多晶体物相分析
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第4章多晶体分析方法
Mo 20.0 50~55 Zr 0.070930 0.071359 0.071073 0.063229 0.061978
14
德拜法的实验参数选择
• 获得单色光的方法除了滤波片以外，还可以采用单色 器。
• 单色器实际上是具有一定晶面间距的晶体，通过恰当 的面间距选择和机构设计，可以使入射X射线中仅Kα 产生衍射，其它射线全部被散射或吸收掉。
本章主要内容 第一节 德拜-谢乐法 第二节 其他照相法简介 第三节 X射线衍射仪
3
一、照相法
特征X射线照射多晶体样品 多晶体样品发生衍射 产生衍射花样 采用照相底片记录衍射花样．
第一节 德拜-谢乐法
一、德拜花样的爱瓦尔德图解
德拜花样为一系列同心 衍射环或一系列衍射弧段
O* 反射球
图4-1 粉末法的厄瓦尔德图解
Co 7.71 30 Fe 0.178897 0.179285 0.179026 0.162079 0.160815
Ni 8.29 30~35 Co 0.165791 0.166175 0.165919 0.150014 0.148807
Cu 8.86 35~40 Ni 0.154056 0.154440 0.154184 0.139222 0.138059
德拜法中的试样尺寸为φ0.4-0.8×5-10mm的圆柱样品。 制备方法： • （1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝粘结粉末。 • （2）采用石英毛细管、玻璃毛细管来制备试样。将粉末填
多晶体分析方法(4)
粉末法所有衍射法中应用最广的一种方法。它是以单色X射线
德国科学家德拜与谢乐1916年发明德拜相机，首创X射线粉末照相法，把物质晶体结构测量实用化。德拜法设备简单，测量
X射线衍射技术的发展历程：
利用对X射线辐射敏感的探测器，记录试样衍射线的位置、强
D/max 2550V X射
线衍射仪
衍射仪附件
→多用途附件：可做薄
膜样品的表层物相鉴定；
→微区衍射附件：最小
可做φ10μm的物相分析；
→高温附件：试样处于
室温至1500℃状态下的结
构分析。
1）测角仪
试样台位于测角仪中心，试样台的中心轴与测角
测角仪的衍射几何的关键问题有二：
1）满足布拉格衍射条件。
作用，衍射仪可以测量强度较弱的衍射线。
光学布置要求：
X射线探测器是X射线衍射仪的重要组成部分。它包括换能器和脉冲形成电路，换能器将X射线光子能量转变为电
两者都是以气体电离为基础的。每个X射线光子进入计数管产生一次电子雪崩，继而产生一个易于探测的电压脉冲。
二者的区别：盖革计数器的气体放大倍数非常大。电压脉冲达1～10V，而
闪烁计数器：
连续扫描测得的Ni-Cr基合金的粉晶衍射花样
因素
通常，当各参数变动时，所导致的得失往往是
衍射峰是衍射线束自身的衍射强度随衍射角
6 多晶体的物相分析
（1）d的数据比I/I1数据重要。从衍射图谱中得
（2）低角度线的数据比高角度线的数据重要。
定性分析中应注意的问题
（3）强线比弱线重要，特别要重视d值大的 强线。 （4）应重视特征线。对于这些物相的鉴定， 必须充分重视特征线。衍射花样中强度较高 且d值较大的衍射线，它不受其它产地和其 它条件的影响，并且与其他化合物的衍射线 不相干扰，这些对鉴定很有说服力。 （5）应尽可能地先利用其他分析、鉴定手段， 初步确定出样品可能是什么物相，将它局限 于一定的范围内。
哈氏数字索引
整个手册将面间距d值，从大于10.00到 1.0A分成45组（1982年版本）。每组的d 值连同它的误差标写在每页的顶部。每个 条目由第一处面间距d1值决定它应属于哪 一组。每组内按d2值递减顺序编排条目， 对d2值相同的条目，则按d1值递减顺序 编排。不同的d值对应误差：
无机相字母索引（戴维字母索引）
分析实例2
在被测衍射花样中除Al2O3相的衍射线外,剩余 的衍射线强度需重新归一化.然后从中选取三强 线的d- I/I1数值，按上述同样的步骤进行检索。 结果在索引的3.39-3.32(±.02)d值组中查到了 与 符合的条目，其卡片编号为5-490，属 相。 核对八强线的d-数据基本符合。取出5-490号 卡片，将其中所列的全部d- I/I1值与剩余衍射线 核对，也基本符合。这说明被测试样中还含有 相。鉴定完相之后，再没有剩余的衍射线了。 表明被测试样中只含有Al2O3和 两个相。
多晶体的物相分析
IA I
KW A
S
------内标法的基本方程
IA/IS与W呈线性关系， IA、IS可以通过
实验测得，K通过实验方法求出
5.2.5 K值法和参比强度法
K值法：利用预先测定好的参比强度K值， 利用被测相质量含量和衍射强度的线性方程， 通过数学计算得出结果
内标法中 IA CA IS CS
S WA A Ws
5.2.4 内标法
IA
CA
WA A
同理：复合试样中标准物质S某根衍射线条的强度
Is
Cs
Ws s
IA CA S WA IS CS A Ws
在所有的复合试样中，都将Ws保持恒定
IA I
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
K W A
S
A相在原始试样中的质量分数W与在复合试 样中的质量分数W有如下关系： W = W （1- Ws ）
5.1.2 PDF卡片
1938年J.D.Hanawalt等人发起以d-I数据组代替衍射花 样，制备衍射数据卡片
1942美国材料试验协会(ASTM)出版了大约1300张衍射 数据卡片
1969年成立粉末衍射标准联合委员会(JCPDS)，由它负 责编辑和出版粉末衍射卡片, 称PDF卡片
1978年与国际衍射资料中心联合出版，即JCPDS/ICDD 1992年以后的卡片统一由ICDD出版，至1997年已有卡
第三章 X射线衍射分析的应用
正比于fj，而是依赖于Ij与fj及之间的关系。
多相混合物样品，其可表示为
式中，(m)j——j相质量吸收系数；wj——j相质量分数。
衍射仪法吸收因子为1/2，混合物样品中任一相j的强度(Ij) 为
式中，Vj——j相参与衍射(被照射)的体积，设样品参与衍 射(被照射)的总体积V为单位体积，则Vj=V·fj=fj。
s
（2）制备待测相的复合样：掺入与 K相sj 同的内标物质，含量
数值索引
以Fra Baidu bibliotekanawalt无机相数字索引为例。 其编排方法为：一个相一个条目，在索引中占一横行，其内 容依次为按强度递减顺序排列的8条强线的晶面间距和相对 强度值、化学式、卡片编号和参比强度值。条目示例如下：
芬克无机数值索引与哈那瓦特数值索引相类似，主要不同的是 其以八强线条的d值循环排列，每种相在索引中可出现8次。
二、物相定量分析
1、基本原理
定量分析的任务是确定物质(样品)中各组成相的相对含量。 由于需要准确测定衍射线强度，因而定量分析一般都采用 衍射仪法。
设样品中任意一相为j，其某(HKL)衍射线强度为Ij，其体
积分数为fj，样品(混合物)线吸收系数为；定量分析的基
本依据是：
Ij随fj的增加而增高；但由于样品对X射线的吸收，Ij亦不
●-MgAl2O3, △-MgAl8Ti6O25 ,■- Al2O3, ◆-Al2TiO5,▲-MgO
多相混合物样品，其可表示为
式中，(m)j——j相质量吸收系数；wj——j相质量分数。
衍射仪法吸收因子为1/2，混合物样品中任一相j的强度(Ij) 为
式中，Vj——j相参与衍射(被照射)的体积，设样品参与衍 射(被照射)的总体积V为单位体积，则Vj=V·fj=fj。
s
（2）制备待测相的复合样：掺入与 K相sj 同的内标物质，含量
数值索引
以Fra Baidu bibliotekanawalt无机相数字索引为例。 其编排方法为：一个相一个条目，在索引中占一横行，其内 容依次为按强度递减顺序排列的8条强线的晶面间距和相对 强度值、化学式、卡片编号和参比强度值。条目示例如下：
芬克无机数值索引与哈那瓦特数值索引相类似，主要不同的是 其以八强线条的d值循环排列，每种相在索引中可出现8次。
二、物相定量分析
1、基本原理
定量分析的任务是确定物质(样品)中各组成相的相对含量。 由于需要准确测定衍射线强度，因而定量分析一般都采用 衍射仪法。
设样品中任意一相为j，其某(HKL)衍射线强度为Ij，其体
积分数为fj，样品(混合物)线吸收系数为；定量分析的基
本依据是：
Ij随fj的增加而增高；但由于样品对X射线的吸收，Ij亦不
●-MgAl2O3, △-MgAl8Ti6O25 ,■- Al2O3, ◆-Al2TiO5,▲-MgO
4 多晶体分析
• 管电流:
• 射线管的额定功率除以管电压即为许用最大管电 流,工作时不能超过.
• 暴光时间:
• 由实验确定,变化范围较大.
5.德拜相的指数标定
• 在获得一张衍射花样的照片后，我们必须确定照
片上每一条衍射线条的晶面指数，这个工作就是 德拜相的指标化。 • 进行德拜相的指数标定，首先得测量每一条衍射 线的几何位置（2θ角）及其相对强度，然后根据
Θ=2L0· 90°/C0
•德拜相衍射线弧对的强度:通常是相对强度，
当要求精度不高时，这个相对强度常常是估计值， 按很强（VS）、强（S）、中（M）、弱（W）和很弱
（VW）分成5个级别。
•精度要求较高时，则可以用黑度仪测量出每条衍射
线弧对的黑度值，再求出其相对强度。
•精度要求更高时，强度的测量需要依靠X射线衍射
测量结果标定每一条衍射线的晶面指数。
(1)衍射花样照片的测量与计算 • 1）θ角的测量与d值的计算 在德拜法中，通过测量底片上对应衍射 弧的弧对间距2L，并计算得到θ角。
偏装法2L与θ角的关系： 若相机的半径为R，在低角 度区，根据弧长的计算公式 有： 2L=R· 4θ(rad)
换算成角度表示: 2L=R· 2π/360° 4θ·
**由此可以修正样品吸收引起的衍射线位置的误差.
• (2)底片伸缩误差
• 理论的计算为:Θ=2L· 90°/2πR
多晶体物相分析
直至1971年， JCPDS出版了21组卡片，已 拥有21500种晶体材料的衍射数据及衍射花样。 以后每年增加一组。至1999年出版了第49组， 每组约1500一2000张不等。
PDF卡片
（1）1a,1b,1c为三 条最强衍射线对应 的晶面间距,1d为 最大面间距 （2）2a,2b,2c,2d 为上述各衍射线的 相对强度，最强线 为100
值d1、d2和d3（并估计它们的误差）。 3 根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属
的组，再根据d2和d3找到其中的一行。
4. 比较此行中的三条线，看其相对强度是否与 被测物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基 本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所 载的这种物质。
5.根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所 需的卡片。
个字母顺序排列的； 数字索引以衍射线的d值为检索依据，按编排
方式的不同有哈氏索引和芬克索引。
数值索引（或哈氏索引）
八强线按强度排d1，d2，…，d8，对应I1＞I2 ＞…＞I8
用最强三条线进行组合排列，每种物相在索 引中出现3次。
d1d2d3d4－d8
d2d3d1d4－d8 d3d1d2d4－d8
目前已知的晶体物质已有成千上万种。事先在 一定的规范条件下对所有已知的晶体物质进行 X射线衍射，获得一套所有晶体物质的标准X射 线衍射花样图谱，建立成数据库。
多晶体的物相分析_OK
15
（3）第三区间列出了所获实验数据时的实验条件。 Rad 所用X射线的种类（CuKα, FeKα…） λ0 X射线的波长（Å） Filter 为滤波片物质名。当用单色器时，注明“Mono” Dia 为照相机镜头直径，当相机为非圆筒形时，注明 相机名称 Cut off. 为相机所测得的最大面间距； Coll. 为狭缝或光阑尺寸； I/I1 为测量衍射线相对强度的方法
第4章 多晶体物相分析
1
一、X射线物相分析的基本原理与思路材料分析： 化学成分分析： 如某一材料为Fe96.5%,C 0.4%,Ni1.8%或 SiO2 61%, Al2O3 21%,CaO 10% FeO 4%等。 物相分析： 如一材料C，是由金刚石还是由石墨组成。 一个物相是由化学成分和晶体结构两部分所决定的。 X射线的分析正是基于材料的晶体结构来测定物相的。
大写字母，其阿拉伯数表示该物相晶胞中原 子数，而大写英文字母则代表16种布拉维点 阵： C—简单立方；B—体心立方；F—面心立方； T—简单四方；U—体心四方；R—简单三方； H—简单六方；O—简单正交；P—体心正交； Q—底心正交；S—面心正交；M—简单单斜； N—底心单斜；E—简单正斜。
20
（8）第8区为该物相矿物学名称或俗名 某些有机物还在名称上方列出了其结构式
7
3：物相定性分析过程 常规物相定性分析的步骤如下：
（1）实验 用粉末照相法或粉末衍射仪法
（3）第三区间列出了所获实验数据时的实验条件。 Rad 所用X射线的种类（CuKα, FeKα…） λ0 X射线的波长（Å） Filter 为滤波片物质名。当用单色器时，注明“Mono” Dia 为照相机镜头直径，当相机为非圆筒形时，注明 相机名称 Cut off. 为相机所测得的最大面间距； Coll. 为狭缝或光阑尺寸； I/I1 为测量衍射线相对强度的方法
第4章 多晶体物相分析
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一、X射线物相分析的基本原理与思路材料分析： 化学成分分析： 如某一材料为Fe96.5%,C 0.4%,Ni1.8%或 SiO2 61%, Al2O3 21%,CaO 10% FeO 4%等。 物相分析： 如一材料C，是由金刚石还是由石墨组成。 一个物相是由化学成分和晶体结构两部分所决定的。 X射线的分析正是基于材料的晶体结构来测定物相的。
大写字母，其阿拉伯数表示该物相晶胞中原 子数，而大写英文字母则代表16种布拉维点 阵： C—简单立方；B—体心立方；F—面心立方； T—简单四方；U—体心四方；R—简单三方； H—简单六方；O—简单正交；P—体心正交； Q—底心正交；S—面心正交；M—简单单斜； N—底心单斜；E—简单正斜。
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（8）第8区为该物相矿物学名称或俗名 某些有机物还在名称上方列出了其结构式
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3：物相定性分析过程 常规物相定性分析的步骤如下：
（1）实验 用粉末照相法或粉末衍射仪法
基于x射线衍射仪的多晶体粉末样品物相实验分析
・
源自文库
１ ０ ６ ・
科 技 论 坛
基于 ｘ射线衍射仪的多晶体粉末样品物相实验分析
陈卫红 刘柳絮 刘润芝 白秀英 （ 渭南师范学院 数理 学院， 陕西 渭南 ７ １ ４ ０ ９ ９ ）
摘 要 ：任 何 一 种 晶 体衍 射 数 据 均是 其 晶体 结 构 的 必 然反 映 。 实 验通 过 Ｄ８ ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ 衍 射仪 测 定 其衍 射 数 据 从 而 分析 晶体 的物 相 。 实 验通过 ｘ射线 照射在粉末样品 Ａ、 Ｂ工作 区域显靶 台的 角位置 ０和传 感器中接收到 的 ｘ 光光强 Ｉ 的数据 ， 采用计 算机 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ软件模 拟曲线衍射 图谱 ， 列表 分析样 品 Ａ、 Ｂ衍射峰 值对应的米勒指数及 ｄ值 ， 得到样品 Ａ、 Ｂ分别为立方 晶系 Ｆ ｅ ２ Ｓ ｉ Ｖ和 六方 晶系 Ｃ ａ（ ＯＨ） 。 关键 词 ： Ｘ射 线衍 射 仪 ； 晶体 ； 物 相 分 析
一
Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ 、 ３ Ｄ Ｍ Ａ Ｘ、 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ Ｄ建 立起 所 需要 各 部 分机 械 零件 模 后 ， 可进行减速器的拆除实验 。同时学 生可 通过 工具栏进 行减 速器 型。 零件参数的测绘 。 ２ ． １ ． ６完成 实验平台各功能模块的集成与测试 ， 将 Ｗｅ ｂ程序和 对于虚拟实验 ， 采用 的开发工具 为 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０与 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ Ｄ， 其 中， ３ Ｄ建模相结合 ，实现开放式虚拟实验平 台的机械虚拟仿真实验功 各种机械零件的建模均采用 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０软件进行 建模 ，同时减速器 能。 的组装也是使用 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０ 进 行装配 ， 利用 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０导 出 ｏ ｂ ｉ 文件 ， ２ ． １ ． ７完善并优化开放式虚拟实验平 台， 网上试运行 。 直接使 用 ｏ ｈ ｊ 文件 将模 型导入 Ｕ ｎ ｉ ｙ ｔ ３ Ｄ中，其虚 拟实验操作 界面等 ２ ． ２ 虚 拟实验平 台的功能结构 部分均是采用 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ ｄ技 ， 对于模型按钮 的控制 以及旋转移动 ， 则使 基于虚拟现实＆术 、 信息技术 、 网络技术 、 Ｗｅ ｂ技术开发一套功 用 的是 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ Ｄ中 的脚 本 功 能 。 能完备 、 通用性强 的适合 Ｗｅ ｂ环境 的开放式虚拟实验教学平 台 ， 主 结 束 语 要包括在线虚拟实验 、实验教学管理及平 台管理维 护三大功能 ， 平 基于 ｗ ｅ ｂ的虚拟实验平 台的开发与实现 ， 不仅大大降低 了实验 台的具体功能为在线虚拟实验 、 在线作业 、 实验 报告 的智 能批 改 、 在 室建设 的成本 ， 并且节约了时间、 空间和材料 。 同时使学生可以不受 线交流讨论和成绩管理等 ， 其 中在线虚拟实验重点开发 了减速器拆 时 间空 间 的 限制 ， 随 时 随地 的 进 行 机 械 实 验 ， 口 发引 了学 生 的学 习 兴 装实验 、 常用机构 和通用件认知实验等 。 趣， 同时该平 台也是教师得力的教学工具 。 ３ 虚 拟 实验 平 台 的实 现 参 考 文 献 本 虚 拟 实 验 平 台 采 用 的 开 发 工 具 为 Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｏ ［ １ 】 吴倩 兰， 洪雅 英等． 机械 设计虚拟 实验 平 台的设计 与 实现 …． 河南 ２ ０ １ ５和 Ｓ Ｑ Ｌ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ ２ ０ ０ ８ ，同时利用 Ａ Ｓ Ｐ ． Ｎ Ｅ Ｔ技术和 Ｃ ＃ ． Ｎ Ｅ Ｔ网页 科 技 。 ２ ０ １ ４ ： ２ ４ ７ — ２ ４ ８ ． 编程语言 ， 并结合 Ａ Ｄ Ｏ． Ｎ Ｅ Ｔ数据库访问技术完成 了系统 的开发。 本 ［ ２高举红， ２ ］ 陈杰 等．基 于 Ｗｅ ｂ的工 业工程的虚拟化 实验设 计ｆ Ｊ １ ． 工 系统包 含三个角色管理 员 、 教 师和学 生 ， 他们 分别具有不 同的操作 业 工程 ． ２ ０ ０ ２ （ ８ ） ： ６ ３ — ８ ８ ． 权 限。当登录本系统后 ， 管理员具有最高权 限， 可在其界面添加 、 修 【 ３ ］ 孟丽 丽， 郝力文等． 基 于 Ｗｅ ｂ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ和工作流技 术的 Ｃ Ａ Ｐ Ｐ系统 改、 删 除用 户 ； 教师可通过在线页面查 询实验的开放情况 ， 并可 以根 研 究『 Ｊ １ ． 现代 制造 工程 ， ２ ０ １ ４ （ ８ ） ： ６ ３ — ８ ８ ． 据 自己的课程情况开放或关 闭实验 ；学生可通 过在线系统预约 、 进 ［ ４ ｌ ｙ Ｙ 桂 怡， 崔建 军等． 高校 虚拟 实验 平台的设计与 实践［ Ｊ ］ ． 实验 室研 行实验 ， 并且可 以在查询界面查询 自己的实验成绩 。现 已完全实现 究与 探 索， ２ ０ １ １ ｆ ３ ） ： ３ ８ ６ — ３ ８ ９ ． 零件认知虚拟实验和减速器拆装 虚拟 实验 ， 如图 １ 所示为零件认知 作者简介 ： 郭 ￣（ １ ９ ９ ５ ， ２ 一 ） ， 男， 汉族 ， 河 北保 定人 ， 华 北 理 工 大 学 学 实验界面 。 生 研 究 方 向： 工 业 工程 图 ２所示是减速器拆装实验 界面 ， 本平 台的减速器为一级减速 通讯作者 ： 孟 丽丽 （ １ ９ ７ ８ ， １ ２ 一 ） ： 女， 汉族 ， 河北景县人 ， 华北理工 器， 其 主要构件为箱盖 、 箱座 、 齿轮轴 、 齿轮、 轴承等零件和螺栓 。学 大学大学机械 工程 学院， 副教授 �
源自文库
１ ０ ６ ・
科 技 论 坛
基于 ｘ射线衍射仪的多晶体粉末样品物相实验分析
陈卫红 刘柳絮 刘润芝 白秀英 （ 渭南师范学院 数理 学院， 陕西 渭南 ７ １ ４ ０ ９ ９ ）
摘 要 ：任 何 一 种 晶 体衍 射 数 据 均是 其 晶体 结 构 的 必 然反 映 。 实 验通 过 Ｄ８ ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ 衍 射仪 测 定 其衍 射 数 据 从 而 分析 晶体 的物 相 。 实 验通过 ｘ射线 照射在粉末样品 Ａ、 Ｂ工作 区域显靶 台的 角位置 ０和传 感器中接收到 的 ｘ 光光强 Ｉ 的数据 ， 采用计 算机 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ软件模 拟曲线衍射 图谱 ， 列表 分析样 品 Ａ、 Ｂ衍射峰 值对应的米勒指数及 ｄ值 ， 得到样品 Ａ、 Ｂ分别为立方 晶系 Ｆ ｅ ２ Ｓ ｉ Ｖ和 六方 晶系 Ｃ ａ（ ＯＨ） 。 关键 词 ： Ｘ射 线衍 射 仪 ； 晶体 ； 物 相 分 析
一
Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ 、 ３ Ｄ Ｍ Ａ Ｘ、 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ Ｄ建 立起 所 需要 各 部 分机 械 零件 模 后 ， 可进行减速器的拆除实验 。同时学 生可 通过 工具栏进 行减 速器 型。 零件参数的测绘 。 ２ ． １ ． ６完成 实验平台各功能模块的集成与测试 ， 将 Ｗｅ ｂ程序和 对于虚拟实验 ， 采用 的开发工具 为 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０与 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ Ｄ， 其 中， ３ Ｄ建模相结合 ，实现开放式虚拟实验平 台的机械虚拟仿真实验功 各种机械零件的建模均采用 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０软件进行 建模 ，同时减速器 能。 的组装也是使用 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０ 进 行装配 ， 利用 Ｃ Ｒ Ｅ Ｏ ３ ． ０导 出 ｏ ｂ ｉ 文件 ， ２ ． １ ． ７完善并优化开放式虚拟实验平 台， 网上试运行 。 直接使 用 ｏ ｈ ｊ 文件 将模 型导入 Ｕ ｎ ｉ ｙ ｔ ３ Ｄ中，其虚 拟实验操作 界面等 ２ ． ２ 虚 拟实验平 台的功能结构 部分均是采用 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ ｄ技 ， 对于模型按钮 的控制 以及旋转移动 ， 则使 基于虚拟现实＆术 、 信息技术 、 网络技术 、 Ｗｅ ｂ技术开发一套功 用 的是 Ｕ ｎ ｉ ｔ ｙ ３ Ｄ中 的脚 本 功 能 。 能完备 、 通用性强 的适合 Ｗｅ ｂ环境 的开放式虚拟实验教学平 台 ， 主 结 束 语 要包括在线虚拟实验 、实验教学管理及平 台管理维 护三大功能 ， 平 基于 ｗ ｅ ｂ的虚拟实验平 台的开发与实现 ， 不仅大大降低 了实验 台的具体功能为在线虚拟实验 、 在线作业 、 实验 报告 的智 能批 改 、 在 室建设 的成本 ， 并且节约了时间、 空间和材料 。 同时使学生可以不受 线交流讨论和成绩管理等 ， 其 中在线虚拟实验重点开发 了减速器拆 时 间空 间 的 限制 ， 随 时 随地 的 进 行 机 械 实 验 ， 口 发引 了学 生 的学 习 兴 装实验 、 常用机构 和通用件认知实验等 。 趣， 同时该平 台也是教师得力的教学工具 。 ３ 虚 拟 实验 平 台 的实 现 参 考 文 献 本 虚 拟 实 验 平 台 采 用 的 开 发 工 具 为 Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｏ ［ １ 】 吴倩 兰， 洪雅 英等． 机械 设计虚拟 实验 平 台的设计 与 实现 …． 河南 ２ ０ １ ５和 Ｓ Ｑ Ｌ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ ２ ０ ０ ８ ，同时利用 Ａ Ｓ Ｐ ． Ｎ Ｅ Ｔ技术和 Ｃ ＃ ． Ｎ Ｅ Ｔ网页 科 技 。 ２ ０ １ ４ ： ２ ４ ７ — ２ ４ ８ ． 编程语言 ， 并结合 Ａ Ｄ Ｏ． Ｎ Ｅ Ｔ数据库访问技术完成 了系统 的开发。 本 ［ ２高举红， ２ ］ 陈杰 等．基 于 Ｗｅ ｂ的工 业工程的虚拟化 实验设 计ｆ Ｊ １ ． 工 系统包 含三个角色管理 员 、 教 师和学 生 ， 他们 分别具有不 同的操作 业 工程 ． ２ ０ ０ ２ （ ８ ） ： ６ ３ — ８ ８ ． 权 限。当登录本系统后 ， 管理员具有最高权 限， 可在其界面添加 、 修 【 ３ ］ 孟丽 丽， 郝力文等． 基 于 Ｗｅ ｂ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ和工作流技 术的 Ｃ Ａ Ｐ Ｐ系统 改、 删 除用 户 ； 教师可通过在线页面查 询实验的开放情况 ， 并可 以根 研 究『 Ｊ １ ． 现代 制造 工程 ， ２ ０ １ ４ （ ８ ） ： ６ ３ — ８ ８ ． 据 自己的课程情况开放或关 闭实验 ；学生可通 过在线系统预约 、 进 ［ ４ ｌ ｙ Ｙ 桂 怡， 崔建 军等． 高校 虚拟 实验 平台的设计与 实践［ Ｊ ］ ． 实验 室研 行实验 ， 并且可 以在查询界面查询 自己的实验成绩 。现 已完全实现 究与 探 索， ２ ０ １ １ ｆ ３ ） ： ３ ８ ６ — ３ ８ ９ ． 零件认知虚拟实验和减速器拆装 虚拟 实验 ， 如图 １ 所示为零件认知 作者简介 ： 郭 ￣（ １ ９ ９ ５ ， ２ 一 ） ， 男， 汉族 ， 河 北保 定人 ， 华 北 理 工 大 学 学 实验界面 。 生 研 究 方 向： 工 业 工程 图 ２所示是减速器拆装实验 界面 ， 本平 台的减速器为一级减速 通讯作者 ： 孟 丽丽 （ １ ９ ７ ８ ， １ ２ 一 ） ： 女， 汉族 ， 河北景县人 ， 华北理工 器， 其 主要构件为箱盖 、 箱座 、 齿轮轴 、 齿轮、 轴承等零件和螺栓 。学 大学大学机械 工程 学院， 副教授 �
第四章 多晶体分析方法
相机圆筒常常设计为内
圆周长为180mm和
360mm，对应的圆直径
为φ57.3mm和φ114.6mm。
这样的设计目的是使底
片在长度方向上每毫米
对应圆心角2°和1°，
为将底片上测量的弧形
线对距离2L折算成2θ角 提供方便。
2、底片安装方法
正装法：底片中心开一圆孔，底 片两端中心开半圆孔。底片安装 时光栏穿过两个半圆孔和成的圆 孔，承光管穿过中心圆孔 反装法：底片开孔位置同上，但 底片安装时光栏穿过中心孔 偏装法：底片上开两个圆孔，间 距仍然是π R。当底片围成圆时， 接头位于射线束的垂线上。底片 安装时光栏穿过一个圆孔，承光 管穿过另一个圆孔。
第一节 德拜法
一、粉末或多晶体衍射原理
多晶体试样：由众多微小单晶颗粒杂乱聚集 而成。 特点：配列不规则，无各向异性。 多晶体可分为： 1）理想的无择优取向的：完全杂乱聚集； 2）有择优取向的（称织构）：晶粒沿某方向 排列的较多。
1、几何解释
多晶试样从X射线衍射的观点看，相当一个单晶 体绕空间各个方向作任意旋转的情况。
第四章 多晶体分析方法
ห้องสมุดไป่ตู้
前面已提到：劳埃法，转晶法，粉末法。 粉末法：用单色X射线照射多晶体或粉末 试样的衍射方法称粉末法（粉晶法）。 粉末照相法：用照相底片来记录衍射图。 衍射仪法：用计数管来记录衍射图。 这些方法均可用来进行物相定性分析、定 量分析，测定晶体结构、晶粒大小、晶胞 参数等。
第4章 多晶体的物相分析
第四章 多晶体的物相分析
——— 第三部分
第四章 多晶体的物相分析
X射线物相分析的任务是利用X射线衍射方法， 对试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物 （其中也包括单质元素和固溶体），即所谓物相， 进行定性和定量分析。X射线物相分析给出的结果， 不是试样化学成分，而是由各种元素组成的固定结 构的化合物（即物相）的组成和合量。
12
12
4.2 物相定量分析
4.2.1 原理 定量分析的基本任务是确定混合物中各相的相 对含量。衍射强度理论指出，各相折射线条的强 度随着该相在混合物中相对台量的谱加而增强。 那么能不能直按测量衍射峰的面积来求物相浓度 呢？不能。因为，我们测得的衍射强度几是经试 样吸收之后表现出来的，即衍射强度还强烈地依 赖于吸收系数，而吸收系数也依赖于相浓度几， 所以，要测相合量首先必须明确尾、氏、户；之 13 间的关系。
13
4.2 物相定量分析
衍射强度的基本关系式（折射仪）如式
14
14
4.2 物相定量分析
由方程式可知，待测相的衍射强度随着该相在 混合物中的相对合量的增加而增强；但是，衍射 强度还是与混合物的总吸收系数有关，而总吸收 系数又随浓度而变化。因此，一般来说，强度和 相对含量之间并非直线关系，只有在待测试样是 由同素异构体组成的特殊情况下，待测相的衍射 强度才与该相的相对含量成直线关系。
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——— 第三部分
第四章 多晶体的物相分析
X射线物相分析的任务是利用X射线衍射方法， 对试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物 （其中也包括单质元素和固溶体），即所谓物相， 进行定性和定量分析。X射线物相分析给出的结果， 不是试样化学成分，而是由各种元素组成的固定结 构的化合物（即物相）的组成和合量。
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4.2 物相定量分析
4.2.1 原理 定量分析的基本任务是确定混合物中各相的相 对含量。衍射强度理论指出，各相折射线条的强 度随着该相在混合物中相对台量的谱加而增强。 那么能不能直按测量衍射峰的面积来求物相浓度 呢？不能。因为，我们测得的衍射强度几是经试 样吸收之后表现出来的，即衍射强度还强烈地依 赖于吸收系数，而吸收系数也依赖于相浓度几， 所以，要测相合量首先必须明确尾、氏、户；之 13 间的关系。
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4.2 物相定量分析
衍射强度的基本关系式（折射仪）如式
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4.2 物相定量分析
由方程式可知，待测相的衍射强度随着该相在 混合物中的相对合量的增加而增强；但是，衍射 强度还是与混合物的总吸收系数有关，而总吸收 系数又随浓度而变化。因此，一般来说，强度和 相对含量之间并非直线关系，只有在待测试样是 由同素异构体组成的特殊情况下，待测相的衍射 强度才与该相的相对含量成直线关系。
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4 多晶体分析方法b
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4.2 X射线衍射仪法
2、闪烁计数器：利用X射线激发某种物质产生可见荧光，且产 生的荧光量与X射线强度成正比的特性而制造的。
1）结构：
1.X射线，2.铍窗，3.Al箔，4.晶体，5.可见光，6.光导管， 7. 光敏阴极，8.电子，9.联极，10ห้องสมุดไป่ตู้真空，11.光电倍增管
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4.2 X射线衍射仪法
接收光阑F
发散狭缝K
防散射狭缝L
测角仪的光学布置
18
4.2 X射线衍射仪法
• 接收光阑 F ：控制进入计数器的衍射强度。 较大的狭缝光阑 F ：衍射线强，易探测到弱的衍射线，但狭缝 过宽，使分辨率减低。 接收光阑 F大小：用mm表示，如：0.1mm、0.2mm等。
接收光阑F
测角仪的光学布置
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4.2 X射线衍射仪法
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4.2 X射线衍射仪法
1、正比计数器：以气体电离为基础的。
1）结构：由 ① 玻璃的外壳，② 阴极：圆筒形金属套管，内 充氦气；③ 阳极：一根与圆筒同轴的细金属丝所构成。
• 窗口：由铍或云母片等 低吸收系数材料制成。 • 阴、阳极间：施加 600～900V直流电。
正比计数器及其基本电路
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4.2 X射线衍射仪法
德拜相机剖面示意图
5
4.2 X射线衍射仪法
• 为此关键要解决的技术问题是：
多晶体分析方法
（2）反装法
• 几何关系如图4—4(b)所示。 x射线从底 片中心孔射入，从底片接口处穿出。高 角线条集中于孔眼附近，衍射线中除口 角极高的部分被光阑遮挡外，其余几乎 全能摄录下来。高角线弧对间距较小， 出底片收缩造成的误差也较小，故运用 于点阵常数的测定。
（3）偏装法(不对称装法)
• 如图4—4(c)所示，底片上有两个孔，分 别对装在光阑和承光管的位置，x射线先 后从这两个孔中通过，衍射线条形成进 出光孔的两组弧对。这种安装底片的方 法具有反装法的优点．其外还可以直接 由底片上测算出真实的圆周长，因此， 消除了由于底片收缩、试样偏心以及相 机半径不准确所产生的误差。这是目前 较常用的方法。
图4-10绘出了x射线在粉末样品上发生衍射时的衍射线的空间 分布(图中只绘出了四个衍射圆锥)。工程上及一般的科学试验 中常见的是多晶体的块状试样，如果晶粒足够细(例如在30um 以下)将得到与粉末试样相似的结果，但晶粒粗大时参与反射 的晶面数量有限，所以发生反射的概率变小，这样会使得衍射 圆锥不连续，形成断续的衍射花样。
(a)铜 (b)钨 (c)锌
S 4 R O
0< 2<90
入射X射线
V IV
样品
III II
22 I r
2 1
S2 S1
R S32601 44SR5.7 3
§4—2 粉末照相法
第四章 多晶体的分析方法讲解
对应第一对弧对； 对应第二对弧对； 对应第三对弧对；
㈡.德拜相机
德 拜 相 机 剖 面 示 意 图
德拜相机是根据前面所介绍的衍射几何设计的。
其构造下所述： 1. (不透光)金属筒形外壳：将底片固定成圆筒
形，紧紧附在相机盒内壁； 2. 试样架：位于筒形轴心位置，用来固定试样； 3. 光阑：固定入射X-ray的方向和位置限制入射
变化所引起的衍射线条位置相对改变的灵敏程度。
2Rtg 2R
n
2、 和以下因素有关：
4d 2 (n)2
⑴. 相机半径R越大，分辨本领越高；这是利用大直径相机的
主要优点。但是相机直径的增大，会延长曝光时间，并增加由空气散射 而引起的衍射背底。
⑵. θ角越大， 越高；所以衍射花样中高角度线条双线可明显的
⑵. X射线源：由X-ray管的靶T上的线状焦点S发出 的，S位于以O轴为中心的圆周上，S（线焦点） ∥O轴；
⑶. 光路布置：发散的X-ray由S发出投射到试样上, 满足布拉格关系的某晶面，其反射线形成收敛光束 ，经接收狭缝F, 然后进入计数器G。
注意：光学布置中要将X-ray源S、计数管G位于同 一圆周面上，这个圆周叫测角仪圆。
圆柱试样的制备：
⑴ 细玻璃丝在粉末中滚动； ⑵ 将粉末填充到玻璃毛细管中； ⑶ 用金属毛细管成型； ⑷ 金属细棒（金属多为多晶体），但要注意
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2）理论上讲，只要PDF卡片足够全，任何 未知物质都可以标定。但是实际上会出 现很多困难。主要是试样衍射花样的误 差和卡片的误差。
例如，晶体存在择优取向时会使某根线条的强 度异常强或弱；强度异常还会来自表面氧化 物、硫化物的影响等等。
粉末衍射卡片确实是一部很完备的衍射数据资 料，可以作为物相鉴定的依据，但由于资料来 源不一，而且并不是所有资料都经过核对，因 此存在不少错误。尤其是重校版之前的卡片更 是如此。美国标准局（NBS）用衍射仪对卡片陆 续进行校正，发行了更正的新卡片。所以，不 同字头的同一物质卡片应以发行较晚的大字头 卡片为准。
1969年起，由ASTM和英、法、加拿大等国家的 有关协会组成国际机构的“粉末衍射标准联合 委员会”，负责卡片的搜集、校订和编辑工作， 所以，以后的卡片成为粉末衍射卡（the Powder Diffraction File），简称PDF卡，或 称JCPDS卡（the Joint Committee on Powder Diffraction Standard）。
粉晶X射线物相的定性分析是根据晶体对X射线 的衍射特征-衍射线的方向和强度来鉴定结晶物质。 当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己 独特的衍射花样，它们的特征可以用各个反射面的 晶面间距d（与晶胞的大小和形状）和反射线的相对 强度I/I1（与质点的种类及其在晶胞中的位臵有关） 来表征（I是同一结晶物中某一晶面的反射线强度， I1是该结晶物质最强线的强度，一般把I1定为100。）
○ Copper Molybdenum Oxide 3.28x 2.638 3.396 22-609
3.72x
Cu 3Mo2O9 1-150-D9
例：刚玉（Al2O3）的卡片索引
哈氏：2.09x 2.559 1.608 3.488 1.375 1.745 2.384 1.403 Al2O3 10-173 芬克：2.09x 1.745 1.608 1.403 3.488 2.559 2.384 Al 2O3 10-173 字母：Aluminum Oxide：/Corundum Syn 2.09x 2.559 1.608 10-173 1.375 Al2O3
三 物相定性分析方法及步骤
物相定性分析的基本步骤: （1）制备待分析物质样品； （2）用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样； （3）检索PDF卡片； （4）核对PDF卡片与物相判定。
定性分析的方法
1)如待分析试样为单相：在物相未知的情况下可用 Hanawalt索引或Fink索引进行分析。 用数字索引进行物相鉴定步骤： 1 用照相法或衍射仪法获得试样的衍射谱 2 根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距 值d1、d2和d3（并估计它们的误差）。
3）从经验上看，晶面间距d值比相对强度重 要。 待测物相的衍射数据与卡片上的衍射 数据进行比较时，至少d值须相当符合， 一般只能在小数点后第二位有分歧。
4）多相混合物的衍射线条有可能有重叠现 象，但低角线条与高角线条相比，其重 叠机会较少。倘若一种相的某根衍射线 条与另一相的某根衍射线重叠，而且重 叠的线条又为衍射花样中的三强线之一， 则分析工作就更为复杂。
PDF卡片
(9) 全部衍射数据 (10) 卡片编号
PDF卡片索引
为快速找到所需卡片，编辑了卡片索引。 主要有字母索引和数值索引两大类。 字母索引是按物质化学元素英文名称的第一 个字母顺序排列的； 数字索引以衍射线的d值为检索依据，按编排 方式的不同有哈氏索引和芬克索引。
数值索引（或哈氏索引）
2) 多相混合物物相定性分析方法
当待分析样为多相混合物时，根据混合物的衍 射花样为各相衍射花样的叠加，也可对物相逐 一进行鉴定，但手续比较复杂。具体过程为： 用尝试的办法进行物相鉴定：先取三强线尝试 (单相)，吻合则可定；不吻合则从谱中换一根 （或二根）线再尝试，直至吻合。
对照卡片去掉已吻合的线条（即标定一 相），剩余线条归一化后再尝试鉴定。 直至所有线条都标定完毕。
多晶体物相分析
材料研究经常需要知道材料中包含几种结 晶物质或某种物质以何种Baidu Nhomakorabea晶状态存在。 材料中的一种物质称为一个相，此类问题 称物相分析。 物相：试样中由各种元素形成的具有固定 结构的化合物。（包括单质元素和固溶体）
物相分析是指确定物质（材料）由哪些 相组成（即物相定性分析或称物相鉴定） 和确定各组成相的含量（常以体积分数 或质量分数表示，即物相定量分析）。
一 X射线物相定性分析原理
任何一种结晶物质的衍射数据d和I/I1是其晶体 结构的必然反映，即使该物质存在于混合物中， 它的衍射数据也不会改变，因此可以根据它们来 鉴定物质的晶相。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(样品)的衍射 花样与之对照，从而确定物质的组成相，这就是 物相定性分析的基本原理与方法。
八强线按晶面间距排d1＞d2＞…＞d8对应I1， I2，…，I8 （由于衍射峰会出现重叠使强 度数据不可靠，试样对射线的吸收及晶粒 的择优取向导致衍射线强度改变） 八强线循环排列，每种物相在索引中出现8 次。
戴维字母索引
i Copper Molybdenum Oxide CuMoO 4 3.268 2.717 22-242 1-147-B12
★ 2.53x Zn5In2O8
C 2.52x C2H2K2O6
2.88x 2.58x 20-1440
2.777 1.665 1-130-C12
1.432
5.045
1.952
3.183
1.542
2.643
2.877 2.607 2.656 3.126 22-845 1-152-E12
芬克无机数值索引
相对强度，最强线 为100
PDF卡片
（3）实验条件 辐射光源 波长 滤波片 相机直径 所用仪器可测 最大面间距 测量相对强度 的方法 数据来源
PDF卡片
（4）晶体学数据 晶系 空间群 晶胞边长 轴率 A=a0/b0 C=c0/b0 轴角 单位晶胞内“分子” 数 数据来源
PDF卡片
（5）光学性质 折射率 光学正负性 光轴角 密度 熔点 颜色 数据来源
直至1971年， JCPDS出版了21组卡片，已 拥有21500种晶体材料的衍射数据及衍射花样。 以后每年增加一组。至1999年出版了第49组， 每组约1500一2000张不等。
PDF卡片
（1）1a,1b,1c为三 条最强衍射线对应
的晶面间距,1d为
最大面间距 （2）2a,2b,2c,2d
为上述各衍射线的
3)试样元素已知的情况下 可根据PDF卡片数据库来进行 物相的定性分析.
四 物相分析注意事项：
1）在物相为3相以上时，人工检索并非易事， 此时利用计算机是行之有效的。Johnson和 Vand于1986年用FORTRAN编制的检索程序可 以在2分钟内确定含有6相的混合物的物相。
要注意的是，计算机并不能自动消除试 样花样或原始卡片带来的误差。如果物 相为3种以上，计算机根据操作者所选择 的Δd的不同，所选出的具有可能性的花 样可能超过50种，甚至更多。所以使用 者必须充分利用有关未知试样的化学成 分、热处理条件等信息进行甄别。
2.89x 2.659 2.367 2.166 22-1445 1-158-E2 2.898 2.51x 5.077 3.546 18-1034 1-97-E12
1.886 2.046 1.514
1.456 1.776 3.013
1.456 2.035 2.323
○ 2.53x 2.88x 2.608 3.364 1.714 CaAl1.9O4C0.4 21-130 1-132-B12
八强线按强度排d1，d2，…，d8，对应I1＞I2 ＞…＞I8 用最强三条线进行组合排列，每种物相在索 引中出现3次。
d1d2d3d4－d8 d2d3d1d4－d8 d3d1d2d4－d8
参比强度I/Ic是被测相与刚玉按1:1重量配 比时，其最强线峰高之比（积分强度比）。
数值索引
i 2.497 Sr2VO4Br 2.49x KMnCl3
PDF卡片
(6)
样品来源、
制备方法、 升华温度、
分解温度等
PDF卡片
(7)物相名称 (8)物相的化学式与 数据可靠性 可靠性高 良好 i 一般 空白 较差 O 计算得到 C
说明：
有时在化学式后附有阿拉伯数字和大写英文字母， 如(ZrO2)12M 阿拉伯数字表示晶胞中原子数 大写英文字母表示布拉菲点阵类型 C－简单立方 B－体心立方 F－面心立方 T－简单四方 U－体心四方 R－简单三方 H－简单六方 O－简单正交 P－体心正交 Q－底心正交 S－面心正交 M－简单单斜 N－底心单斜 E－简单三斜
3 根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属 的组，再根据d2和d3找到其中的一行。
4. 比较此行中的三条线，看其相对强度是否与 被测物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基 本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所 载的这种物质。
5.根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所 需的卡片。 6.将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对 比如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是 要鉴定的未知物质。
定性分析的基本方法就是将未 知物的衍射花样与已知物质的衍射 花样的d和I/I1值对照。因此就有必 要掌握大量已知结晶物质相的衍射 花样。
二
标准衍射数据资料介绍
标准衍射数据资料有粉末衍射卡和各种 的索引
1) 粉末衍射卡片
1938年由Hanawalt提出，公布了上千种物质的X射线衍 射花样，并将其分类，给出每种物质三条最强线的面 间距索引（称为Hanawalt索引）。 1941年美国材料实验协会（The American Society for Testing Materials，简称ASTM）提出推广，将每 种物质的面间距d和相对强度I/I1及其他一些数据以卡 片形式出版（称ASTM卡），公布了1300种物质的衍射 数据。以后，ASTM卡片逐年增添。
目前已知的晶体物质已有成千上万种。事先在 一定的规范条件下对所有已知的晶体物质进行X 射线衍射，获得一套所有晶体物质的标准X射线 衍射花样图谱，建立成数据库。
当对某种材料进行物相分析时，只要将实验结 果与数据库中的标准衍射花样图谱进行比对， 就可以确定材料的物相。
X射线衍射物相分析工作就变成了简单的图谱对 照工作。