalized vector v for the chemical composition at the measurement point with each of the normalized vectors p (i) of the suspected crystal structures and outputting a weighting factor s (i) for the respective correspondence of the vectors;
- f) comparison of the diffraction bands determined at the measuring point with the diffraction bands of the presumed crystal structures with the output of an evaluation factor n (i) for the conformity of the diffraction bands; and
- g) Determination of a total quality from the two weighting factors s (i) and n (i) and assignment of the crystal structure with the highest overall quality to the measuring point.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Identifikation unbekannter kristalliner Phasen in einer polykristallinen Probe erheblich beschleunigt werden kann, wenn nicht ganze Datensätze abgeglichen werden, sondern anstelle dessen normierte Vektoren herangezogen und bestimmt werden. Dazu wird zunächst eine Liste von Kristallstrukturen, die in der Probe vermutet werden, erstellt. Die entsprechenden Datensätze zu jeder dieser vermuteten Kristallstrukturen enthalten neben den Strukturinformationen Angaben zur chemischen Zusammensetzung. Die relevanten Beugungsbänder werden vorab anhand hinterlegter Strukturinformationen vorhergesagt. Alternativ oder ergänzend können auch vermessene Elektronenbeugungsbilder eingelesen werden.The invention is based on the finding that the identification of unknown crystalline phases in a polycrystalline sample can be considerably accelerated if not whole data sets are calibrated, but normalized vectors are used and determined instead. First, a list of crystal structures suspected in the sample is created. The corresponding datasets for each of these suspected crystal structures contain, in addition to the structural information, information on the chemical composition. The relevant diffraction bands are predicted on the basis of stored structural information. Alternatively or additionally, measured electron diffraction patterns can also be read in.
Im Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann ein normierter Vektor p(i) für die chemische Zusammensetzung festgesetzt, dessen Koordinaten proportional zu den einzelnen Elementhäufigkeiten sind. Der Proportionalitätsfaktor ist so zu wählen, dass die Summe der Quadrate der Koordinaten eins ist.In step b) of the method according to the invention, a normalized vector p (i) for the chemical composition is then determined whose coordinates are proportional to the individual element frequencies. The proportionality factor should be chosen such that the sum of the squares of the coordinates is one.
Im Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Vermessung der Probe, wobei an jedem Messpunkt ein EDX-Spektrum und ein Elektronenbeugungsbild aufgenommen wird. Anhand des EDX-Spektrums wird die Elementzusammensetzung der Probe am Messpunkt bestimmt. In step c) of the method according to the invention, the sample is measured, with an EDX spectrum and an electron diffraction pattern being recorded at each measuring point. The EDX spectrum is used to determine the elemental composition of the sample at the measurement point.
Im Schritt d) des Verfahrens wird nun ein normierter Vektor v für die chemische Zusammensetzung am Messpunkt ermittelt, dessen Koordinaten wiederum proportional zu den einzelnen Elementhäufigkeiten sind. Auch hier ist der Proportionalitätsfaktor so zu wählen, dass die Summe der Quadrate der Koordinaten eins ist. Anschließend werden in Schritt e) nur noch die normierten Vektoren des Messpunktes und der vermuteten Kristallstrukturen verglichen, wobei dieser Vergleich zur Ausgabe eines Bewertungsfaktors s(i) für die jeweilige Übereinstimmung der Vektoren führt. Hier kann als Bewertungsfaktor s(i) insbesondere der Kehrwert des Abstands des normierten Vektors v der chemischen Zusammensetzung am Messpunkt vom jeweiligen normierten Vektor p(i) der chemischen Zusammensetzung der vermuteten Kristallstrukturen benutzt werden. Ebenso ist denkbar, den Kehrwert des Abstandsquadrats zur Ermittlung des Bewertungsfaktors heranzuziehen. In den genannten Fällen nimmt der Bewertungsfaktor s(i) bei guter Übereinstimmung hohe Werte an. In step d) of the method, a normalized vector v for the chemical composition at the measuring point is now determined whose coordinates are in turn proportional to the individual element frequencies. Again, the proportionality factor should be chosen so that the sum of the squares of the coordinates is one. Subsequently, in step e), only the normalized vectors of the measurement point and of the suspected crystal structures are compared, this comparison leading to the output of an evaluation factor s (i) for the respective correspondence of the vectors. Here, as the weighting factor s (i), it is possible in particular to use the reciprocal of the distance of the normalized vector v of the chemical composition at the measuring point from the respective normalized vector p (i) of the chemical composition of the suspected crystal structures. It is also conceivable to use the reciprocal of the square of the distance to determine the weighting factor. In the cases mentioned, the weighting factor s (i), when well matched, assumes high values.
Im Schritt f) folgt ein Vergleich der messpunktbestimmten Beugungsbänder mit den Beugungsbändern der vermuteten Kristallstrukturen unter Ausgabe eines Bewertungsfaktors n(i) für die Übereinstimmung der Beugungsbänder. Der Wert von n(i) ist die Anzahl der durch die Kristallstruktur erfolgreich erklärten gemessenen Beugungsbänder. Anhand der beiden Bewertungsfaktoren s(i) und n(i) wird schließlich im Schritt g) eine Gesamtgüte ermittelt. Die Kristallstruktur mit der höchsten Gesamtgüte wird dem Messpunkt zugeordnet.In step f), a comparison of the measurement point-determined diffraction bands with the diffraction bands of the presumed crystal structures follows, with the output of an evaluation factor n (i) for the conformity of the diffraction bands. The value of n (i) is the number of measured diffraction bands successfully explained by the crystal structure. On the basis of the two weighting factors s (i) and n (i), an overall quality is finally determined in step g). The crystal structure with the highest overall quality is assigned to the measurement point.
Alternativ können zunächst die Beugungsbilder (Schritt f)) und dann erst die chemische Information (Schritte d) und e)) ausgewertet werden.Alternatively, first the diffraction patterns (step f)) and then only the chemical information (steps d) and e)) can be evaluated.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, welches einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Identifikation kristalliner Phasen in einer polykristallinen Probe, wie vorab beschrieben, durchzuführen.The invention further relates to a computer program which enables a data processing device, after it has been loaded into storage means of the data processing device, to carry out a method for identifying crystalline phases in a polycrystalline sample as described above.
Ebenso betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, welches einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Identifikation kristalliner Phasen in einer polykristallinen Probe, wie vorab beschrieben, durchzuführen.The invention also relates to a computer-readable storage medium on which a program is stored which, after having been loaded into storage means of the data processing device, enables a data processing device to perform a process for identifying crystalline phases in a polycrystalline sample as described above.
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