材料分析测试方法复习摘要

材料分析测试方法复习摘要
前言：
材料现代分析测试方法：光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分
析。

第一章：X射线的物理学基础
X射线衍射学：根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与
结构和结构变化相关的各种问题。

X射线光谱学：根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物
质发出的X射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。

产生X射线的条件：1，以某种方式得到一定量的自由电子；2，在高真空中，
在高压电场作用下迫使这些电子作定向高速运动；3，在电子运动路径上设障碍物，以急剧改变电子的运动速度。

连续X射线谱：由波长连续变化的X射线构成，和白光相似，是多种波长的
混合体。

/由于极大数量的电子衍射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得
到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。

特征X射线谱：由有一定波长的若干X射线叠加在连续X射线谱上构成，和
单色的可见光相似，具有一定波长。

/当管电压等于或高于20KV时，则连续X 射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们就是特征X射线谱。

=K（Z-??）莫塞莱定律：（物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数的关系）√??
??
式中：K和σ是常数。

该定律是X射线光谱分析的基本依据，是X射线光谱学的
重要公式。

根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是合种元素。

相干散射：由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向
上各散射波符合相干条件。

不相干散射：散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。

（X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。

）
光电效应：物质在光子作用下放出电子的物理过程。

俄歇效应：K层的一个空位被L层的两个空位所替代的现象。

X射线滤波片的选择规则：Z靶<40时，Z滤= Z靶-1；Z靶>40时，Z滤= Z靶-2。

阳极靶材料的选择规则：Z靶≤Z样-1；或Z靶>Z样。

多元元素样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。

第二章：X射线衍射原理
X射线能揭示衍射晶体的结构特征取决于：A）X射线的衍射束方向反应晶胞的形状大小；B）X射线的衍射束强度反映了晶胞中的原子位置与种类。

布拉格方程（相邻晶面间的衍射线干涉加强的条件）：2dsinθ=nλ式中,n 为整数。

物理意义：sinθ=λ/2d≤１
故有d≥λ/2即只有晶面间距大于λ/2 的晶面才能产生衍射。

当相邻两束衍射波的光程差为波长的整数倍时，干涉加强。

X射线衍射强度的影响因素：晶体结构；原子散射因子f；结构振幅；多重性因素（多重性因子P）；吸收因素；温度因素（温度因子）。

第三章：多晶体X射线衍射分析方法
X射线衍射方法按成像原理：劳厄法；周转晶体法；粉末多晶法。

按记录方法：照相法；衍射仪法。

底片的安装方法：正装法；反装法；偏装法。

德拜法的样品制备：
A) 脆性材料→用碾压或研钵研磨获取；→粉末经过筛→退火去应力处理→试
样
塑性材料（金属，合金）→用锉刀锉
出碎屑粉末。

B) 金属丝样品尽可能减少应力和避免形成织构，用腐蚀方法使之达到要求
试样尺寸?（0.4~0.8）×（5~10）圆柱样品所采用的方法：
（1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝黏结粉末。

为获得足够多粉末，可多次涂胶水和捻动黏结粉末。

（2）采用石英毛细管、玻璃毛细管来制备试样。

将
粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。

（3）用胶水将粉末调成糊状注入毛细管中，从一端挤出2mm~3mm长作为试样。

X衍射仪法样品制备：试样可以使金属、非金属的块状、片状或各种粉末。

对于块状、片状试样可以用胶黏剂将其固定在试样框架上，并保持一个平面与框架平面平行。

粉末试样用胶黏剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框架平面一致。

试样对晶粒大小（1um~5um）、试样厚度、择优取向、应力状态和试样表面平整度等都有一定要求。

第四章: X射线衍射方法的应用
X射线衍射揭示的是晶体材料的晶胞大小、类型和原子种类与原子排列的规律，所以X射线衍射方法可以用来分析研究晶体材料的结构特征，从而进行材料的物相分析、测定单晶的取向以及多晶体材料取向变化产生的织构，可以通过衍射分析来精确测定晶格常数，可以通过测定材料中原子排列及镜面间距的变化来
表征材料中应力状态。

德拜照相法的系统误差来源：相机半径误差；底片伸缩误差；试样偏心误差；
试样吸收误差。

→采用精密实验最大限度地消除误差。

为了消除试样
吸收的影响，粉末试样做成直径<?0.2mm;为了消除试样偏心误差，采用精密加
工的相机，并在低倍显微镜下精确调整位置；为了使衍射线条更加锋锐，精确控制试样粉末的粒度和处于无应力状态；为了消除相机半径不准和底片伸缩，采用偏装法安装底片；为了消除温度的影响，将实验温度控制在±0.1℃。

衍射仪精确测定点阵常数，衍射线的??角系统误差来源：未能精确调整仪器；
计数器转动与试样转动比（2:1）驱动失调；θ角0°位置误差；试样放置误差；试样表面与衍射仪轴不重合；平板试样误差，因为平面不能替代聚焦圆曲面；透射误差；入射X射线轴向发散度误差；仪器刻度误差等。

→衍射仪精确测定点阵常数，工作前必须进行仔细的测量仪调整。

可以通过在正2θ角范围内对衍射线进行顺时针及逆时针扫描测量，取平均值作为衍射线位置，减小测角仪
转动精度的影响。

相对于入射线作正2θ和负2θ方向的扫描测量，可以减小仪器的零位误差。

对仪器的角度指示可以采用标样校正。

试样制备中晶粒大小、应力状态、样品厚度、表面形状等必须满足要求。

直线外推法，柯恩法等数据处理方
法也可用来消除误差。

X射线物相定性分析原理：X射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较
晶体衍射花样来进行分析的。

对于晶体物质来说，各种物相都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X射线衍射花样也就各不相同，所以通过比较X射线衍射花样可以区分出不同的物相。

当多种物相同时衍射时，其衍射花样也是各种物相自身衍射花样的机
械叠加。

它们互不干扰，相互独立，逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出
各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。

物相定性分析方法用数字索引进行物相鉴定的步骤：
（1）根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值d1,d2和d3（并估算它们的误差）。

（2）根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属的组，在根据d2和d3找到其中的一行。

（3）比较此行中的3条线，看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。

如d和I/I1都基本一致，则可初步断定未知物质中含有
卡片所载的这种物质。

（4）根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡片。

（5）将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对比，如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。

物相定量分析方法：外标法；内标法；直接比较法。

X 射线残余应力测定原理：是根据衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表面微小区域的应力。

在整个工作范围或相当大的范围内达到平衡的残余应力，称宏观残余应力或第一类应力，对应地在工件的宏观尺寸上也存在着应变。

在一个或几个晶粒范围内平衡的残余应力，称微观应力或第二类应力。

在一个晶粒内上百个或几千个原子之间达到平衡的残余应力，称点阵静畸变应力或第三类应力。

第五章：透射电子显微镜结构
透镜分辨率：通常把两个Airy 斑中心间距等于Airy 斑半径时，物平面上相应的两个物点的间距（?r 0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率（分辨本领）???0=??????=??.????????????????（光学透镜???0≈????
）电磁透镜的像差及其对分辨率的影响
：电磁透镜和光学透镜一样，除了衍射效应对分辨率的影响外，还有像差对分辨率的影响：电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。

球差：因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折
射能力不同而产生的。

像散:是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。

色差：是由于成像电子的能量不同而变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。

景深：是指成像时，像平面不动（像聚不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。

焦长：是指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。

透射电子显微镜的结构：电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统。

光阑的位置和作用：在透射电子显微镜中有许多固定光阑和可动光阑，作用主要是挡掉发散的电子，保证电子束的相干性和照射区域。

第二聚光镜光阑作用是限制照明孔径角，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。

物镜光阑（衬度光阑）：作用是挡住散射角较大的电子，使之在像平面上形成具有一定衬度的图像，
另一个作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像。

位置：放在物镜的后焦面上。

选区光阑（场限光阑或视场光阑）：放在物镜的像平面位置（等同于放在样品上）作用是使电子束只能通过光阑限定的微区。

第六章：电子衍射
X射线衍射相同点:满足衍射
的必要和充分条
件,可借助倒易点
阵和厄瓦德图解
不同点:波长λ长,试样是大块粉末
1.要精确满足布拉格条件
2.衍射角可以很大
3.衍射强度弱,暴光时间长
电子衍射相同点:满足衍射
的必要和充分条
件,可借助倒易点
阵和厄瓦德图解
不同点:波长λ短,试样是薄片
1.倒易点变成倒易杆
2.不要精确满足布拉格条件
3.衍射角很小
4.衍射强度强,暴光时间短
电子衍射和X射线衍射相比较的不同之处：
（1）电子波的波长比X射线短的多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很小，约为10-2rad。

而X射线产生衍射时，其衍射角最大可接近π
2。

（2）在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度
方向延伸成杆状。

因此，增加了倒易阵点和埃瓦尔德球相交截的机会，结果使略微偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。

（3）因为电子波的波长短，采用埃瓦尔德球图解时，反射球的半径很大，在衍
射角θ较小的范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为
电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。

（4）原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出4个数量级），故电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样的时曝光时间仅需数秒钟。

电子衍射基本公式：R=λLg=Kg式中Lλ称为电子衍射的相机常数，而L称为相机长度。

R是正空间的矢量，而g hkl是倒易空间的矢量，因此相机常数L λ是一个协调正、倒空间的比例常数。

单晶电子衍射花样的标定：（1）查表标定法：标定步骤→①在底片上测量约化四边形的边长R1、R2、R3及夹角，计算R2/R1及R3/R1。

②用R2/R1、R3/R1 及?去查倒易点阵平面基本数据表。

若与表中相应数据吻合，则可查到倒易面面指数（或晶带轴指数）uvw，A点指数h1k1l1及B点指数h2k2l2。

③由Rd hkl=f0?M I?M p?λ=L’λ计算d Ei,并与d值表或X射线粉末衍射卡片PDF（或ASTM）上查得的d Ti对比，
以核对物相。

此时要求相对误差为??=|??????-??????|
??????
<??%~??%(2)d值比较法：标定步骤→①按约化四边形要求，在透射斑点附近选3个衍射斑点A,B,C。

测量它们的长度R i及夹角，并根据Rd hkl=f0?M I?M p?λ=L’λ（d Ei=Lλ/R i）计算d Ei。

②将d Ei与卡片上或d值表中查得的d Ti比较，如吻合记下相应的{hkl}i。

③从{hkl}1
中，任选h1k1l1作A点指数，从{hkl}2中通过试探，选择一个h2k2l2，核对夹角后，确定B点指数。

由{hkl}3按自洽要求，确定C点指数。

④确定晶带轴[uvw]。

（3）标准花样对照法：标定步骤→①将实际观察记录到的衍射花样直接与标准花样对比。

②写出斑点的指数并确定晶带轴的方向。

多晶电子衍射图的标定：d值比较法；R2比值规律对比法。

第七章：电子显微图像
明场像：以物镜光阑套住透射斑，而挡掉所有衍射斑成像。

暗场像：让光阑套住一个衍射斑，挡掉透射斑成像。

振幅衬度：明、暗场操作方式下，光阑挡掉部分电子波不能在像平面参与
成像，从而导致像平面上出现振幅差异。

这种振幅差异产生的衬度称振幅衬度。

包括：
质厚衬度：非晶样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在
的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样上表
面单位面积以下柱体中的质量），也叫质厚衬度。

衍射衬度：晶体试样在进行TEM电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍
射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，
称为衍射衬度。

相位衬度：（高分辨电子显微方法）的操作方式是让透射束和多个衍射束
共同到达像平面干涉成像，这时的衬度是由衍射波、透射波的相位差引起的。

等厚条纹（厚度（消光）条纹）：在同一亮条纹或暗条纹处，样品的局部
厚度相同。

等倾条纹：由于同一条纹表明衍射晶面的S（偏离参量）处处相等（相对于入射束倾斜程度相同），它们被称为等倾条纹（弯曲消光轮廓）。

应变场衬度：第二相粒子的存在使基体晶格发生畸变，由此引入缺陷矢
量R，使产生畸变的晶体部分和不产生畸变的部分之间出现衬度的差别，这类衬
度称为应变场衬度。

（位错线像总是出现在它的实际位置的一侧或另一侧，说明
其对衬度本质上是由位错附近的点阵畸变所产生的，叫做“应变场衬度”）透射电子显微镜样品的制备：
（1）复型样品制备：通过复型制备出来的样品是真实样品表面行貌组织结构细
节的薄膜复制品。

一级复型：在已制备好的金相样品或断口样品上滴上几滴体积
浓度为1%的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，
多余的溶液用滤纸吸掉，待溶剂蒸发后样品表面即留下一层100nm左右的塑料薄膜。

把这层塑料薄膜小心地从样品表面揭下来就是塑料一级复型样品. 碳一级复型是直接把表面清洁的金相样品放入真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。

蒸发沉积层的厚度可用放在金相样品旁边的
乳白瓷片的颜色变化来估计。

把喷有碳膜的样品用小刀划成对角线小于3mm的小方块，然后把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离。

碳膜剥离后也必须清洗，然后才能进行观察分析。

二级复型：是先制成中间复型（一次复型），然后在中间复型上进行第二次碳复型，再把中间复型溶去，最后得到的是第二次复型。

萃取复型：与碳一级复型类似，只是金相样品在腐蚀时应进行深腐蚀，
使第二相粒子容易从基体上剥离。

此外，进行喷镀碳膜时，厚度应稍厚，以便把
第二相粒子包络起来。

（2）粉末样品制备：需透射电镜分析的粉末颗粒一般都小于铜网小孔，应此要先制备对
电子束透明的支持膜。

常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把
粉末放在膜上送入电镜分析。

粉末或颗粒样品制备的关键取决于能否使其均匀分
散到支持膜上。

通常用超声波搅拌器，把要观察的粉末或颗粒样品加水或溶剂搅
拌为悬浮液。

然后，用滴管把悬浮液放一滴在黏附有支持膜的样品铜网上，静置干燥后即可供观察。

为了防止粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末上再喷一层薄碳膜，使粉末夹在两层膜中间。

(3)大块材料上制备薄膜样品大致为三个步骤：○1从大块试样上切割薄片。

○2将薄片样品进行研磨减薄。

○3将研磨减薄的样品作进一步地最终减薄。

第八章：扫描电子显微镜与电子探针显微分析
背散射电子：是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。

二次电子：是指被入射电子轰击出来的核外电子。

吸收电子：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假
定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后被样品吸收的电子。

透射电子：如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，就会有相当数量
的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。

特征X射线：是原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释
放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。

俄歇电子：若果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量?E不以X射
线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变成二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。

扫描电子显微镜的工作原理：由电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，
在加速电压作用下，经过两三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。

在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。

出于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了
各种信息：二次电子、背散
射电子、吸收电子、X射线、
俄歇电子、阴极发光和透射
电子等。

这些信号被相应的
接收器接收，经放大后送到
显像管的栅极上，调制显像
管的亮度。

由于经过扫描线
圈上的电流是与显像管相
应的亮度一一对应，也就是
说，电子束打到样品上一点
时，在显像管荧光屏上就出
现一个亮点。

扫描电镜就是
这样采用逐点成像的方法。

把样品表面不同的特征，按
顺序、按比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

放大倍数：当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度为A S，在荧光屏上阴极射线同步扫描的幅度为A C，则扫描电子显微镜的放大倍数为：M=????
????
分辨率：是扫描电子显微镜主要性能指标。

对微区成分分析而言，是指能分析的最小区域；对成像而言，是指能分辨两点之间的最小距离。

扫描电子显微镜的样品制备：
对金属和陶瓷等块状样品：切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘贴在电镜的样品座上即可直接进行观察。

为防止假象的存在，在放试样之前先将试样用丙酮或酒精等进行清洗。

必要时用超声波振荡器振荡，或进行表面抛光。

对颗粒及细丝状样品：先在一干净的金屑片上涂抹导电涂料，然后把粉末样品贴在上面，或将粉末样品混入包埋树脂等材料材料中，然后使其硬化而将样品固定。

若样品导电性差，还应加覆导电层。

对非导电性样品，如塑料、矿物质等，在观察前进行喷镀导电层处理，通常
采用二次电子发射系数较高的金、银或碳膜做导电层，膜厚20nm左右。

对断口试样要进行宏观分析，并用醋酸纤维或胶带纸干剥几次，或用丙酮、
酒精等有机剂清洗断口表面的油污及附着物。

断口太大样品，要通过宏观分析确定能够反映断口特征的部位，用线切割等方法取下后放入样品室进行观察分析。

表面形貌衬度：是由于试样表面形貌差别而形成的衬度。

原理：是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等，其强度是试
样表面倾角的函数，而试样表面微区形貌差别实际上是各微区表面相对于入射电
子束的倾角不同，因此电子束在试样上扫描时任何两点的形貌差别，表现为信号
强度的差别，从而在图像中形成显示形貌的衬度。

原子序数衬度：是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。

原理：利用对试样表面原子序数（或化学成分）变化敏感的物理信
号作为显像管的调制信号，可以得到原子序数衬度图像。

背散射电子像、吸收电子像的衬度都含有原子序数衬度，而特征 X 射线像的衬度是原子序数衬度。

(有Z1≠Z2,使得电子束扫描到1、2时产生的背散射电子数n1≠n2,由此，探测器探测到的背散射电子强度iB不同而得衬度)
波谱仪（WDS）：是利用特征X射线的波长不同来展谱，实现对不同波长X 射线分别检测的波长色散谱仪。

→波谱仪分析的元素范围广（Z≥4），探测极限小，分辨率高，适用于精确的定量分析。

其缺点是要求试样表面平整光滑，分析
速度较慢，需要用较大的束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。

能谱仪（EDS）：是利用特征X射线能量不同来展谱的能量色散谱仪。

→能
谱仪虽然在分析元素范围(Z≥11(铍窗)；Z≥6（无窗）)、探测极限，分辨率等方面不如波谱仪，但其分析速度快，可较小的束流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那么严格，因此特别适用于扫描电子显微镜配合使用。

电子探针分析有4种基本分析方法：定点定性分析；线扫描分析；面扫描分析；定点定量分析。