现代测试技术论文 -

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X-射线单晶衍射法的原理及在测试技术中的应用

-土木工程学院材料一班 080330110袁野

摘要：X-射线衍射法的原理、优点及其在现代分析测试技术中的应用和重要意义。

关键词：XRD 布拉格方程物相分析点阵常数

X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，

对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结

晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线

在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。X射线衍射

方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等

优点。

1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线

入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与

入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上

产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射

线衍射的基本原理。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：2dsinθ=nλ

式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长λ可用

已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求

出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性

分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。

X射线分析的新发展，X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成晶体研究和材料

测试的常规方法。例如在如下领域，X射线都有着及其广泛的应用。物相分析：

晶体的Ｘ射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结

构与其Ｘ射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物

质混聚在一起而产生变化，这就是Ｘ射线衍射物相分析方法的依据。制备各种标准单相物

质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存

在的量（需要做吸收校正者除外），就可对各种组分进行定量分析。

目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出

版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析.目前，物相分析存在的问题主要有：⑴ 待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强线，而是两个或两个以上相的某些次强

或三强线叠加的结果。这时若以该线作为某相的最强线将找不到任何对应的卡片。⑵ 在众多卡片中找出满足条件的卡片，十分复杂而繁锁。虽然可以利用计算机辅助检索，但

仍难以令人满意。⑶ 定量分析过程中，配制试样、绘制定标曲线或者Ｋ值测定及计算，

都是复杂而艰巨的工作。为此，有人提出了可能的解决办法，认为从相反的角度出发，

根据标准数据（PDF卡片）利用计算机对定性分析的初步结果进行多相拟合显示，绘出衍

射角与衍射强度的模拟衍射曲线。通过调整每一物相所占的比例，与衍射仪扫描所得的衍

射图谱相比较，就可以更准确地得到定性和定量分析的结果，从而免去了一些定性分析和

整个定量分析的实验和计算过程。点阵常数的精确测定：

点阵常数是晶体物质的基本结构参数，测定点阵常数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵常数的测定是通

过X射线衍射线的位置（θ ）的测定而获得的，通过测定衍射花样中每一条衍射线的位

置均可得出一个点阵常数值。

点阵常数测定中的精确度涉及两个独立的问题，即波长的精度和布拉格角的测量精度。波长的问题主要是X射线谱学家的责任，衍射工作者的任务是要在波长分布与衍射线分布

之间建立一一对应的关系。知道每根反射线的密勒指数后就可以根据不同的晶系用相应的

公式计算点阵常数。晶面间距测量的精度随θ 角的增加而增加，θ

越大得到的点阵常数值越精确，因而点阵常数测定时应选用高角度衍射线。误差一般

采用图解外推法和最小二乘法来消除，点阵常数测定的精确度极限处在1×10-5附近。

应力的测定

X射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量度。宏观应力均匀分布在物体中

较大范围内，产生的均匀应变表现为该范围内方向相同的各晶粒中同名晶面间距变化相同，导致衍射线向某方向位移，这就是X射线测量宏观应力的基础；微观应力在各晶粒间甚至

一个晶粒内各部分间彼此不同，产生的不均匀应变表现为某些区域晶面间距增加、某些区

域晶面间距减少，结果使衍射线向不同方向位移，使其衍射线漫散宽化，这是X射线测量

微观应力的基础。超微观应力在应变区内使原子偏离平衡位置，导致衍射线强度减弱，故

可以通过X射线强度的变化测定超微观应力。测定应力一般用衍射仪法。

X射线测定应力具有非破坏性，可测小范围局部应力，可测表层应力，可区别应力类型、测量时无需使材料处于无应力状态等优点，但其测量精确度受组织结构的影响较大，

X射线也难以测定动态瞬时应力。

单晶取向和多晶织构测定

单晶取向的测定就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向，但X衍射法不仅可以精确地单晶定向，同时还能得到晶体内部微观结构的

信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系。透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品；背射劳埃法就无需特别制备样品，样品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法。

多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的现象称为织构，常见的织构有丝织构和板织构两种类型。为反映织构的概貌和确定织构指数，有三种方法描述织构：极图、反极图和三维取向函数，这三种方法适用于不同的情况。对于丝织构，要知道其极图形式，只要求出求其丝轴指数即可，照相法和衍射仪法是可用的方法。板织构的极点分布比较复杂，需要两个指数来表示，且多用衍射仪进行测定。

从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现，这些高科技的技术和仪器以及电子计算机分析的综合应用，使金属 X射线学获得新的推动力。

这些新技术的结合，使加快分析速度，提高精度，并且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究成为了可能,我们有理由相信随着科学技术的不断进步，X射线衍射技术必将会在材料分析测试领域发挥其更大的作用。参考文献：

1、胡林彦、张庆军、沈毅-《射线衍射分析的实验方法及其应用》

2、田志宏、张秀华、田志广-《射线衍射技术在材料分析中的应用》

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