第1章绪论材料分析方法哈工大

01.83 65.28 32.88
能谱仪-定点分析
5
绪
二、显微组织结构的内容
2. 晶体结构与晶体缺陷
论
100nm
1m
碳纤维周围反应层----SiC微晶
透射电镜形貌及衍射（结构分析）
6
绪
二、显微组织结构的内容
论
3. 晶粒大小与形态 4. 相的成分、结构、形态、含量及分布
电子背散射衍射 --相分布及晶粒图
26
图1-1 电磁波谱
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象 X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象 X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线 X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似 X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
莫赛来定律

1
K2 (Z )
(1-6)
式中，K2和 是常数。
图1-4 特征X射线谱
33
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱
经典原子模型，原子内电子分布在一系列量子化壳层上， 最内层（K层）能量最低，外向顺序增大。令自由电子的能 量为零，则各层电子能量的表达式为
2 2 me4 En 2 2 ( Z )2 hn
31
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 为什么连续X射线谱存在短波限SWL？ 用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部 能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL，
eU = hmax = hc /SWL
t-ZrO2
Intensity
ZrSiO4
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Two Theta (degree)
图2 锆英石为主晶相的X射线谱
11
绪
四、X射线衍射与电子显微镜
论
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） 局限性： 1）不能把形貌观察与晶体结构分析同位地结合（统计信息） 2）X射线聚焦困难，分析的最小区域为毫米数量级 2. 电子显微镜（EM, Electron Microscope）
4
绪
二、显微组织结构的内容
1. 显微化学成分
3J33马氏体时效钢化学成分
合金元素 含量
Elemen t Wt% At%
论
化学分析法
(wt%) Ti 0.72 Al 0.22 Cr 0.57 Fe 余量
Ni 17.82
Co 9.26
Mo 4.85
AlK SiK MoL
00.98 36.40 62.62
材料分析方法
第3 版
主 参 主 编 编 审 哈尔滨工业大学 周 玉 漆 璿 范 雄 宋晓平 孟庆昌 饶建存 魏大庆 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
本教材主要内容
绪 论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度
第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
17
绪
论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础 本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
不能做材料内部的组织结构和微区成分分析
9
绪
2. 化学分析
论
给出平均成分，可以达到很高的精度； 实际上，材料中的成分分布存在不均匀性， 导致微观组织结构的不均匀性， 进而造成材料微观区域性能的不均匀性， 对材料的宏观性能产生影响。
不能给出所含元素的分布
10
绪
论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
1. 组织结构与性能的关系 微观组织结构
决定
论
性能
（1）不同种类的材料性质不同，
（2）同种材料经不同工艺处理后获得不同的组织，性能不同
2. 微观组织结构控制 成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素， 成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结构 进行精确表征是材料研究基本要求，也是实现性能控制前提。
22
第一篇 材料X射线衍射分析
推测出x射线的波长和晶体中的原子间距数量级相同 劳埃提出晶体可以作为X射线的天然立体衍射光栅 弗里德里克和克尼平实验 1912年劳埃设想被初步证实
CuSO4· 5H2O晶体为光栅， 获得了第一张X射线衍射图 X 射线是波长 很短的电磁波 晶体内部结构 的周期性
23
第三节 X射线与物质的相互作用
25
第一节 X射线的性质
X射线是一种波长很短的电磁波 X射线的波长范围为0.01~10nm， 用于衍射分析的X射线波长为 0.05~0.25nm X射线一种横波，由交替变化的 电场和磁场组成 X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流， E = h = hc/ (1-2) 式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
14
绪
扫描电镜-SEM
论
电子束在样品表面扫描激发出来代表样品表面特征的信号成像
SEM常用来观察样品表面形貌（断口形貌等） 分辨率：1nm， 放大倍数：2×105
15
绪
扫描电镜-SEM
论
16
绪
电子探针-EPMA
论
聚焦得很细的电子束打在样品的微观区域， 激发出样品该区域的特征X射线， 分析其X射线的波长和强度 确定样品微观区域的化学成分(定性和定量分析)。 观察微观形貌同时对该微观区域进行化学成分同位分析
30
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素 I连 = K1iZU2 式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率 (1-4)
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射 线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极 (Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时 大部分能量消耗使靶发热
2
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章 电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微分析方法
3
绪
一、材料的组织结构与性能
绪
透射电镜-TEM
论
采用透过薄膜样品的电子束成像， 显示样品内部的组织形态和结构， 微区组织和晶体结构同时鉴定。 分辨率：10-1nm，放大倍数：106
非晶
单晶
多晶 13
绪
透射电镜-TEM
论
600 500
Si
100nm
400 300
Al
200
相分析
100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
19
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现 象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成 为X射线衍射学 1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射”X射线的 概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程 1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对 应关系（莫塞来定律），这一原理应用于材料成分检测 X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结 构研究和晶体取向测定等 20
利用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨 率和高放大倍时的电子光学显微镜
1）透射电子显微镜（TEM, Transmission Electron Microscope） 2）扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope）
3）电子探针显微分析（EPMA, Electron probe Micro-Analysis12 ）
第一篇 材料X射线衍射分析
伦琴发现X射线，研究其产生、传播和穿透力 等性能， 1901年首位诺贝尔物理奖获得者 早期应用（Hale Waihona Puke Baidu现后半年） 骨折诊断和定位
零件探伤 X射线透视技术 伦琴拍摄的世界上 第一张 X射线照片
21
（伦琴夫人的手机戒指）
第一篇 材料X射线衍射分析
争议? X射线本质是电磁波? 粒子流？
SWL= K /U
式中，K =hc/e=1.24nmkV。
(1-5)
而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰撞消耗其能量，每次碰 撞
产生一个光量子，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不 同 32
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱 当 X射线管压高于靶材相应的某一特征值UK 时，在某些 特定波长位臵上， 将出现一系列强度很高、波长范围很窄的 线状光谱，称为特征谱或标识谱， 见图1-4；其波长与阳极靶材的原 子序数有确定关系，见式(1-6) ， 故可作为靶材的标志和特征，
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
24
第一章 X射线物理学基础
本章主要内容 第一节 X射线的性质
第二节 X射线的产生及X射线谱
镍基合金中第二相（GdNi5）粒子在基体中的分布
7
绪
二、显微组织结构的内容
5. 界面 6. 位向关系 7. 夹杂物 8. 内应力
论
母相
母相
透射电镜-位向分 析
新相
8
绪
三、传统分析方法的局限性
论
1. 光学显微镜 （OM）---- 表面形态观察 分辨本领低（约200nm）、放大倍率低（约1000倍）
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题 18
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
图1-2 X射线管结构示意图
28
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响
29
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存 在最小值SWL，其强度在m处有最大值 当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限 SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL 和m保持不变 随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高， 但SWL和m保持不变
X射线是电磁波，应具有衍射现象? 两种假说 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？
探讨X射线本质的研究基础 1908 年，佩兰解决了准确测定阿伏加德罗常数。 计算晶体中一个原子或分子所占空间体积及粒子间的距离。 1911 年，爱瓦尔德—可见光通过晶体的衍射行为 1911 年，劳埃—光波通过光栅的衍射理论研究
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线 图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装臵 主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成 阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏) 阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线