X光衍射考试题

图11-3中为熔区中一点的时间分辨XPD图。

采样点在熔焊中心3mm处，衍射图的时间分辨为50ms，为清晰起见，在图11-3（a）中是每隔15帧画1帧，可明显看出相变情况。

图11-3（b）是一张与图11-3（a）对应的相变图。

t=0处为开始作衍射记录的那一点，此时为α相，1.2s时接通电弧开始加热，在1.30s的时间内α相退火，至2.5s时开始出现γ相，也即出现了γ→α的相变，历时约1.1s完成这一相变，在t=3.60s处只有γ-Fe存在，至t=14.10s时，γ相消失，谱上无任何衍射峰，完全熔化了，是液态，在t＝17.35s处切断电源、开始降温，开始出现γ相，在t=18.65s时，γ-Fe全部消失，完全转变为α相。

(二)机械合金化钛铜非晶合金的生成机理
对以上各谱进行分析：
(1)从图11-4(a)虽然可说明两者均为非晶态，但在MA-谱中，在2θ约为35º处有一小峰，在2θ约为43º处的峰也比较尖锐，说明两者结构有不同。

(2)从图11-4(b)中可看到，Ti(010)和(011)衍射有相近的峰高，但在钛的PDF参比谱中I(010)约为I(011)的三分之一，这说明金属钛粉中的粉粒可能为片状，片面为(010)晶面，做试样时形成择优取向，故增加了(010)的衍射强度。

(3)MA合金中的衍射峰一般底部平坦，中央突起，疑为两个峰的叠加，如图11-5所示。

平坦部为非晶峰，而突起部可能与某个结晶峰相对应。

比较图11-4(b)中各谱可得：约35º(2θ)处的峰是与Ti(010)衍射在相同位置，而约43º(2θ)处的峰与Cu(111)衍射在相同位置。

再比较图11-4(c)中各谱，可见此两处的峰高是与Ti、Cu 的含量成正比的，故推测这两个峰为Ti(010)和Cu(111)的残留。

按机械合金化理论，球磨时，在硬球撞击下，金属会发生延展，冷焊及破碎，并反复这一过程，两种金属在界面上相互扩散而形成合金。

但扩散有一定深度，而且，撞击生成的高密度缺陷也会阻止合金化。

故认为该实验制得的MA合金非晶化并不彻底，为合金层与铜及钛的薄膜交替排列结构。

在电镜中确也观察到了层状结构，且随球磨时间增加层厚会减小，进一步证实了合金层与金属膜交替排列的结构模型。

(4)从图11-4(b)还可以看出，随球磨时间增加，各金属衍射峰迅速减小，而达一定时间后，再增加球磨时间，衍射峰不但不减小，反而增加，这在图11-4(c)中也有表现。

这可能是由于钢球的撞击会升高温度，使高能的非晶结构发生弛豫而转变为稳定的晶态。

生成的晶态不是Cu-Ti 合金，而是金属铜和金属钛，粒子十分细小，混在非晶合金内。

(三)加铌对提高发动机材料TiAl合金的高温抗氧化性能机理的研究
用氧化增重和扫描电镜发现：在低温(880℃)，试样(B)的抗氧化性能优于试样(A)，但一进入高温，试样(A)的氧化增重速度缓慢，而试样(B)增重迅速，见图11-6。

从SEM图(图11-7)上可以看到，氧化层的厚度显然不同，试样（B）厚多了，Nb确有提高TiAl合金高温抗氧化性能的作用。

进一步用多晶体X射线衍射研究了Nb在抗氧化中的作用。

图11-8中列出了两种不同条件下（空气中或氧气中）的多晶体衍射图。

从11-8（a）上发现，除TiO2和Al2O3外，还生成TiN和TiAl合金；在图11-8（c）中没有发现TiN；在图11-（b）中，试样（B）虽在空气中氧化，但未生成TiN；而图11-（d）中，氧化产物仍为TiO2和Al2O3。

表面主要由TiO2和Al2O3构成，Nb的作用不是在表面促进AlTl合金选择氧化形成Al2O3保护膜。

从氧化膜的成分分析发现，Nb较集中在氧化膜的底部，似乎起一个阻挡原子向外扩散，进一步氧化的作用。

而且它还能稳定TiN，TiN也有阻挡作用，认为这是Nb的提高TiAl 合金抗氧化性能的原因。

（四）高速钢的耐磨性能与表面喷涂TiN微结构的关系
表面喷涂TiN是使高速钢表面改性，提高其性能的方法之一，周兰英等用XPD对几种用不同喷涂方法制得的TiN涂层的耐磨性能与涂层的物相结构、相对含量及晶粒取向等几个方面的关系作了了研究。

4个样品的制备方法分别为：C1S2电弧发生等离子体PVD；C2S1等离子枪发射电子束电子镀；C3S3中空阴极枪发射电子束电子镀；C4S1e形枪发射电子束离子镀。

涂11-9为4个
样品的XPD图。

相分析结
果列在每个图的左上方。

从图11-9中衍射峰强度可
以计算出极点密度
（Phkl），列在表11-1中，
计算公式为
式中，Ihkl为试样（hkl）面族的衍射强度，IR,hkl 为无织构试样（hkl）面族的衍射强度，n为采用的衍射线数目。

从以上图谱和数据可得：
（1）不同喷涂方法所得试样的物相构成是不同的，相对含量也是不同的，有的以TiN为主，有的以α-Fe 为主。

（2）不同试样TiN的表面择优取向是不同的。

经性能测试，具有最高（111）晶面择优取向的涂层（C2S1）具有最高的耐磨性能，这与该表面的原子密度高，表面能高有关。

∑
=
n
hkl
R
hkl
hkl
R
hkl
hkl
I
I
n
I
I
P
1,
,
1
(三)TiO2／HA复合生物膜的制备
金属钛及其合金是良好的生物医用金属材料，这是因为它有良好的生物相容性，生物环境下的抗蚀性及优异的力学性能。

因而，常作为骨骼的代用品而植人人体。

但是也有一些问题，如其弹性模量与人骨相差较大，故容易造成应力集中和骨吸收的不良后果；还有其成分与人骨组织相差太大，是生物惰性的。

如能有一定的生物活性，能与有关组织形成化学结合，那当然就更好了。

为此，需对其表面进行改性。

已提出了许多表面改性的方法和配方，主要是在钛表面涂覆一层羟基磷灰石（HA）。

但是Ti 和HA的膨胀系数不匹配，在冷热变化中会产生应力，影响涂层的附着强度，因而又提出了一些在HA中添加增强剂以提高界面结合强度的配方。

陈民芳提出一种在HA中添加金红石（TiO2）的配方。

他们的涂覆方法是射频磁控溅射法。

掺TiO2的靶材是将金属钛粉（20％）加入HA中，在球磨机中强力混合12h 后再冷压成型，然后在115ºC的电阻炉中烧结3h得到。

图11-19中为HA粉（a），烧结后HA（b）及TiO2/HA 靶（c）的XPD图。

从图11-19（a）可知，合成产物确为羟基磷灰石，衍射峰较宽，说明离子较细。

在图11-19（b）中，除HA的衍射峰外，还有β-Ca3(PO4)3的衍射峰，说明HA在115ºC烧结时有一部分分解成β-Ca3(PO4)3。

同时，衍射峰变得比较窄，说明烧结时晶粒长大了。

而图11-19（c）中，除HA、β-Ca3(PO4)3的衍射峰外，还出现了金红石的衍射峰。

说明烧结中Ti氧化成TiO2，得到了需要的增强剂。

图11-20为溅射涂膜以后的XPD图。

图11-20（a）为溅射1h试样的XPD图，除基体材料Ti的衍射峰外，出现了金红石（R）的衍射峰。

在2θ近30º处有一个宽而矮的峰，经分析为非晶CaHPO4·2H2O的峰，无无羟基磷灰石的衍射峰，说明TiO2先被溅射。

图11-20(b)是溅射2h的XPD谱，R 的峰更高，更尖锐了，说明膜中R的量更多了，同时出现了β-Ca3(PO4)3的衍射峰，从本底线及弥散峰可知，其中还有许多非晶成分。

从DTA图知道晶化温度为670~680 ºC。

将溅射膜在700ºC作水蒸气处理，图11-21中为溅射薄膜水蒸气处理0.5h后的XPD图，与图11-20相比，可见非晶成分大大减少，而且出现了羟基磷灰石的衍射峰，有了从非晶态到晶态的相变。

特征标：表示矩阵的对角元之和也就是表示矩阵的迹，用x表示。

可约化表示：简正振动模式以及不同频率振动的数目直接与分子个原子位移坐标在点群作用下的变换矩阵，即群的表示有关。

为了知道这些振动模式需要把格表示矩阵按同样的方式对角化，即化为有对角元素不为零的矩阵或者是一些沿着对角线排列的小方块的过程。

不可约表示：约化到最后不能再进一步约化的表示称为不可约表示。

聚四氟乙烯由题意知：Ca(OH)2晶相（001）、（101）晶面的衍射强度基本相等，则
1
)
101
(
)
001
(
≈
=I
I
R，有图知
1
)
101
(
)
001
(
>>
=I
I
R，则1
>>
=R
R
P，说明在（001）晶面产生了择优取向，取向晶粒越密集。

此图表明在集料表面Ca(OH)2析晶很不完全，只有取向面（001）发育较快，其他晶面还未生长，无响应衍射峰出现。

从聚集体的X射线衍射光谱中可以得到以下信息：1、此聚集体包含了几个物相？2、这些物相是什么？3、他们的相对量是多少？4、每一个物相所含小晶粒的平均尺寸有多大？5、尺寸分布是怎样的？6、这些小晶粒聚集时晶粒取向是混乱的还是有一定的择优取向？7、若聚集体包含几个物相，则这些物相的晶粒是混合的，还是偏聚在某一位置去不均匀分布等。

以下是材料测试平台：1、宏观：流变仪、冻融循环仪、人工气候箱、声发射测定仪、红外热像仪、万能实验机。

2、成分：X射线荧光光谱仪、X射线光电子能谱仪、等离子体发射光谱。

3、热效应：综合热分析、多通道量热计。

4、结构：红外/紫外光谱、凝胶渗透色谱仪、X射线衍射仪、激光粒度分析仪、压汞仪、比表面分析仪、核磁共振、激光拉曼光谱仪。

5、形貌：原子力显微镜、数字图像分析仪、低真空扫描电镜、环境扫描电镜、透射电镜。

特征标计：公式：∑⨯
=
R
i
i R
X
R
X
h
n)(
*)
(
1
)
((
，由题意知：h=6，则
1
)3
1
1
3
1(
6
1
)
(1=
⨯
+
⨯
+
⨯
=
A
n
)3
1
1
3
1(
6
1
)
(2=
⨯
-
⨯
+
⨯
=
A
n
1
)3
1
3
1(
6
1
)
(1=
⨯
+
⨯
+
⨯
=
A
n
故E
A+
=
1
τ
立方晶系衍射谱的标定 1、晶胞参数未知
根据布拉格方程和立方晶系面间距表达式：
()
2
22
2
2
2
2
2
2
4sin sin 2l k h
a
l
k h a d d hkl ++=
++==λθλθ
在实际标定工作中，求出sin2θ值，写成数列形式后，如果能找到一个公因数乘上或除以公因数， sin2θ比值数列能够得到整数比，就可以判断试样属于立方晶系。

例：
16
:14:13:12:11:10:9:8:6:5:4:3:2:1:sin :sin 22
12=L
θθ
则试样具有简单立方点阵，相应的衍射面指数分别为： (100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(220)…… 若得到： L
L 19:16:12:11:8:4:3:sin :sin 2212=θθ则试样具有面心立方点阵，相应的各衍射指数分别为： (111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)…… 若得到： L
L
L 16:14:12:10:8:6:4:2:8:7:6:5:4:3:2:1:sin :sin 2212==θθ则试样具有体心立方点阵 (110)、(200)、(211)、(220)、(310)、(222)、(321)…… 2、晶胞参数已知 ()()
2
222
2
22
22
2
22sin 44sin l k h A A a
l k h
a hkl
hkl ++==++=θλλ
θ
()
2
1212
1
2
221
22sin sin l k h
A l k h A j
j j j ++++=
θθ （1）当第一条线恰好是(100)或(010)、(001)时，上式比值为一整数，等于第j 条衍射线的（hj2+kj2+lj2），因此可求出第j 条衍射线的指标（hjkjlj ）；
（2）如果上式为一分数，说明第一条衍射线
不是（100）或（010）、（001），因为（hj2+kj2+lj2）必定是一整数；因此将比值乘以一个小整数如2、3、4等将其化为整数，这一整数便是（ hjkjlj ）； （3）如果将得到的比值乘以一个小整数后得到的整数中有7、15、23、28、31、39、47等数字，则应再乘以2，消除这些数字，因（hj2+kj2+lj2）不可能等于这些数字。

试样Cu Cuk α射线 αλ1=1.54050 Å αλ2=1.54434 Å αλ12=1.54178 Å
二、四、六方晶系衍射谱的标定 ()
()
L
L L
L :43:
43:sin :sin :::sin :sin 22222
222222221222
11121222212222
22
222221*********⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+++⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+++=⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛++=L c K K H H a L c K K H H a c L a
K H c L a
K H λλλλθθθθL=0
L
L :13:10:9:8:5:4:2:1:sin :sin 2212=θθ可判断试样属于四方晶系，在此数列中2、4、
5等是最关键的比值数。

L L :9:7:4:3:1:sin :sin 2212=θθ
六方晶系，在此数列3、7是最关键的比值数。

六方晶系⇒只有简单阵胞，(100),(110),(200),(210),(300)。