DE102013102739B4 - Method of analyzing a multiphase, crystalline sample and a point-group-specific polyhedron - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Erzeugen eines Polyeders, umfassend: – Auswahl einer Kristallklasse; – Erzeugen von zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Mustern auf den Polyederflächen eines regelmäßigen Würfels (2) oder einer hexagonalen Bipyramide (3) oder eines entsprechenden Schnittmusterbogens, derart, dass die Anordnung aller Symmetrieelemente der Kristallklasse durch entsprechende Symmetrien der Muster auf den Polyederflächen repräsentiert wird, und dass alle kristallographisch äquivalenten Richtungen durch dieselbe, eindeutige Farbe entsprechend einer richtungsabhängigen Farbkodierung (21) beschrieben werden.A method for producing a polyhedron, comprising: - selecting a crystal class; - Creation of at least in a partial area asymmetrical patterns on the polyhedral surfaces of a regular cube (2) or a hexagonal bipyramid (3) or a corresponding pattern sheet, such that the arrangement of all symmetry elements of the crystal class is represented by corresponding symmetries of the patterns on the polyhedral surfaces, and that all crystallographically equivalent directions are described by the same, unique color according to a direction-dependent color coding (21).
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kristallographie und der Werkstoffwissenschaften.The invention is in the field of crystallography and materials science.
In der Kristallographie unterscheidet man zwischen sieben Kristallsystemen, die zumeist durch die Metrik eines Elementarzellenpolyeders definiert sind und sich durch die Kombinatorik von dreidimensional angeordneten Symmetrieelementen ergeben. Dabei ist bekannt, dass aus den 32 Möglichkeiten der Symmetrie-Element-Anordnung (32 Kristallklassen) nur 7 Elementarzellenpolyeder bzw. Kristallsysteme (triklin, monoklin, orthorhombisch, tetragonal, rhomboedrisch, hexagonal und kubisch) resultieren. Jeder dieser sieben Elementarzellenpolyeder repräsentiert daher mehrere Symmetrieelementkombinationen. In der Mineralogie und Kristallographie kann das daraus resultierende Problem der mehrdeutigen Interpretierbarkeit dadurch umgangen werden, dass mindestens eine sogenannte ”allgemeine Flächenform” zur Darstellung verwendet wird, die dann tatsächlich punktsymmetriespezifisch ist. Allerdings benötigen diese Flächenmodelle Körper mit bis zu 48 Flächen. Eine Verwendung derartiger Körper ist für die Materialuntersuchung mehrphasiger, kristalliner Proben mittels EBSD-Messungen (EBSD = Elektronenbeugung rückgestreuter Elektronen) oder Röntgenstrukturanalyse jedoch nicht praktikabel, da neben der hohen Flächenanzahl die kristallographische Indizierungen der Flächen der Körper sehr ähnlich ausfallen können, was bei niedrig-symmetrischen, kubischen Phasen zu Fehlinterpretationen führen kann. Außerdem sind Lehrmittelsätze mit entsprechenden Körpern (Polyedern), wie sie für die Ausbildung von Kristallographen, Mineralogen, Physikern, Chemikern, Materialwissenschaftlern etc. eingesetzt werden, sehr teuer.In crystallography one differentiates between seven crystal systems, which are mostly defined by the metric of a unit cell polyhedron and result from the combinatorics of three-dimensionally arranged symmetry elements. It is known that only 7 unit cell polyhedra or crystal systems (triclinic, monoclinic, orthorhombic, tetragonal, rhombohedral, hexagonal and cubic) result from the 32 possibilities of the symmetry element arrangement (32 crystal classes). Each of these seven unit cell polyhedra therefore represents several symmetry element combinations. In mineralogy and crystallography, the resulting problem of ambiguous interpretability can be circumvented by using at least one so-called "general surface shape" for representation, which is then actually point-symmetry-specific. However, these surface models require bodies with up to 48 surfaces. However, use of such bodies is impractical for material analysis of multiphase, crystalline samples by means of EBSD measurements (electron diffraction of backscattered electrons) or X-ray structure analysis, since in addition to the large number of surfaces, the crystallographic indexing of the surfaces of the bodies can be very similar, which symmetrical, cubic phases can lead to misinterpretations. In addition, teaching aids with corresponding bodies (polyhedrons), as used for the training of crystallographers, mineralogists, physicists, chemists, materials scientists, etc., are very expensive.
Polyeder mit farbigen oder gemusterten Polyederflächen werden in Puzzeln verwendet. So beschreibt die Druckschrift
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Polyeders gemäß Anspruch 1, ein punktgruppenspezifisches Polyeder gemäß Anspruch 3, ein Lehrmittelsatz gemäß Anspruch 4 und eine Verwendung von punktgruppenspezifischen Polyedern gemäß Anspruch 6 angegeben.Against this background, a method for producing a polyhedron according to
Ein Satz von Polyedern kann für die Ausbildung von Kristallographen, Mineralogen, Physikern, Chemikern, Materialwissenschaftlern etc. eingesetzt werden. Ein Lehrmittelsatz umfasst für jede der 32 Kristallklassen ein Polyeder aus Polyederflächen mit Mustern, wobei die Muster zumindest in einem Teilbereich asymmetrisch sind.A set of polyhedra can be used to train crystallographers, mineralogists, physicists, chemists, materials scientists, and so on. For each of the 32 crystal classes, a set of teaching aids comprises a polyhedron of polyhedron surfaces with patterns, the patterns being asymmetric at least in a partial area.
Ein Lehrmittelsatz für die Ausbildung an Hoch- und Fachschulen umfasst für jede der 32 Kristallklassen ein Polyeder aus Polyederflächen mit Mustern, wobei die Muster zumindest in einem Teilbereich asymmetrisch sind. Typischerweise ist jeder der Polyeder durch ein spezielles Flächenmuster auf seinen Polyederflächen charakterisiert, das alle kristallographisch äquivalenten Ausrichtungen durch dieselbe, eindeutige Farbe entsprechend einer richtungsabhängigen Farbkodierung und die Ausrichtung aller Symmetrieelemente der jeweiligen Kristallklasse durch entsprechende Symmetrien des speziellen Flächenmusters beschreibt. Anhand eines derartigen Satzes von Polyedern lassen sich die Symmetrieeigenschaften besonders gut vermitteln. Außerdem kann der Lehrmittelsatz wesentlich günstiger hergestellt werden als die üblicherweise verwendeten und vorzugsweise aus Holz gefertigten Kristallmodelle. Anstelle der komplexen Polyederkörper der üblicherweise verwendeten Kristallmodelle kommt der vorliegend beschriebenen Lehrmittelsatz mit 25 Würfeln und sieben achtflächigen Bipyramiden aus.A set of teaching aids for colleges and colleges includes for each of the 32 crystal classes a polyhedron of polyhedral surfaces with patterns, the patterns being asymmetric in at least one subset. Typically, each of the polyhedra is characterized by a particular surface pattern on its polyhedron surfaces that describes all crystallographically equivalent orientations by the same unique color corresponding to directional color coding and alignment of all the symmetry elements of the particular crystal class by corresponding symmetries of the particular surface pattern. By means of such a set of polyhedra, the symmetry properties can be conveyed particularly well. In addition, the teaching set can be made much cheaper than the commonly used and preferably made of wood crystal models. Instead of the complex polyhedron body of the commonly used crystal models of the teaching set described herein comes with 25 cubes and seven achtflächigen bipyramids.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines Polyeders umfasst die Auswahl einer Kristallklasse und das Erzeugen von zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Mustern für die Polyederflächen eines regelmäßigen Würfels oder einer hexagonalen Bipyramide oder eines entsprechenden Schnittmusterbogens derart, dass die Anordnung aller Symmetrieelemente der jeweiligen Kristallklasse durch entsprechende Symmetrien der Muster auf den Polyederflächen repräsentiert wird und dass alle kristallographisch äquivalenten Richtungen durch dieselbe, eindeutige Farbe entsprechend einer richtungsabhängigen Farbkodierung beschrieben werden. Das Erzeugen kann das Anwenden der Symmetrieelemente der Kristallklasse auf die asymmetrischen Muster umfassen. Dadurch, dass lediglich einfache Körper wie das regelmäßige Hexaeder (Würfel) oder eine hexagonale Bipyramide mit nur zwölf Polyederflächen – die in ihrer Form als Schnittfigur zweier um die Diagonale um 60° zueinander verdrehter Würfel auf das Hexaeder zurückführbar ist – verwendet werden, kann auf eine einfache und/oder kostengünstige Weise ein realer oder virtueller Satz von 32 punktgruppenspezifischen bzw. kristallklassenspezifischen Polyedern bereitgestellt werden.A method for generating a polyhedron comprises selecting a crystal class and generating at least in a subarea asymmetrical patterns for the polyhedral surfaces of a regular Cube or a hexagonal Bipyramide or a corresponding Schnittmusterbogens such that the arrangement of all the symmetry elements of the respective crystal class is represented by corresponding symmetries of the patterns on the polyhedral surfaces and that all crystallographically equivalent directions are described by the same, unique color according to a directional color coding. The generating may include applying the crystal class symmetry elements to the asymmetric patterns. The fact that only simple bodies such as the regular hexahedron (cube) or a hexagonal bipyramid with only twelve polyhedron faces - which can be traced back to the hexahedron in its shape as a sectional figure of two cubes twisted by the diagonal by 60 ° - can be used on one a simple and / or cost effective way of providing a real or virtual set of 32 point group specific or crystal class specific polyhedra.
Die Auswahl der Kristallklasse sowie die Darstellung des entsprechenden Polyeders kann von einem Probenanalysesystem wie einem EBSD-System vorgenommen werden. Beispielsweise kann der Polyeder auf einem angeschlossenen Bildschirm des Probenanalysesystems dargestellt werden.The selection of the crystal class as well as the representation of the corresponding polyhedron can be made by a sample analysis system such as an EBSD system. For example, the polyhedron can be displayed on a connected screen of the sample analysis system.
Gemäß noch einer Weiterbildung umfasst das Verfahren das Festlegen eines richtungsabhängigen Farbschlüssels für die ausgewählte Kristallklasse, z. B. eines entsprechenden RGB-Farbschlüssels, das Erzeugen der zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Muster als Muster, die eine Kristallrichtung entsprechend des richtungsabhängigen Farbschlüssels darstellen, und das Erzeugen der zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Muster auf den Polyederflächen des regelmäßigen Hexaeders bzw. der hexagonalen Bipyramide.According to yet another embodiment, the method comprises setting a direction-dependent color key for the selected crystal class, z. As a corresponding RGB color key, generating the asymmetric at least in a partial area pattern as patterns representing a crystal direction corresponding to the directional color key, and generating the asymmetric at least in a partial area pattern on the polyhedral surfaces of the regular hexahedron or the hexagonal bipyramid ,
Bei der Herstellung realer punktgruppenspezifischer Polyeder kann das Erzeugen der zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Muster auf den Polyederflächen bspw. durch Drucken oder Laminieren erfolgen. Dadurch können die punktgruppenspezifischen Polyeder sehr kostengünstig hergestellt werden. Das Erzeugen der zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Muster kann auch auf einem dem regelmäßigen Hexaeder oder der hexagonalen Bipyramide entsprechenden Schnittbogen, z. B. durch Aufdrucken, erfolgen.In the production of real point group-specific polyhedra, the production of the asymmetrical patterns, at least in one subarea, on the polyhedral surfaces can take place, for example, by printing or laminating. As a result, the point-group-specific polyhedra can be produced very inexpensively. The generation of the asymmetric at least in a partial area pattern can also be on a the regular hexahedron or the hexagonal bipyramid corresponding cut arc, z. B. by imprinting done.
Dadurch können die punktgruppenspezifischen Polyeder außerordentlich kostengünstig hergestellt werden und so bspw. Studenten als Satz von 32 bedruckten Schnittmusterbögen zur Verfügung gestellt werden. Es ist aber auch möglich die punktgruppenspezifischen Polyeder in einem 3D-Drucker zu erzeugen.As a result, the point group specific polyhedra can be made extremely inexpensive and so, for example, students are provided as a set of 32 printed pattern sheets. However, it is also possible to generate the point group-specific polyhedra in a 3D printer.
Ein punktgruppenspezifisches Polyeder umfasst Polyederflächen mit farbkodierten Mustern, wobei die Muster zumindest in einem Teilbereich asymmetrisch sind. Dabei sind die Muster auf den Polyederflächen charakteristisch für die eindeutige Anordnung der Symmetrieelemente einer Kristallklasse. Ein derartiges Polyeder kann auf einem Bildschirm angezeigt werden und dort beim Auffinden von Fehlzuordnungen bei der Analyse einer mehrphasigen, kristallinen Probe behilflich sein. Außerdem kann das punktgruppenspezifische Polyeder Teil eines Lehrmittelsatzes sein. Je nach Kristallklasse (Punktsymmetriegruppe) ist das Polyeder typischerweise ein Würfel oder eine hexagonale Bipyramide. Vorliegend werden die Begriffe „kristallographische Punktgruppe” „Punktsymmetriegruppe”, „Punktgruppe” und „Kristallklasse” synonym verwendet.A dot-group-specific polyhedron includes polyhedron surfaces with color-coded patterns, the patterns being asymmetric at least in a partial region. The patterns on the polyhedral surfaces are characteristic of the unique arrangement of the symmetry elements of a crystal class. Such a polyhedron can be displayed on a screen and assist in finding misallocations in the analysis of a multi-phase, crystalline sample. In addition, the point group specific polyhedron may be part of a teaching resource set. Depending on the crystal class (point symmetry group), the polyhedron is typically a cube or a hexagonal bipyramid. In the present case, the terms "crystallographic point group" "point symmetry group", "point group" and "crystal class" are used synonymously.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:Further advantageous embodiments, details, aspects and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description and the accompanying drawings. It shows:
Die Symmetrie von Kristallen wird bislang auf unterschiedlichen Wegen dargestellt. Die 32 Punktsymmetriegruppen bzw. Kristallklassen definieren die räumliche Ausrichtung von Symmetrieelementen, d. h. den Drehachsen, Drehinversionsachsen, Spiegelebenen und dem Symmetrie- oder Inversionszentrum. Deren Darstellung erfolgt dann meist in Form einer azimutalen, z. B. der stereographischen, Projektion von Gitterrichtungen und -ebenen, die parallel zu den Symmetrieachsen bzw. Spiegelebenen liegen. Die dabei verwendeten Standardprojektionen werden üblicherweise so definiert, dass die Referenzrichtungen der Projektion mit möglichst vielen Basisvektoren des Gitters zusammenfallen. Da die Festlegung der Basisvektoren aber durch die Lage der Symmetrieelemente bestimmt wird, steht damit auch die Ausrichtung der Symmetrieelemente in den Standardprojektionen fest. Für einen Würfel
Als wesentlich charakteristischer als die Flächengröße, -form und -ausbildung von Kristallen haben sich die Winkel zwischen den Flächen erwiesen (Steno's Gesetz der Winkelkonstanz). Dabei unterscheidet man zwischen speziellen und allgemeinen Kristallflächen. Als speziell gelten die Flächen, deren Normale mit mindestens einem Symmetrieelement derart zusammen fallen, dass die Fläche durch die Operation mit sich selbst zur Deckung. Mit anderen Worten: die Symmetrieoperation kann an dieser Fläche nicht explizit erkannt werden. Wird ein jedes der in
Wie an den jeweiligen Symmetrieelementausrichtung ersichtlich wird, existiert der Würfel als spezielle Form in allen kubischen Punktgruppen. Der Würfel als Polyeder gibt zwar von sich aus vor, welche Symmetrie existieren könnte, lässt allerdings weitere Möglichkeiten offen. Dies soll am Beispiel von Pyrit erläutert werden, das ebenfalls in Würfelform kristallisieren kann, aber eine für den Pyrit charakteristische Streifung parallel zu 〈100〉 zeigt, die nicht zu der 90°-Rotationssymmetrie der Würfelfläche passt, was alle Punktgruppen mit vierzähliger Symmetrieachse ausschließt
Dazu kommt, dass bei den oftmals extrem schnellen EBSD-Messungen die Unterscheidbarkeit der fünf kubischen Punktgruppen praktisch gegen Null geht, weil die Band-Intensitäten für die Orientierungsbestimmung nicht genutzt werden. In den meisten, allerdings zahlenmäßig wenigen Messungen wird selbst zwischen den zentrosymmetrischen Laue-Gruppen
Die Verwendung der Elementarzellenpolyeder führt in vorhandenen EBSD-Softwarepaketen daher zu den beiden bereits erwähnten Problemen, dass visuell nicht zwischen den 11 Laue-Klassen, sondern nur zwischen den 7 Kristallsystemen unterschieden werden kann und dass sich bei Pseudosymmetrien Fehlinterpretationen nicht zuverlässig erkennen lassen.The use of elementary cell polyhedra leads in existing EBSD software packages to the two problems already mentioned, that visually not between the 11 Laue classes, but only between the 7 crystal systems can be distinguished and that misinterpretations can not be reliably detected in pseudo-symmetries.
Alternativ zur Würfel- oder vielmehr Elementarzellen-Darstellung für Einzelorientierungsmessungen wäre – wie weiter oben schon erwähnt – die Verwendung eines Polyeders denkbar, der einer allgemeinen Form {hkl} entspricht. Das wäre zwar eine eindeutige Variante, da sie für jede Punktgruppe völlig unterschiedliche Polyeder zeigen würde, allerdings wäre deren Verwendung wegen der hohen Flächenzahl insbesondere für Ungeübte sehr verwirrend. Gerade bei komplizierten Vielflächnern würden sich unterschiedliche Orientierungen nur schwer unterscheiden lassen. Zudem wird anhand der allgemeinen Form nie sofort die Ausrichtung der kristallographischen Basisvektoren erkennbar.As an alternative to the cubic or rather elementary cell representation for single orientation measurements, as already mentioned above, the use of a polyhedron corresponding to a general shape {hkl} would be conceivable. Although this would be a unique variant, as it would show completely different polyhedra for each point group, but their use would be very confusing because of the large number of sites, especially for the inexperienced. Especially with complex polyhedra, different orientations would be difficult to distinguish. In addition, the orientation of the crystallographic basis vectors will never be immediately apparent from the general form.
Die Symmetriegerüste bauen sich aus Rotationsachsen (zweizählig: dreizählig: vierzählig: 4 ≡ ♦ und sechszählig: hier nicht vorhanden, und Drehinversionsachsen (dreizählig:
Die räumliche Ausrichtung der zugehörigen Symmetrieelemente wird durch die Festlegung der Farbverläufe auf den Würfelfächen (Polyederflächen) widergegeben. Die verwendeten Farben entsprechen der Farbcodierung der Richtung des jeweiligen Symmetrieelements bzw. der Richtung der Normalen der Spiegelebene. Wenn die Symmetrieelemente durch eine der Grundfarben beschrieben werden, definieren diese die Fundamentalzone. Abweichende Farben bedeuten, dass das jeweilige Symmetrieelement zwischen diesen Eckpunkten auf dem Rand der Fundamentalzone liegt. Sie können daher in dem exemplarischen Beispiel nur entweder gelb, türkis oder violett sein. Treten Farbsprünge an den Ecken oder Kanten auf, dann wird dem Symmetrieelement eine der Farben zugewiesen, derart, dass die Farbe des Symmetrieelements der Punktsymmetrie gerecht wird.The spatial orientation of the associated symmetry elements is reflected by the definition of the color gradients on the cube surfaces (polyhedron surfaces). The colors used correspond to the color coding of the direction of the respective symmetry element or the direction of the normal of the mirror plane. When the symmetry elements are described by one of the primary colors, they define the fundamental zone. Different colors mean that the respective symmetry element lies between these corner points on the edge of the fundamental zone. Therefore, in the example, they can only be either yellow, turquoise, or purple. If color jumps occur at the corners or edges, then one of the colors is assigned to the symmetry element, such that the color of the symmetry element does justice to the point symmetry.
Die ergänzende Darstellung der Symmetrieelemente zu den Würfeln mit Polyederflächen, die farbkodierten Muster (Farbverteilungen) aufweisen, ist jedoch nur optional. Die Farbverteilungen auf Würfel-, Polyeder- oder Elementarzellenflächen ist ausreichend, unterschiedliche Symmetrien trotz gleicher Metrik voneinander abzugrenzen, da die Gesamtheit aller Netzebenen z. B. durch einen RGB-Farbcode (RGB-Farbschlüssel) oder CMYK-Farbcode (Cyan Magenta Yellow Black) beschrieben werden kann. Die jeweilige Symmetrie erzeugt dann eine Verteilung der Farben, die – wie die allgemeine Flächenform – eindeutig für jede Symmetrie ist. Mit anderen Worten: Die Ausrichtung aller Symmetrieelemente einer Kristallklasse wird durch entsprechende Symmetrien der Muster der Polyederflächen repräsentiert.However, the complementary representation of the symmetry elements to the cubes with polyhedral surfaces having color-coded patterns (color distributions) is only optional. The color distribution on cube, polyhedron or elementary cell surfaces is sufficient, different symmetries despite the same metric delimit each other, since the totality of all network levels z. B. by an RGB color code (RGB color key) or CMYK color code (cyan magenta yellow black) can be described. The respective symmetry then produces a distribution of the colors, which - like the general surface form - is unique for each symmetry. In other words, the alignment of all symmetry elements of a crystal class is represented by corresponding symmetries of the patterns of the polyhedral surfaces.
In den Darstellungen der
In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird für die mathematische Darstellung der Farbe einer Kristallrichtung R → oder eines reziproken Vektors H → in einem ersten Schritt eine Transformation der Vektoren in ein kartesisches Bezugssystem
Dabei werden mit a, b und c die Längen der Kristallachsen (Basisvektoren)
Dann werden die Eckpunkte des Farbschlüssels, z. B. (h, k, l)1 ∥ G, (h, k, l)2 ∥ B, (h, k, l)3 ∥ R analog zu Gleichung (1) als kartesische Koordinaten umgerechnet und normiert, d. h. (h, k, l)1 → [x, y, z]1.Then the vertices of the color key, z. B. (h, k, l) 1 ∥ G, (h, k, l) 2 ∥ B, (h, k, l) 3 ∥ R analogous to equation (1) as Cartesian coordinates converted and normalized, ie (h , k, l) 1 → [x, y, z] 1 .
Daraus lässt sich eine Transformationsmatrix T erstellen: die direkt für die Berechnung des RGB-Farbwertes eingesetzt werden kann: wobei
Alternativ dazu können anderer Farbschlüssel verwendet werden, die meist jedoch komplizierter sind, dafür aber eine etwas homogenere Farbempfindlichkeit aufweisen können, wodurch die visuelle Erkennbarkeit weiter verbessert werden kann.Alternatively, other color keys can be used, which are usually more complicated, but can have a somewhat more homogeneous color sensitivity, which can further improve visual recognition.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird zur Festlegen eines richtungsabhängigen Farbschlüssels zur Erzeugung farbkodierter, asymmetrischen Muster anstelle der Farben Rot, Grün und Blau (additiv), die Farben Gelb, Cyan und Magenta verwendet (subtraktiv).In further embodiments, to set a directional color key to produce color-coded asymmetric patterns instead of the colors red, green and blue (additive), the colors yellow, cyan and magenta are used (subtractive).
In noch weiteren Ausführungsbeispielen wird zur Erzeugung farbkodierter asymmetrischen Muster ein Zwei- oder Vierfarben-Farbschlüssel (CMYK) unter Verwendung der jeweiligen Kristallmatrix A genutzt.In yet further embodiments, a two- or four-color color key (CMYK) using the respective crystal matrix A is used to produce color-coded asymmetrical patterns.
Aufgrund der Verwendung der jeweiligen Kristallmatrix A ergibt sich, dass der Farbwert für einen Vektor X → – abgeleitet aus einem Gittervektor (h k l) oder einem reziproken Gittervektor [u v w] – nicht nur von (h k l) respektive [u v w] und der Punktgruppensymmetrie abhängt, sondern auch eine Funktion der Gitterkonstanten ist. Nur für den oft untersuchten kubischen Fall, oder die {0 0 1}-Zone von tetragonalen, hexagonalen und trigonalen Kristallen und die {1 1 1}-Zone rhomboedrischer Kristalle sind die Gitterkonstanten unerheblich. Für den identischen Vektor X → und einer definierten Punktgruppe ist der Farbwert allerdings stets konstant. Der erwähnte Einfluss von {hkl} wird über die Kristallmatrix kompensiert und wird hier nur erwähnt, um darzustellen, dass im Gegensatz zu X → die gleichindizierte Gittervektoren verschiedener Phasen durch unterschiedliche Farben repräsentiert werden. Due to the use of the respective crystal matrix A, it follows that the color value for a vector X → derived from a grating vector (hkl) or a reciprocal grating vector [uvw] depends not only on (hkl), respectively [uvw] and the point group symmetry, but is also a function of the lattice constants. Only for the often studied cubic case, or the {0 0 1} zone of tetragonal, hexagonal, and trigonal crystals, and the {1 1 1} zone of rhombohedral crystals are the lattice constants irrelevant. For the identical vector X → and a defined point group, however, the color value is always constant. The mentioned influence of {hkl} is compensated by the crystal matrix and is only mentioned here to illustrate that, unlike X →, the identically indexed lattice vectors of different phases are represented by different colors.
Wie aus
Die Größe (Flächenhäufigkeit), Form und Ausrichtung des Raum- bzw. Flächensegment (Fundamentalzone) ist meist eindeutig durch die Symmetrieelementausrichtung definiert. Sie legt ein Raumsegment fest, welches in vielen Fällen durch Symmetrieelemente an Ecken und/oder Kanten begrenzt wird und kein weiteres Symmetrieelement im Inneren enthalten kann. Der Farbverlaufcharakter kann über die Zuordnung welche Ecke mit welcher Farbe belegt wird, zusätzlich eingestellt werden. Häufig wird bei den höhersymmetrischen Punktgruppen (also außer triklin und monoklin) Rot für die [001] festgelegt. In Abhängigkeit vom zu beschreibenden Vektor ist so jede Mischfarbe exakt definiert. Farbschlüssel, die nicht aus drei Eckvektoren bestehen – z. B. zwei oder vier – sind entsprechend zu verzerren.The size (area frequency), shape and orientation of the space or area segment (fundamental zone) is usually clearly defined by the Symmetrieelementausrichtung. It defines a space segment, which in many cases is bounded by symmetry elements at corners and / or edges and can not contain any further symmetry element in the interior. The color gradient character can be additionally set by assigning which corner to which color. Often, the higher symmetric point groups (ie, except triclinic and monoclinic) define red for the [001]. Depending on the vector to be described, each mixed color is exactly defined. Color keys that do not consist of three corner vectors - eg. B. two or four - are to be distorted accordingly.
Möglich ist auch die Verwendung von s/w-Mustern auf den Polyederflächen anstelle der Farbverteilungen. Dadurch können Symmetriebetrachtungen auch für Farbenfehlsichtige ermöglicht bzw. vereinfacht werden. Die ist exemplarisch in
Mit gleichmäßigen, in sich symmetrischen Farbmustern auf den Polyederflächen oder Grauwertmustern kann maximal die Symmetrie der Punktgruppe verdeutlicht werden. Die Verwendung von farbkodierten, asymmetrischen Mustern für die Fundamentalzone ermöglicht hingegen auch die allgemeine Beschreibung der Richtung eines Vektors und der Anisotropie.With uniform, symmetrical color patterns on the polyhedron surfaces or gray scale patterns, the maximum symmetry of the point group can be clarified. By contrast, the use of color-coded, asymmetric patterns for the fundamental zone also allows the general description of the direction of a vector and the anisotropy.
Der Vergleich der
Für die Punktgruppe 432 sind bei ausgewähltem Farbschlüssel die in den
Der Unterschied der Farbverläufe der beiden Würfel
Das hexagonale Kristallsystem präsentiert die einzigen Punktgruppen, die sich nicht mit Hilfe eines (vollständigen) Würfels darstellen lassen, da es im Würfel keine sechszähligen Dreh- oder Drehinversionsachsen gibt. Dadurch resultieren auch zusätzliche Richtungen für zweizählige Achsen und Spiegelebenen, die im kubischen System nicht existieren. Auch die senkrecht zur Würfeldiagonalen angeordnete Spiegelebene ist charakteristisch für die hexagonale Symmetrie und tritt beim Würfel selbst nicht auf. Die Beschreibung der hexagonalen Punktsymmetriegruppen kann jedoch mittels hexagonaler Bipyramiden
Außerdem ist in
EBSD-Orientierungskarten können bspw. zur Visualisierung von EBSD-Daten eingesetzt werden. Da dabei nicht der Kristall bezüglich des Probenkoordinatensystems, sondern – ungekehrt (invers) – eine Probenachse bezüglich des Kristallkoordinatensystems beschrieben wird, werden die Orientierungskarten auch als ”inverse Polfigur”-Map (IPF-Map) bezeichnet. Dabei wird je Orientierungsmessung nur eine Referenzrichtung der Probe in Kristallkoordinaten umgerechnet, um deren kristallographischen (anisotropen) Charakter auszudrücken.EBSD orientation maps can, for example, be used to visualize EBSD data. Since not the crystal with respect to the sample coordinate system, but - inverse (inverse) - a sample axis is described with respect to the crystal coordinate system, the orientation maps are also referred to as "inverse pole figure" map (IPF map). For each orientation measurement, only one reference direction of the sample is converted into crystal coordinates in order to express its crystallographic (anisotropic) character.
Im Gegensatz zum hexagonalen System lassen sich die trigonalen Punktgruppen wieder problemlos von der kubischen Punktgruppe
In
In
Für ein orthogonales Kristallsystem wie das tetragonale bzw. das orthorhombische ist aus Symmetriegründen unmittelbar einleuchtend, dass die zugehörigen Punktgruppen sehr gut durch Würfel mit entsprechend gemusterten Polyederflächen repräsentiert werden können. For reasons of symmetry, an orthogonal crystal system such as the tetragonal or the orthorhombic is immediately obvious that the corresponding point groups can be represented very well by cubes with correspondingly patterned polyhedral surfaces.
In
Das monokline Kristallsystem ist das erste hier betrachtete, welches zumindest einen Winkel zwischen den Basisvektoren völlig freistellt, d. h. er muss weder 90° – wie in allen orthogonalen Kristallsystemen – noch 120° – wie im trigonalen oder hexagonalen Kristallsystem – betragen. Wie
Beim triklinen Kristallsystem ist die Symmetriereduktion im Vergleich zur kubischen Punktgruppe
In
Den mit Bezug zu den
Die Verwendung der Farbmuster bzw. Farbverläufe auf den Polyederflächen hat nicht nur den Vorteil, dass damit anhand des einfachen Hexaders und der hexagonalen Bipyramide sämtliche Symmetrien verdeutlicht werden können, was extreme Vorzüge in der kristallographischen Ausbildung bietet. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Art und Weise, wie Orientierungen mittels EBSD interpretiert bzw. präsentiert werden. Zusätzlich lässt sich die Bedeutung des bei EBSD als Standard verwendeten Farbschlüssels im gesamten Raum besser begreifen. Für die hochsymmetrischen Punktgruppen noch relativ einfach zu interpretieren, fällt die Vorstellung einer Ausrichtung eines Vektors im Raum durch die Beschreibung einer Farbe zunehmend schwerer, wenn die Symmetrie geringer wird, oder sogar Unstetigkeiten im Farbverlauf auftreten, die momentan den meisten Anwendern gar nicht bewusst sind und daher oft zu Fehlinterpretationen ihrer Messungen führen oder als Messfehler verworfen werden.The use of the color patterns or color gradients on the polyhedron surfaces not only has the advantage that it can be clarified with the help of the simple hexaders and the hexagonal bipyramid all symmetries, which offers extreme advantages in the crystallographic training. Another advantage derives from the way in which orientations are interpreted or presented using EBSD. In addition, the importance of the color key used as standard in EBSD can be better understood throughout the room. Still relatively simple to interpret for the highly symmetric point groups, the notion of aligning a vector in space by describing a color becomes increasingly difficult as the symmetry becomes smaller, or even discontinuities in the color transition that are currently unaware to most users and Therefore often lead to misinterpretation of their measurements or discarded as a measurement error.
Dies liegt daran, dass es für ein und dieselbe Farbe eines Messpunktes mehrere Richtungen im Raum gibt, die aus Sicht einer Eigenschaft völlig symmetrieäquivalent sind. Da z. B. bei einem Würfel jede Kante äquivalent zur anderen ist, kann auch jede dieser Kanten als Basisvektor verwendet werden (solange das Ergebnis hinsichtlich der Symmetrie der Farbverläufe zum gleichen Ergebnis führt). So gibt es unter Beibehaltung eines rechtshändigen Koordinatensystems für die höchste Symmetrie
Die Farbverteilung in den Orientierungskarten enthält wichtige Informationen für die Interpretation von EBSD-Messungen. So zeigt die identische Farbe an unterschiedlichen Punkten gleichzeitig alle Orte an, die für die dargestellte Richtung (für die die Farbe angezeigt wird) durch identische Eigenschaften gekennzeichnet sind. Nun charakterisiert eine Richtung nicht die Orientierung eines Kristalls. Will man diese sehen, generiert man einfach Orientierungskarten für mehrere, meist senkrecht aufeinander stehende Referenzrichtungen und lässt sich deren kristallographische Richtungen farblich anzeigen. Auch dabei können die punktgruppenspezifischen Polyeder helfen, denn an diesen lässt sich eine Richtung virtuell definieren und so orientieren, dass die Farben denen in der Orientierungskarte gleichen. Die so erzeugte Ausrichtung des jeweiligen Polyeders entspricht für die meisten Kristallbeschreibungen der Orientierung des Kristalls. Dies wird in
Probenachsen sein können, zeigt. Am die Punktgruppe
Besondere Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen punktgruppenspezifischen Polyeder liegen im Bereich der Materialforschung und der Werkstoffwissenschaften, neben EBSD-Messungen beispielsweise in der Röntgenstrukturanalyse und der Texturforschung, allgemein in den Bereichen der Qualitätskontrolle und Grundlagenforschung.Particular applications of the described point group-specific polyhedra are in the field of materials science and materials science, in addition to EBSD measurements, for example in X-ray structure analysis and texture research, generally in the fields of quality control and basic research.
Durch die verbesserte Darstellung des Zusammenhangs zwischen den Kristallklassen und Symmetriereduktion eignen sich die punktguppenspezifischen Polyeder
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht ein Lehrmittelsatz aus 32 punktguppenspezifischen Polyedern, d. h. eines für jede der 32 Kristallklassen, wobei die Flächen der Polyeder Muster, typischerweise Farbmuster bzw. Farbverläufe, aufweisen, die zumindest in einem Teilbereich (Fundamentalzone) asymmetrisch sind. Typischerweise weisen die Polyederflächen der Polyeder ein spezielles Flächenmuster auf, das alle kristallographisch äquivalenten Ausrichtungen durch dieselbe, eindeutige Farbe entsprechend einer richtungsabhängigen Farbkodierung beschreibt, und die Ausrichtung aller Symmetrieelemente der jeweiligen Kristallklasse durch entsprechende Symmetrien des speziellen Flächenmusters verdeutlicht. Ein derartiger Lehrmittelsatz kommt mit Würfeln und Bipyramiden aus, die sich kostengünstig herstellen lassen, wie im Folgenden erläutert wird.According to one embodiment, a teaching set consists of 32 point-group specific polyhedra, i. H. one for each of the 32 crystal classes, wherein the surfaces of the polyhedra have patterns, typically color patterns or color gradients, which are asymmetric at least in a partial area (fundamental zone). Typically, the polyhedron surfaces of the polyhedra have a special surface pattern that describes all crystallographically equivalent orientations by the same unique color according to directional color coding, and illustrates the alignment of all the symmetry elements of the particular crystal class by corresponding symmetries of the particular surface pattern. Such a teaching set comes with cubes and bipyramids, which can be produced inexpensively, as explained below.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines Polyeders die Auswahl einer Kristallklasse und das Erzeugen von zumindest in einem Teilbereich asymmetrischen Mustern für die Polyederflächen eines regelmäßigen Hexaeders oder einer hexagonalen Bipyramide, derart, dass die Ausrichtung aller Symmetrieelemente der jeweiligen Kristallklasse durch entsprechende Symmetrien der Muster repräsentiert wird. Das Erzeugen kann das Anwenden der Symmetrieelemente der Kristallklasse auf die asymmetrischen Muster (Fundamentalzone) umfassen. Dadurch, dass lediglich einfache Körper wie das regelmäßige Hexaeders (Würfel) oder einer hexagonalen Bipyramide mit nur zwölf Polyederflächen verwendet werden, kann auf eine einfache und/oder kostengünstige Weise ein realer oder virtueller Satz von 32 punktgruppenspezifischen Polyedern bereitgestellt werden.According to one embodiment, a method for generating a polyhedron comprises selecting a crystal class and generating asymmetric patterns, at least in part, for the polyhedron faces of a regular hexahedron or a hexagonal bipyramid, such that the alignment of all the symmetry elements of the respective crystal class by corresponding symmetries of the patterns is represented. The generating may include applying the crystal class symmetry elements to the asymmetric patterns (fundamental zone). By using only simple bodies such as the regular hexahedron (cube) or a hexagonal bipyramid with only twelve polyhedron faces, a real or virtual set of 32 point group specific polyhedra can be provided in a simple and / or cost effective manner.
Das Erzeugen der Muster auf den Polyederflächen kann durch Aufdrucken oder durch Laminieren auf den Polyederflächen Würfel- bzw. bipyramidaler Körper bzw. Hohlkörper z. B. aus Holz, Glas, Metall oder einem Kunststoff erfolgen. Dadurch können die punktgruppenspezifischen Polyeder bereits sehr kostengünstig hergestellt werden.The production of the patterns on the polyhedral surfaces can be achieved by printing or by laminating on the polyhedron surfaces cubic or bipyramidal body or hollow body z. B. made of wood, glass, metal or plastic. As a result, the point-group-specific polyhedra can already be produced very inexpensively.
Das Erzeugen der Muster auf den Polyederflächen kann auch durch Aufdrucken auf Schnittbögen für Würfel und Bipyramiden erfolgen, die zu Polyedern gefaltet und z. B. an Rändern verklebt werden. Dadurch können die punktgruppenspezifischen Polyeder außerordentlich kostengünstig hergestellt werden und so bspw. Studenten als Satz von 32 bedruckten Schnittmusterbögen zur Verfügung gestellt werden.The patterning on the polyhedral surfaces can also be done by printing on cut sheets for cubes and bipyramids, which are folded into polyhedra and z. B. glued to edges. As a result, the point group specific polyhedra can be made extremely inexpensive and so, for example, students are provided as a set of 32 printed pattern sheets.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die punktgruppenspezifischen Polyeder in einem 3D-Drucker erzeugt.In another embodiment, the point group specific polyhedra are generated in a 3D printer.
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