材料分析方法 绪论
材料测试分析技术(绪论+XRD)-05
物相定性分析：确定物质（材料）由哪些相组成 物相定量分析：确定各组成相的含量
（一）、物相定性分析 物相定性分析的基本原理
（1）任何一种物相都有其特征的衍射谱，任何 两种物相的衍射谱不可能完全相同；多相样品的 衍射峰是各物相的机械叠加。 （2）制备各种标准单相物质的衍射花样并使之 规范化（PDF卡片），将待分析物质(样品)的衍
标法。
内标法基本公式：
Ij Is C j
内标法定量分析的具体做法
（1）制作定标曲线： 配臵一系列标准样品，其中包含已知量的待测相 j和恒定质量百分比的标准物质s
用衍射仪测量对应衍射线的强度比，做出Ij/Is
与ωj的关系曲线（定标曲线）
（2）再根据定标曲线对第j相的含量进行测定：
2、X射线衍射仪法
X射线衍射仪是广泛使用的X射线衍射装臵。
近年由于衍射仪与电子计算机的结合，使从操作、 测量到数据处理已大体上实现了自动化。这使衍 射仪在各主要领域中逐渐取代了照相法。
衍射仪测量具有方便、快速、准确等优点。
Rigaku D/max-RB型 X射线衍射仪
Rigaku D/max-2500/PC型 X射线衍射仪，
尽量避免择优取向
② d 值的测量： 2θ→d（分析软件之间转换） ③ 相对强度的测量 各衍射线的峰高比——最强线为100 ④ 查阅索引 ⑤ 核对卡片
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
现代仪器分析及材料研究方法(绪论)教材
（1）分类
• 按性能：
结构复合材料
功能复合材料
• 按增强剂形状及增强机理： 粒子增强
纤维增强
• 按复合方式
基体 Matrix
增强体 Reinforcement
金属
金属、无机非金
无机非金属
金属、无机非金属
高分子（塑料，橡胶） 金属、无机非金、高分子
（2）基本性质
a. 抗疲劳性能良好； b. 结构件减震性好； c. 比强度和比量高； d. 耐烧能性和耐高温性能好 e. 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能
常用的稀有金属材料有：Al、Cu 、Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni……
（3）基本特性 （Principal Properties）
a. 金属键，常规法生产的为晶体结构； b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性，抗氧化性。
原料（Raw Materials）与材料
由原料到材料 ※原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化 学变化。 ※材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转 变过程不发生化学变化。
材料与物质(Materials and Matter)
※ 材料可由一种或多种物质组成。 ※ 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异 、类型不同的材料。
材料现代分析测试方法
材料现代分析方法深圳大学材料学院主讲:李均钦材料现代分析方法主要参考书:1. 周玉主编，材料分析方法，哈工大出版社2007年版。2. 黄新民、解挺编，材料分析测试方法，国防工业出版社2006年版。3. 王富耻主编材料现代分析测试方法，北京理工大学出版社2006年版。4. 梁敬魁编，粉末衍射法测定晶体结构，科学出版社2003年版。绪论能源人类文明的三大支柱｛｛信息材料结构材料功能材料材料：用以制造有用构件、器件或其它物品的物质结构材料: 耐高温、耐高压、高强度材料等功能材料: 磁性材料、半导体材料、超导体材料化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态为了了解所获材料的化学组成、物相组成、结构、组织形态及各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。绪论材料现代分析测试方法的含义：广义：技术路线、实验技术、数据分析狭义：测试组成和结构的仪器方法如：X射线衍射分析电子显微分析表面分析热分析光谱分析（光谱和色谱－高分子方向单独开）绪论化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态本课程主要介绍研究材料化学组成、物相组成、结构、组织形态的现代分析方法。本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。它所获取的所有信息都基于材料的结构。绪论本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。它所获取的所有信息都基于材料的结构。绪论本课程的内容主要有：2、透射电子显微镜（TEM）（transition electron microscope）电子束透过薄膜样品，用于观察样品的形态，通过电子衍射测定材料的结构，从而确定材料的物相。分辨率：0.34nm● 加速电压：75kV－200kV；放大倍数：25万倍● 能谱仪：EDAX －9100；扫描附件：S7010 透射电镜绪论本课程的内容主要有：3）扫描电子显微镜（SEM）电子束在样品表面扫描，用于观察样品的形貌（具有立体感）；通过电子束激发样品的特征X射线获取样品的成分信息。扫描电镜绪论本课程的内容主要有：4、X射线光电子技术（XPS）与俄歇能谱电子束X射线在样品表面扫描，用于观察样品的形貌nm量级；通过激发样品的俄歇能谱或光电子获得样品的成分、键态。俄歇谱仪绪论钙、锶、钡水合草酸盐TG 失水本课程的内容主要有：5、热分析（DTA DSC TG）无水草酸盐分解热分析法的技术基础在于物质碳酸钙分解在加热或冷却的过程中，随着其物碳酸锶分解理状态或化学状态的变化碳酸钡分解高温热分析仪绪论本课程的内容主要有：6、其它分析方法1扫描隧道显微镜2原子力显微镜第一章X射线衍射分析原理§1.1概述一.X射线的发现VH 亚铂
材料现代分析方法绪论
主要的物相分析的手段有三种：x射线衍射 (XRD)、电子衍射(ED)及中子衍射(ND)。
XRD
t-ZrO2 ZrSiO4
Intensity
理学D/max 2000自动X射线仪
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Two Theta (degree)
基于其它物理性质或电化学性质与材料的 特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电 化学分析及热分析等方法也是材料现代分 析的重要方法。但相对而言，上述四大类 方法在材料研究中应用得更加频繁，因此 本教材侧重介绍这四类常见的分析方法。
3. 材料分析的理论依据
尽管材料分析手段纷繁复杂，但它们也具有共 同之处。
晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶 体常数，和相组成。
化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学 成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种 元素的不同价键类型和化学环境。
有机物的分子结构和官能团。
四大类材料分析方法
相应地，材料分析方法分可以分为为形貌 分析、物相分析、成分与价键分析与分子 结构分析四大类方法。
我们的目的
❖（1）正确选择材料分析、测试方法；
❖（2）看懂或分析一般的测试结果（图谱、图像等）；
材料科学分析技术(材料科学研究与测试方法-绪论)
• 分析方法(FTIR,NMR,TEM…)
结构共性知识 性能共性理论 测试分析共性方法 材料研究方法 材料物理性能
材料科学基础
材料力学性能
2
专业基础平台课程的建立
现代计算机技术
• 有限元 • 人工神经网络 • 计算相图 • 晶体结构精饰
材料研究计算机应用 材料研究方法 材料物理性能
材料科学基础
材料力学性能
（3）可见光波，波长400-760nm，
14
a
f1 f2
衍射现象
（1） 中央亮纹两边对 称分布明暗相间条纹； （3）离中央亮纹愈远的亮 纹，亮度愈低;
（2）中央亮纹的宽度大致 (4)缝宽，亮纹膨胀(变宽); 是两侧亮纹宽度的两倍； 缝宽，亮纹收缩。
15
电磁辐射或运动电子束、中子束等与材料相互 作用产生相干散射（弹性散射），相干散射相 互干涉的结果---衍射，是材料衍射分析方法的 技术基础。 X-射线衍射分析、电子衍射分析分析、中子衍 射分析
m=a3+b4(连续的部分）
m=k3Z3
a、b为常数，与吸收物质有关。
32
m Z
C
3
X射线的物理基础
hC WK h K K WK
33
物质吸收限K应满足K< K< K
34
1895年，著名德国物理学家伦琴发现了X射 线；
材料研究方法 第1章 绪论
同时把信息技术、生物技术和新型材料作为
新技术革命的重要标志。
材料科学的任务
使用、研究和制造材料
材料是人类文明的物质基础，每一种新 材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学 技术的发展，标志着人类文明的进步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料等。 按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材 料、生物医用材料等。
一、材料结构层次
按设备的分辨率划分 宏观结构 显微结构 亚微观结构 微观结构
以人眼的分辨率为界 以光学显微镜的分辨率为界
以扫描电子显微镜的分辨率为界
材料结构层次划分及所用设备
结构层次 宏观结构 显微结构 亚微观结构 物体尺寸 > 100 m 0.2-100 m 10-200 nm 研究对象 观测设备
课程要求
掌握基本原理
了解常用的实验方法，能设计具体课题的 检测方案，并制备样品
能分析各种照片和图谱，看懂文献中的相 关内容
主要参考书
本课程以王培铭等主编的《材料研究方法》为基 本教材，其它可参考下列教材：
汪相，《晶体光学》，2003，南京大学出版社 周玉，《材料分析测试技术》，1998，哈尔滨工 业大学
材料分析方法
案例研究
SEM检测金属表面的缺陷
使用扫描电子显微镜检测金属 表面的缺陷，并确定缺陷的类 型和原因。
X射线衍射分析无机化合 物
使用X射线衍射确定无机化合 物的晶体结构和相对位置。
通过激光粒度分析检测 材料的粒度分布
使用激光粒度分析器检测材料 的粒度分布，以确定其最优应 用范围。
应用领域
1
建筑
使用光谱分析来确定建筑材料的化学
医学
2源自文库
组成。
使用电子显微镜检测细胞病变和诊断
肿瘤。
3
能源
通过热分析评估材料在高温和高压下 的稳定性，从而确定其在能源领域的 应用。
总结和展望
结论
材料分析是对材料进行深入研究和探索的重要 工具和方法。
常用的材料分析方法
光谱分析
通过测量材料与外界电磁波的相互作用来确 定材料的成分，包括红外和紫外-可见光谱。
X射线衍射
测量材料对X射线的反射和散射，从而确定 其晶体结构和晶格参数。
电子显微镜
通过将电子束聚焦在材料上并测量反射、透 射和散射来获得高分辨率的图像，包括扫描 电子显微镜和透射电子显微镜。
热分析
材料分析方法
材料分析是对材料进行分析和评估的过程。这些分析可以帮助我们了解材料 的结构、化学成分和性质。在本次演讲中，我们将介绍常用的材料分析方法。
“材料分析技术”绪论课教学实践改革
绪论课 在整个课 程教学中有着举足轻重 的地位 ， 绪论 课讲
授的成 败直接 关 系到学生 对本 门课 是否产生学 习兴 趣 和强烈
Βιβλιοθήκη Baidu
的求知欲 。 作为材料学 科 的核心专业课 程 ， 如果 仅从测 试角度
考虑 ，“ 材料分析技术 ” 课程 具有技术性 ， 但要从材料分析 以及 测试原理 考虑 ， 其又具有很深 的学术性 ， 因此 ， 该课 程同时具有
技术性和学术性的特点 。 Ⅲ 同时该课程 术语 概念多， 相关 知识面
且前后章节相互 独立， 缺少严谨 的系统性 。 学生在学习的过 程中， 不容易抓住重点 ， 学习难 度较大 。 良好 的开端是成 功的一
含量招标８ ０ 倍， 引起河鱼死亡， 技术人 员是如何测定河水中的重 金属离子成分及其含量的？ 某企业订购一批不锈钢材料， 使用不 久发 生断裂， 为查明事故原因， 客户要求分析其 断口的微 观组织 形 貌， 同时无损分析其成分， 采用何种分析方法？钛铝 合金 经成 分 分析知其 由Ｔ ｉ 元 素与Ａｌ 元 素组成 ， 但合 金 中元素 的结合 态是
“ 材料分析技术” 课 程是 三峡大学 （ 以下简称 “ 我校 ”） 金 属材料工程专业大 三学期 开设的一 门主干学位课 程 ， 在教学 中 占有极其重 要的地位 。 本课程 的教学 目的是让 学生学习和了解 现代 材料科 学研 究领域 中常用 的材料成分分析和微 观结构分析
材料测试分析方法（究极版）
材料测试分析⽅法（究极版）
绪论
1分析测试技术？
获取物质的组成、含量、结构、形态、形貌以及变化过程的技术和⽅法。
2材料分析测试的思路
从宏观到微观形貌（借助显微放⼤技术）
从外部到内在结构（借助X射线衍射技术）
从⽚段到整体（借助红外，紫外，核磁，X射线光谱，光电⼦能谱等）
3分析测试技术的发展的三个阶段？
阶段⼀：分析化学学科的建⽴；主要以化学分析为主的阶段。
阶段⼆：分析仪器开始快速发展的阶段
阶段三：分析测试技术在快速、⾼灵敏、实时、连续、智能、信息化等⽅⾯迅速发展的阶段4现代材料分析的内容及四⼤类材料分析⽅法？
表⾯和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳⽶线、断⼝、裂纹等）、晶粒⼤⼩与形态、各种相的尺⼨与形态、含量与分布、界⾯（表⾯、相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪⽣相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物、内应⼒。
晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，和相组成。
化学成分和价键（电⼦）结构。包括宏观和微区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。
有机物的分⼦结构和官能团。
形貌分析、物相分析、成分与价键分析与分⼦结构分析四⼤类⽅法。
5化学成分分析所⽤的仪器？
化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析。
所⽤仪器包括：
光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等）
⾊谱（⽓相⾊谱、液相⾊谱、凝胶⾊谱等）。
热谱（差热分析、热重分析、⽰差扫描量热分析等）。
表⾯分析谱（X射线光电⼦能谱、俄歇电⼦能谱、电⼦探针、原⼦探针、离⼦探针、激光探针等）。
《材料分析方法》PPT课件
4〕特征能量损失电子。
利用特征能量损失电子进展元素分析的仪器叫做电子能量 损失谱仪〔EELS〕，它作为透射电子显微镜的附件出现。 和同为透射电镜附件的能谱仪〔EDS〕相比，EELS的能量 分辨率高得很多〔为0.3eV〕且特别适合轻元素的分析
3.各种成分分析手段的比较
3.1 X光谱的特点和分析手段比较 3.2电子能谱的特点和分析手段比较
AES一般用于原子序数较小〔Z<33〕的元素分析，而XPS 适用于原子序数较大的元素分析。AES的能量分辨率较 XPS低，相对灵敏度和XPS接近，分析速度较XPS快。此外 AES还可以用来进展微区分析，且由于电子束斑非常小， 具有很高的空间分辨率，可进展线扫描分析和面分布分析。 俄歇电子化学位移要比XPS的化学位移大得多，更适合于 表征化学环境的作用。
第十章 成分和价键分析概论
1. 原子中电子的分布和跃迁 2. 各种特征信号的产生机制 3. 各种成分分析手段的比较
1.原子中电子的分布和跃迁
在原子系统中，电子的能量和运动状态可以通过n，l， m，ms四个量子数来表示。
n为主量子数，具有一样n值的处于同一电子壳层，每个 电子的能量主要〔并非完全〕取决于主量子数。
3)光电子
hυ = EB+ EK 即光子的能量转化为电子的动能EK并抑制原子核对核外电子的束缚EB EB=hυ - EK
3 〕光电子
(2024年)材料化学绪论曾兆华版
2024/3/26
材料化学的研究任务
材料化学的研究任务包括探索和开发新型高性能材料，优化 现有材料的性能，揭示材料性能与微观结构之间的关系，以 及推动材料科学的理论发展等。
5
材料化学的发展历史与现状
2024/3/26
材料化学的发展历史
材料化学的发展历史可以追溯到古代，人们通过经验和试错的方式逐渐掌握了各种材料 的制备和应用。随着科学技术的不断进步，材料化学逐渐发展成为一门独立的学科。
2024/3/26
7
材料的晶体结构
晶体结构的基本概
念
晶体是由原子、离子或分子在三 维空间中周期性排列而成的固体 。晶体结构决定了材料的物理和 化学性质。
晶格与晶胞
晶格是晶体中原子、离子或分子 的排列方式，而晶胞是晶格中最 小的重复单元。晶格常数和晶胞 参数是描述晶体结构的重要参数 。
晶体缺陷
晶体中原子、离子或分子的排列 偏离理想结构的现象称为晶体缺 陷。缺陷对材料的性能有重要影 响，如导致材料强度降低、电学 性能变化等。
非晶态材料的性能
非晶态材料具有优异的力学、电学和磁学性能，如高强度、高韧性、优异的软磁性能等。此外，非晶态 材料还具有耐腐蚀、耐磨损等特性。
9
材料性能与结构的关系
要点一
结构决定性能
材料的性能与其结构密切相关。不同 的晶体结构和非晶态结构导致材料具 有不同的力学、电学、磁学等性能。
材料分析方法
材料分析方法
材料分析方法如下：
1、化学分析法：利用物质化学反应为基础的分析方法，称为化学分析法。每种物质都有其独特的化学特性，我们可以利用物质间的化学反应并将其以一种适当的方式进行表征，用以指示反应的进程，从而得到材料中某些组合成分的含量；
2、原子光谱法：原子光谱是原子吸收或发出光子的强度关于光子能量（通常以波长表示）的图谱，可以提供关于样品化学组成的相关信息。原子光谱分为三大类：原子吸收光谱、原子发射光谱和原子荧光光谱；
3、X射线能量色散谱法（EDX）：EDX常与电子显微镜配合使用，它是测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析。每种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对应，它不随入射电子的能量而变化，测量电子激发试样所产生的特征X射线波长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类。元素的含量与该元素产生的特征X射线强度成正比，据此可以测定元素的含量；
4、电子能谱分析法：电子能谱分析法是采用单色光源或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然后测量这些电子的强度与能量的分布，从而获得材料信息。电子能谱的采样深度仅为几纳米，所以它仅仅是表面成分的反应；
5、X射线衍射法（XRD）：XRD也可以辅助用来进行物相的定量
分析。它的依据是，物相的衍射线强度随着含量的增加而提高。但是并不成正比，需要加以修正，采用Jade程序就可以对物相进行定量分析；
6、质谱法（MS）：它是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱（简称质谱），利用这一性质，可以进行定性分析；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析；
材料研究与测试方法
本学期课程的主要内容：
• 光谱分析方法 –原子发射(AES) –原子吸收(AAS) –紫外-可见(UV-Vis) –红外吸收(IR) –激光拉曼(LRS) –核磁共振(NMR) –质谱(MS)
• 色谱分析方法 –气相、液相
• 课时安排：（32学时）
第一章 绪论 第二章 原子发射光谱法 第三章 原子吸收光谱法 第四章 紫外-可见吸收光谱法 第五章 红外吸收光谱法 第六章 核磁共振波谱法 第七章 质谱法 第八章 色谱分析法
三、光谱分析法的仪器构造
样品 光源
单色器
检测器
信号显示
光源
单色器
样品
检测器
信号显示
2.吸收光谱法：辐射通过物质，某些频率的辐射被组 成物质的粒子吸收
原子吸收光谱法 紫外可见吸收光谱法 红外吸收光谱法 核磁共振波谱
3.散射光谱法： 测定物质对光的散射
单色光
样品
透射光
散射光
拉曼散射： 单色光光子与分子发生非弹性碰撞作用—
—光子与分子有能量交换 (散射光与入射光频率不同，波长不同)
材料研究与测试方法
Materials Research and Test Methods
第一章 绪论 §1.1 前言
材 料 研 究 四 要 素
✓ 材料的组成 ✓ 物相结构 ✓ 材料的掺杂 ✓ 材料的化学价态 ✓ 微观形貌
材料分析方法
材料分析方法
材料分析方法是指对所研究的材料进行分析和检测的方法和技术。在材料科学领域，材料分析是非常重要的一环，它可以帮助科
研人员了解材料的组成、结构、性能等重要信息，为材料的设计、
制备和应用提供重要依据。
一、光学显微镜分析。
光学显微镜是一种常见的材料分析仪器，它可以帮助科研人员
观察材料的表面形貌、晶体结构等信息。通过光学显微镜的观察，
可以初步了解材料的组成和结构特征，为后续的分析提供基础数据。
二、扫描电子显微镜分析。
扫描电子显微镜是一种高分辨率的显微镜，可以帮助科研人员
观察材料的微观形貌和结构。通过扫描电子显微镜的分析，可以获
取材料的表面形貌、晶粒大小、晶体结构等信息，为材料的性能和
应用提供重要参考。
三、X射线衍射分析。
X射线衍射是一种常用的材料分析方法，可以帮助科研人员确定材料的晶体结构和晶体取向。通过X射线衍射的分析，可以获取材料的晶格参数、晶面取向等信息，为材料的结构分析和性能评价提供重要数据。
四、质谱分析。
质谱是一种对材料进行组成分析的重要方法，可以帮助科研人员确定材料中元素的种类和含量。通过质谱分析，可以获取材料的元素组成和同位素丰度等信息，为材料的成分分析和性能评价提供重要依据。
五、热分析。
热分析是一种通过对材料在不同温度条件下的物理和化学变化进行分析的方法，包括热重分析、差热分析等。通过热分析，可以了解材料的热稳定性、热分解过程等信息，为材料的热性能和应用提供重要参考。
总结。
材料分析方法是材料科学研究的重要内容，通过不同的分析方法可以获取材料的组成、结构、性能等重要信息，为材料的设计、制备和应用提供重要依据。在实际的材料研究工作中，科研人员可以根据具体的研究目的和材料特点选择合适的分析方法，综合运用多种分析手段，全面了解材料的特性，为材料科学研究和工程应用提供支持。
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五、显微组织结构与成分的 现代分析测试方法介绍
• 1、X射线衍射
• X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分 析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷(位错等 )、不同结构相的含量及内应力的方法。 • 是最常用的物相定性分析方法！
• 根据X射线与晶体样品产生衍射后的X射线信号的 特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数。
2021/3/7
1、材料分析方法的理论依据
• 除了个别研究手段(如扫描 探针显微镜)以外，基本上
是利用入射电磁波或物质波 (x射线、电子束、可见光等 )与材料作用，产生携带样
品信息的各种出射电磁波或 物质波(x射线、电子束、可 见光等)，探测这些出射的
信号，进行分析处理，即可
获得材料的组织、结构、成 分、价键等信息。
• 必须具备两个基础条件： • ①认识了材料的组Hale Waihona Puke Baidu结构与性能之间的关系； • ②认识了显微组织结构形成的条件与过程机理。 • 例如：在加工齿轮时，预先将钢材进行退火处理，使其硬
度降低，以满足容易车、铣等加工工艺性能要求；加工好 后再进行渗碳淬火处理，使其强度、硬度提高，以满足耐 磨损等使用性能要求。
显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)的发展过 程。
2021/3/7
• （2）物相分析
• 物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶 胞常数，确定物质的相结构。
• 原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材 料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得 材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结 构。
• 材料科学与工程对生产、使用和发展材料具有指 导意义。
2021/3/7
• 材料科学与工程的四个基本要素： • • 材料的成分和结构、 • 制造工艺、 • 性能、 • 使用性能。
2021/3/7
一、材料的组织结构与性能
• 1、组织结构与性能的关系 • 结构决定性能。 • 即材料的性能(包括力学性能与物理性能)是由其
2021/3/7
• 材料的整体的成分分析也不能满足材料研究的需要！ • 元素在钢中的分布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀
的。 • 由于微区成分的不均匀性造成了微观组织结构的不均匀性
，以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均匀性对材 料的宏观性能有重要的影响作用。
• 例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区形成硬脆的片 状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏 体。片状马氏体在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐 扩展而造成断裂。
2021/3/7
四、显微组织结构与成分的 传统分析测试方法
1、光学显微镜
• 优点： • ① 是最常用的也是最简单的观察材料显微组织的
工具。 • ② 能直观地反映材料样品的微观组织形态(如晶粒
大小，珠光体还是马氏体，焊接热影响区的组织 形态，铸造组织的晶粒形态等)。
2021/3/7
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内部的微观组织结构所决定的。不同种类材料固 然具有不同的性能，即使是同一种材料经不同工 艺处理后得到不同的组织结构时，则具有不同的 性能。 • （结构是理解和控制性能的中心环节！）
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2、微观组织结构控制
• 通过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其 形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。
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二、显微组织结构的内容
• 材料的显微组织结构所涉及的内容大致如下： • ①显微化学成分(不同相的成分，基体与析出相的成分，
偏析等)； • ②晶体结构与晶体缺陷(面心立方、体心立方、位错、层
错等)： • ③晶粒大小与形态(等轴晶、柱状晶、枝晶等)； • ④相的成分、结构、形态、含量及分布(球、片、棒、沿
入射信号
（X射线、电子、离子、可见光）
反射信息
（X射线、电子、 可见光）
样品
吸收信息
（电子）
透射信息
（X射线、电子、可见光）
样品特征物理信息示意图
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2、材料分析方法的分类
• 按用途分为三类： • 组织形貌分析； • 物相分析；
• 成分和价键分析。
• (1) 组织形貌分析： • 借助各种显微技术，认识材料的微观结构。 • 表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、电子
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• 2、化学分析
• 分析材料平均化学成分的常规方法：湿化学法和光谱 分析法等。
• 优缺点： • 采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均
成分(所含每种元素的平均含量)，并可以达到很高的精度 ，但不能给出所含元素分布情况(如偏析，同一元素在不 同相中的含量不同等)。 • 光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。
材料分析方法 绪论
绪论
一、材料的组织结构与性能 二、显微组织结构的内容 三、材料分析方法的基本原理和分类 四、显微组织结构与成分的传统分析测试方法 五、显微组织结构与成分的现代分析测试方法 六、本课程内容及要求
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• 材料科学与工程? • 是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性
能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应 用。
• 缺点： • ① 分辨率低(约200nm)和放大倍率低(约103倍)。
只能观察到100nm尺寸级别的组织结构，而对于更小 的组织形态与单元(如位错，原子排列等)则无能为力 。
• ② 只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织 结构，更不能对所观察的显微组织进行同位微区 成分分析。
• 目前,光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要!
• 主要的物相分析手段有三种：x射线衍射(XRD)、 电子衍射及中子衍射。
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• （3）成分和价键分析 • 原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息
。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间 跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。
• 按照出射信号的不同 ，成分分析手段可以 分为两类：x光谱和电 子能谱，出射信号分 别是x射线和电子。
晶界聚集或均匀分布等)； • ⑤界面(表面、相界与晶界)； • ⑥位向关系(惯习面、孪生面、新相与母相)； • ⑦夹杂物； • ⑧内应力(喷丸表面，焊缝热影响区等)。
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三、材料分析方法的理论依据和分类 • 材料分析方法？ • 是关于材料成分、结构、微观形貌与
缺陷等的现代分析、测试技术及其有 关理论基础的科学。