材料现代分析技术整理

第一部分 X 射线衍射分析（XRD ）1. K 系特征谱线特点：由L 、M 、N 等壳层的电子跃迁到K 壳层的空位时发出的X 射线，分别称为K α、K β、K γ谱线，共同组成K 线系特征谱线。

K α特征谱线最强，比相邻谱线强90倍，是最常用的谱线。

2. 特征X 射线的产生：在原子内固定壳层上的电子具有特定能量，当外加能量足够大时，可将内层电子激发出去，形成一个内层空位，外壳层的电子跃迁到内层，多余的能量以X 射线形式放出。

3. X 射线的本质为电磁波。

4. 滤光片的目的和材料：用来过滤或降低X 射线光谱中的连续X 射线和K β线的金属薄片,Kβ大部分被吸收，K α损失较小，滤波片材料的原子叙述一般比X 射线管靶材的原子序数低1。

5. CuK α的含义：以Cu 作为靶材，高速电子轰击在铜靶上，使铜K 层产生了空位，L 层电子跃迁到K 层，产生K 系特征辐射。

6. X 射线的衍射方向是根据布拉格方程理论推导出的。

7. 布拉格方程的推导：含义：线照射晶体时，只有相邻面网之间散射的X 射线光程差为波长的整数倍时，才能产生干涉加强，形成衍射线，反之不能形成衍射线。

λθn d hkl =sin 2讨论：（1） 当λ一定，d 相同的晶面，必然在θ相同的情况下才能获得反射。

（2） 当λ一定，d 减小，θ就要增大，这说明间距小的晶面，其掠过角必须是较大的，否则它们的反射线无法加强，在考察多晶体衍射时，这点由为重要。

（3） 在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：d 2≤λ，但波长过短导致衍射角过小，使衍射现象难以观测，常用X 射线的波长范围是0.25~0.05nm 。

（4） 波长一定时，只有2/λ≥d 的晶面才能发生衍射—衍射的极限条件。

8. X 射线的强度（严格定义）单位时间内通过衍射方向垂直单位面积上X 射线光量子数目。

表示方法：衍射峰高度或衍射峰积分面积。

理论计算)(2θφPF I =（P-多重性因数，F-结构因子，)(θφ-因数）。

9. 面网指数与干涉指数： λθ=sin 2HKL d 布拉格方程永远是一级反射形式。

10. 结构因子（F ）：晶胞的形状和大小的影响，只与晶胞中的原子的种类、数目和位置有关。

11. 系统消光：符合布拉格方程的晶面，由于结构因素的作用（|F|=0）而不能产生衍射现象。

衍射产生的充分必要条件为：衍射必要条件加|F|不为0。

点阵消光（位于阵点的结构基元若非由一个原子组成，则结构基元内各原子散射波间相互干涉也可能产生|F|=0的现象。

（结构消光）因结构基元内原子位置不同而进一步产生附加消光现象。

λθ=sin 2n d hkl n dd hkl HKL =12. 消光特点：简单点阵（任何符合布拉格方程的晶面都能产生衍射峰）底心点阵（只有在HK 同为奇数或同为偶数时才能发生衍射）体心点阵（只有在HKL 中有2个奇数和一个偶数或同为偶数时才能发生衍射，H+K+L 为奇数不发生衍射，为偶数发生衍射）面心点阵（只有在HKL 同为奇数或偶数时才能发生衍射）13. 物相分析：确定材料中由哪几个相租场，或是某种物质以何种结晶状态存在（物相定性分析）在此基础上确定各组成相含量（物相定性分析）。

14. 物相分析的原理：任一种结晶物质都具有一定的晶体结构，在一定波长的X 射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样，每一种晶体物质和它的衍射花样一一对应，多相式样的衍射花样只是它所含物质的衍射花样机械叠加而成，以d 和I 数据组代表衍射花样，将由式样测的的d —I 数据组与已知数据组进行对比，从而鉴定出式样中存在的物相。

15. PDF 卡片：粉末衍射卡片，又称ASTM 或JCPDS 卡片，每张卡片记录着一种结晶物质的粉末衍射数据。

16. 晶粒度的测定：谢乐方程θβλcos /)(K D hkl =，式中)(hkl D 是垂直于（hkl ）面方向的晶粒尺寸大小（ｎｍ）；λ为所用的Ｘ射线波长（ｎｍ）；θ为布拉格角；β衍射线（hkl ）宽化度（Ｒａｄ）；Ｋ为一常数，具体数值与宽化度的定义有关，若β取衍射线半宽高，则Ｋ＝０．８９，若β取衍射线的积分宽度，则Ｋ＝１。

17. 结晶度：材料中晶相所占的体积分数Xc=Wc/(Wc+Wa)（Xc 代表结晶度，Wc 代表晶相的质量分数，Wa 代表非晶相的质量分数）测定方法：通过测定晶相的衍射强度Ic 与非晶相的衍射强度。

Ｉa 实现，即：Xc=Ic/(Ic+K ·Ia)（K 为常数，可由实验测定）。

18. 非晶态物质：由少数漫散峰组成，可利用此特征来鉴别物质属于晶态还是非晶态，当非晶态物质中出现部分晶态物质时，就会在漫散峰上叠加明锐的结晶峰。

19. 点阵参数的精确测定：图解外推法：从实验数据出发，根据误差函数外推，以消除误差的办法。

最小二乘法：以准确的测量数据为基础，从实验点出发，寻求最佳直线或曲线的办法。

标准样校正法：以标准物质的点阵参数作为标准数据，对待测样品的数据进行校正。

20. 固溶体分析：固溶体衍射数值d 值随固溶体成分而改变，从而引起点阵常数的改变，反过来，通过测定固溶体的点阵常数，可分析固溶体的成分。

基本方法：制作一系列的固溶体成分与其衍射系数或点阵常数之间的关系曲线，测定待测固溶体的衍射数据或点阵常数，利用关系曲线进行透影，从而确定固溶体成分。

电子显微分析1. 背散射电子：被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，分为弹性和非弹性两种。

产生范围为1000︒A 到1um ，成像分辨率500~2000︒A ，产额：与式样的原子序数有密切关系，背反射电子的产额随原子序数的增加而增加。

应用：形貌特诊分析、显示原子序数衬度、定性成分分析。

2. 二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子。

特点：对式样表面状态非常敏感，能有效显示式样表面的微观形貌。

扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子的分辨率。

产额：随原子序数的变化不明显，主要取决于表面形貌。

3.SEM的主要性能：①放大倍数：目前商品化扫描电子显微镜的放大倍数可以从20~20万倍；②分辨率：是扫描电子显微镜主要性能指标，通过测量图像上两亮点之间的最小暗间距宽度，然后除以放大倍数，既可以得到极限分辨率，约为二次电子像分辨率约为50~100︒A，对于微区成分分析而言，分辨率指能分析的最小区域，对成像而言，指能分辨两点之间的最小距离。

这两者决定于电子束直径，电子束直径越小，分辨率越高。

③景深：景深是指透镜对高低不平的试样各部分位能同时聚焦成像的一个能力范围。

4.样品制备方法：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观察。

颗粒及细丝状样品：在金属片上涂抹一层导电材料，把粉末样品贴在上面，或将粉末样品混入包埋树脂等材料中，然后将其硬化而将样品固定。

5.二次电子像的衬度分类：形貌衬度：入射束和样品表面法线平行时，即入射与法线角度为0，二次电子的产额最少；若样品表面倾斜45°，则电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加到√2倍，入射电子使距表面5~10nm的作用体积内逸出表面的二次电子数量增多。

成分衬度：由于部分二次电子是由背散射电子激发的，而背散射电子与原子序数Z关系密切，所以产额δ随Z增加而增大，但幅度不大，对给定的入射电子束强度，二次电子信号强度随样品倾斜角度增大而增大。

6.成分衬度：被反射电子信号随原子序数Z的变化比二次电子的变化显著的多，因此图像应有较好的成分衬度，样品中原子序数较高的区域中由于收集到的背反射电子数量较多，故荧光屏上的图像较亮，因此，利用原子序数造成衬度变化可以对各种合金进行定性分析，样品中的重元素是图像上的亮区，而轻元素在图像上是暗区。

7.形貌衬度：用背反射电子信号进行形貌分析时，其分辨率比二次电子低，因为背反射电子是来自一个较大的作用体积，此外，背反射电子能量高，它们以直线轨迹逸出金属表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背反射电子而变成一片阴影，因此在图像上会显示出较强的衬度，而掩盖了许多有用的细节。

8.SEM的应用：金相组织（具有比光学显微镜放大倍数高，清楚的观察到材料的组织细节）、微观形貌、解理断口分析（解理断口、准解理断口、沿晶断口、韧性断口、疲劳断口）。

9.电子探针：电子探针是目前较为理想的一种微区化学成分分析仪器。

它是根据高能电子和固体物质相互作用的原理，利用能量足够高的一束细聚焦电子束轰击样品表面，将在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生特征X射线讯号，他们的波长将是表征该微区内所含元素及其浓度的重要信息。

根据特征X射线波长进行元素定性分析，特征X射线的强度进行元素定量分析。

电子探针所能分析的元素可从4Be到92U。

10.电子探针的分析特点：①分析所需样品数量少，传统化学方法无法比拟。

②分析不破坏样品。

③分析速度快，成本低。

④可以进行点、线、面立体分析，反应元素微观分布规律。

⑥对传统化学分析方法难以区分的∑REE和∑Pt能很好的区分。

11. 电子探针的工作方式（方法）：定点分析，线扫描分析，面扫面分析。

12. 定点分析：确定该点区域内存在的元素，包括全谱分析和半定量分析——元素特征X 射线波长或能量差异。

全谱分析：对未知成分的试样，全谱分析可以分析式样中含有哪些元素，打开驱动分光晶体的同步电机，使L 由低到高，即衍射角从小到大扫描，按各峰值的L 值，求出对应的λ值，查表可得样品中的一切元素。

半定量分析：定点分析可以进行定量、半定量分析。

对于精度要求不高的半定量分析来说，如果忽略吸收效应、原子序数效应、荧光效应对特征X 射线强度的影响因素，那么某元素的特征X 射线强度与该元素在式样上含量成正比，因此可以得到半定量结果。

13. 线扫描分析：确定某元素沿选定直线的分布——元素特征X 射线强度的差异。

使电子束在试样表面沿预先选定的直线扫描，谱仪固定接受某一元素特征X 射线，得到被测元素在所分析直线上的分布状况，一般使电子束作定点扫描，静止不动，在式样移动轴上安装同步机，使式样以十分慢的速度移动，并由记录仪记录下不同位置的特征X 射线强度。

14. 面扫描分析：确定元素在选定区域上的分布状态——元素图像量度的差异。

使电子束在试样表面做光栅扫描，谱仪固定接受某一元素的特征X 射线，并以此调制荧光屏亮度，得到整个扫描微区面上被测元素的分布状态，若在扫描微区面上某点被测元素含量较高，发射特征X 射线信号就强，于是在荧光屏上就得到了较亮的图像，反之，在荧光屏上得到较暗的图像，从而可以定性地现实一个微区面上的某元素偏析情况。

投射电子显微分析(TEM)1. 成像系统的放大倍数：物镜放大倍数100~300倍，中间镜0~20倍，投影镜200倍。

若物镜、中间镜、投影镜的放大倍数分别为M1、M2、M3，则成像系统的总放大倍数为2. 复型（间接样品）制备方法与材料：是将样品表面浮凸复制于某种薄膜而获得的，利用这种样品在透射电镜下成像即可间接的反应原样品的表面型貌特征。