材料分析测试方法--实验指导书【范本模板】

《材料分析测试方法》实验指导书
仲洪海编写
无机非金属材料工程系
2009年8月
实验一 X射线衍射仪的结构及原理
一、实验目的
1、概括了解X射线衍射仪的结构及使用。

2、练习用PDF(ASTM）卡片及索引对多相物质进行相分析。

二、X射线衍射仪的简介（D/MAX-RB）
它是由X射线发生器、测角仪、信号检测系统、计算机系统、数据处理和应用软件等构成。

应用软件可进行衍射线条的指标化、物相定性分析、计算非晶体材料径向分布函
双线分离等。

总之衍射仪目前已数、X射线衍射线条的分析、残余奥氏体的测定。

K
a
具有采集衍射资料、处理图形数据、查找管理文件以及自动进行物相定性分析等功能.
图2－15是X射线衍射仪的中心部分-—测角仪的示意图。

D为平板试样，它安装在试样台H上，试样台可围绕垂直于图面的轴O旋转。

S为X射线源,也就是X射线管靶面上的线状焦斑，它与图面相垂直,与衍射仪轴平行。

由射线源射出的发散X射线，照射试样后即形成一根收敛的衍射光束，它在焦点F处聚集后射进计数管C中.F处有一接收狭缝，它与计数管同安装在可围绕O旋转的支架E上，其角位置2θ可从刻度尺K上读出。

衍射仪的设计使H和E的转动保持
固定的关系，当H转过θ度时，E即转过2θ度。

这种关系保证了X射线相对于试样
的“入射角”与“反射角”始终相等，使得从试样生的衍射线都正好艰聚焦并进入计数管中。

计数管能将X射线的强弱情况转化为电信号，并通过计数率仪、电位差计将信号记录下来。

试样连续转动时，衍射仪就能自动描绘出衍身强度随2θ角的变化情况。

测角仪的光学布置也在图2－15中展示。

S为靶面的线焦点，其长轴方向为竖直.入射线和衍射线要通过一系列狭缝光阑。

K为发散狭缝，F为接收狭缝,分别限制入射线及衍射线束在水平方向的发散度。

防散射狭缝还可排拆试样的辐射，使峰底比得制
到改善。

S
1，S
2
为梭拉狭缝，是由一组相互平行的金属薄片所组成，相邻两片间的空
隙在0。

5mm以下，薄片厚度大约为0。

05mm，长为60nn.梭拉狭缝可以限制入射线及
衍射线束在垂直方向的发散度至大约2º。

衍射线在通过狭缝L、S
2
及F后便进入计数管C中.
在衍射仪中，X射线的探测元件为计数管。

计数管及其附属电路称为计数器。

常用的计数器有正比计数器、盖革计数器及闪烁计数器。

G—测角仪圆;S—X射线源;D-试样；H—试样台；F—接收狭缝；C-计算机；E—支架；K—刻度尺
三、物相分析方法
物相定性分析是X射线衍射分析中最常见的一项测试。

首先，仪器按所给的衍射条件进行衍射数据的自动采集，接着进行寻峰处理并自动启动检索程序.当检索开始
时,操作者要选择输出级别(扼要输出、标准输出或详细输出），选择所检索的数据库.指出测试时所使用的靶、扫描范围、实验误差范围估计，并输入试样元素的信息等。

此后系统将进行自动检索匹配，并将检索结果打印输出.
虽然物质的种类千千万万,但却没有两种衍射花样完全相同的物质。

某种物质的多晶体衍身线条的的数目、位置及其强度，就是这种物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志.
哈那瓦特（J•D•Hanawalt）于1938年创立了一套迅速检索的方法。

1969年又由英、美、法、加四国成立了粉末衍射标准联合委员会－“简称JCPDS”的国际性组织，由它负责编辑和出版粉末衍射卡片,称为PDF卡片。

现已出版36集,4万多张.
衍射图形上线条的位置由衍射角2θ决定，而θ取决于波长λ及面间距d，其中d 是决定晶体结构的基本量。

因此，在卡片上列出一系列d及对应的强度I，就可以代替衍射图样。

下面仅就实验及分析过程中的某些具体问题作一简介。

1、试样
衍射仪一般采用块状平面试样，它可以是整块的晶体，也可用多种晶体的粉末压制。

金属样可从大块中切割合适的尺寸，经砂轮、砂纸磨平即可。

粉末样品应有一定的粒度要求，这与德拜相的要求基本相同（颗粒大小约在1～10μm数量级.粉末要过200～325目筛子).不过由于在衍射仪上照射面积较大,允许采用稍粗的颗粒。

根据粉末的数量可压在玻璃制成的通框或浅框中。

压制时一般不加粘合剂，所加压力以使粉末样品粘牢为限,压力过大可能导致颗粒的择优取向。

当粉末数量很少时，可在平玻璃片上抹一层凡士林，再将粉末均匀覆上。

2、测试参数的选择
实验参数选择的合理与否是影响实验精度、实验结果的重要因素，因此试样测试之前，须考虑确定的实验参数很多。

1）X射线管阳极的种类、滤片、管压、管流的选择前面已作过介绍,不再详述。

2）关于狭缝宽度、扫描速度、时度常数、计数量程、走纸速度等的选择:
(1）、测角仪狭缝光阑的选择
在测角仪光路中，有发散狭缝光阑,防散射缝光阑，接收狭缝光阑和在窗口与发
散狭缝之间以及接收狭缝与防散射狭缝之间的两个梭拉狭缝光阑,但梭拉狭缝是固定不变的,需要选择的是：
a、发散狭缝有1/30°、1/12°、1/16°、1/4°、1/2°、1°、5/2°
b、防散射狭缝有1/30°、1/12°、1/16°、1/4°、1/2°、1°、5/2°
c、接收狭缝有0.05mm、0。

1mm、0.2mm、0。

4mm、2.0mm
发散狭缝是用来限制入射线在测角仪平行方向上的发散角。

它决定了入射线在试样上的照射面积和强度。

对发射狭缝的选择应以入射线的照摄面积不超出试样的工作表面为原则。

增大发散狭缝，虽可增加衍射线的强度,但在θ角较小时，过大的狭缝将使光束照射到试样槽外的试样架上，这样反而使衍射强度下降，并使由试样带来的背底强度升高，故须控制低角时射线束照射的范围不致超出试样框之外。

接收狭缝对衍射线峰的高度、峰－背比及峰的积分宽度都有明显影响。

增大接收狭缝,虽可增加衍射峰的强度，但也增加了背底强度，反而降低峰－背比和角分辨率,这对探测弱衍射线不利,故接收狭缝要依据工作因素、工作目的来选择。

若要提高分辨率、则应选较小的接收狭缝,基要为测衍射强度，则应加接收狭缝。

防散射狭缝对衍射线，只影响峰背比,其它的选择通常与发散狭缝一致。

一般物相分析时，选择发散狭缝为1/4°～1°，防散射狭缝为1/4°～1°,接收狭缝为0。

2mm或0.4mm。

(2)、测角仪的扫描速度
扫描速度指计数管在测角仪圆上均匀转动的角速度,以度/min表示。

增大扫描速度，即可节约测试时间，但同时将导致强度和分辨率的下降，并使衍射峰的位置向扫描方向偏移.造成峰的不对称宽化，故为提高测量精度,应尽量选小扫描速度，一般物相分析中常用的扫描速度为1°/min或2°/min。

(3)计数率仪的时间常数
时间常数是对衍射强度进行记录的时间间隔的长短。

增大时间常数使衍射线峰的轮廓背底变得平滑，但同时却使衍射强度和分辨率降低，并使衍射峰向扫描方向偏移,造成衍射峰的不对称宽化。

故为提高测量精度，应选尽可能小的时间常数。

一般物相分析中选时间常为1－4s.
(4)、计数量程
计数量程可对衍射强度进行适当地衰减调节,以获得适当大小的衍射峰.若量程过小，衍射峰过高可能超出记录范围，从而描画不出完整的衍射峰。

一般物相分析中，选量程×2，定标衰减×1。

（5)、自动记录仪的走纸速度
若要测量各2θ角度下衍射线强度的分布情况.则必须在计数管侧角仪圆周转动的同时,让自动记录仪中的记录纸做同步转动，此转动速度即为走纸速度。

加快走纸速度，可以提高角度分辨率从而提高测量精度,但却有可能使弱的或弥散的衍射线淹没在背底之中。

一般物相分析时，选走纸速度为300～400mm/h。

3、计数参数的选择
用盖革计数器时，在坪区，计数率随电压增加得很慢,且为线性,所以盖革管应在这个区域内工作。

但要使计数率与X射线强度(即光子数目）准确地成正比，则必须保证施加稳定电压,大约1400V。

衍射仪的开启，与X射线晶体分析仪有许多相似之处,特别是X射线发生器部分.对于自动化衍射仪，很多工作参数可由微机上的键盘输入或通过程序输入。

此外，还可以设置寻峰扫描，阶梯扫描等其它方式。

还可对同一衍射作正反两方向扫描,用其平均值更能反映衍射峰的真实位置。

4、衍射图的分析
先将衍射图上较明显的衍射峰的2θ值量度出来.测量可借助于三角板和米尺.将米尺的刻度与衍射图的角标对齐，令三角板的直角边沿米尺沿动，另一直角边与衍射峰的对称线重合.并以此做为峰的位置，借助于米尺，可以估计出百分之一度（或十分之一度）的2θ值，并通过布拉格方程求对应的d值。

又按衍射峰的高度估计出各衍射线的相对强度.有了d系列与I系列之后，取前反射区三根最强线为依据，查阅索引，用尝试法找到可能的卡片，再进行详细对照.也可借助字母索引起检索。

确定一个物相之后，将余下线条进行强度的归一处理，再录找第二相.有时也可根据试样的实际情况作出推断，直至所有的衍射线均有着落为止.
对于成份不固定的材料，这在金属材料的研究工作中是经常遇到的，例如固溶体型合金,是没有卡片的。

因成份不同，点阵参数、晶体结构都有变化，不能用一张卡来表示这种材料.
分析多相合金时，经常会遇到不同相的衍射线相重合的情况，就给选择线条及分
析结果造成很大困难。

在这种情况下，必须要有充分的旁证材料，才能获得满意的结果.
卡片本身是实测的结果，它本身就含一定的误差。

而对待测试样的实验工作也含有一定的误差，而且，在实测的条件下不可能与制造卡片的实测条件完全相同。

因此在比较这二组数据时，可能会有较大的差别而得不到正确的判断结果。

别外，在核对卡片时，衍射线条一般应当不少于八条.否则，可供比较的数据太少，难以得到正确的结果。

比较数据d时,应当控制严格一些，二者的误差最好不要超过2%，而比较衍射线强度时，就可以放宽要求。

四、实验内容及报告要求：
1）由教师在现场介绍衍射仪的构造，进行现场操作,并描画一两个衍射峰。

2）以2~3人为一组，按事先描绘好的多相物质的衍射图进行物相定性分析。

3）记录下分析的衍射图实测条件，将实验数据及结果以表格形式列出。

实验二透射电子显微镜的结构及原理
一、实验目的:
1、熟悉透射电镜的基本构造,了解电镜的操作规程
2、试样的典型组织观察
二、透射电子显微镜的结构：
透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM）是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜,是观察和分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。

它用聚焦电子束作为照明源，使用对电子束透明的薄膜试样（几十到几百nm)，以透射电子为成像信号，其工作原理如下：电子枪产生的电子束经1～2级光镜会聚后均匀照射到试样上的某一待观察微小区域上,入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄,绝大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应。

透射出试样的电子经物镜、投影镜的三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上，荧光屏把电子强度分布转变为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上显出与试样形貌、组织、结构相结应的图像。

1、透射电子显微镜主要由光学成像系统、真空系统和电气系统三部分组成.
（1）、光学成像系统
透射电镜的光学成像系统组装成一直立的圆柱体，称为镜筒。

包括照明、透镜成像放大以及图像观察记录等系统。

图2－23为透射电镜镜筒剖面图.
a、照明部分
电子显微镜的照明部分是产生具有一定能量、足够亮度(电流密度)和适当小孔径角的稳定电子束的装置,它包括产生电子束的电子枪和使用电子束会聚和聚光镜。

电子枪：通常透射电镜中使用的电子枪为发叉式钨丝（丝直径为0。

1～0。

15mm)阴极、控制栅板和阳极构成的三极电子枪,图2－24为三极式电子枪工作原理图。

考虑到操作安全,电子枪的阳极接地（0电位),阴极加上负高压(－50～200kV)，控制栅板加上比阴极负几百至几千伏的偏压。

整个电子枪相当于一个由阴极、栅板和阳极组成的静电透镜，栅板的大小决定了阴极和阳极之间的等电位面分布和形状,从而控制阴极的电子发射电流，因此称为控制栅极。

电子枪工作时,由阴极发射的电子受到电场的加速穿过阳极孔照射到试样上，在穿过电场时,发散的电子束受到电场的径向分量的作用，使从栅极出来的电子会聚通过一最小截面（直径为dc)，这里电子密度最高，称为电子枪交叉点，它是电子显微镜的实际电子源.
发叉式钨丝三极电子枪的主要优点是结构简单，不需要很高的真空度（10－4Torr）;它与以后介绍的六硼化镧电子枪及发射枪相比,缺点是使用寿命短，一般只有几十小时到上百小时,并且亮度不够高。

聚光镜：降光镜为磁透镜，它是用来把电子枪射出的电子束会聚照射在样品上。

调节光镜励磁电流(即改变透镜聚焦状态)就可以调节照明强度和孔径角大小。

一般中级透射电镜采用单聚光镜，高级的透射电镜则大多数采用双聚光镜.
单聚光镜的主要缺点是照明面积大，容易造成试样的热损伤和污染，这是由于电子源(电子枪交叉斑）到聚光镜的距离与聚光镜到样品的距离大致相同，聚光镜放大倍率约为1.当电子枪交叉班的直径约为50μm时，经单聚光镜会聚后的电子束在试样上的照明面积的直径也约为50μm(图2－25a)，如果电镜观察圆周屏的直径为100mm,在放大5万倍时，则观察的试样区域直径约为2μm,即照明面积远比观察面积大，从而造成样品的热损伤和污染。

双聚光镜是电子源和原来的聚光镜C
2之间再加上一聚光镜C
1
，第一聚光镜为强磁
透镜用来控制束斑大小，第二聚光镜为弱磁透镜，用来改变照明孔径角和获得最佳亮
度，其工作原理如图2－25b、c、。

由于第一聚光镜C
1
更靠近光源，它的接收孔径角
较大,可从光源收集到比单独用C
2
时更多的电子，因而可以得到更亮的最终聚焦斑。

通过调节第一和第二聚光镜励磁电流，可以得到与放大倍数相适应的照明面积和照明亮度，从而克服了单聚光镜由于照明面大而导致的对样品的热损伤和污染。

一般中级透射电镜为垂直照明,即照明电子束轴线与成像系统同轴。

高级透射电镜照明系统中有加电磁偏转器，既可垂直照明，也可倾照明，即照明电子束轴线与成像系统轴线成一定角度(一般2°~3°)，用于成暗场像。

b、成像放大系统
成像放大系统由物镜、1~2个中间镜和1～2投影镜组成.靠近试样的为物镜，靠近荧光屏的为投影镜，二者之间的为中间镜.它们的相对位置见图2－23。

物镜:物镜是成像系统的第一级放大透镜，它的分辨率对整个成像系统的分辨率影响最大，因此通常为短焦距、高放大倍数(例如100倍）低像差的强磁透镜。

中间镜:中间镜为长焦距、可变放大倍数(例如0～20倍)的弱磁透镜。

当
放大倍数大于1时，进一步放大物镜所成的像；当放大倍数小于1时，缩小物镜所成的像。

投影镜：投影镜也是短焦距、高放大倍数（例如100倍，一般固定不变)的强磁透镜,其作用是把中间镜的像进一步放大并投射在荧光屏或照相底板上。

通过改变中间镜放大倍数可以在相当范围(例如2000～200000倍）内改变电镜的
总放大倍数.
三级成像放大系统：中、低级透射电镜的成像放大系统仅由一个物镜、一个中间镜和一个投影镜组成,可进行高放大倍数、中放大倍数成像、成像光路图示于图2－26.
高放大倍数成像时，物经物镜放大后在物镜和中间镜之间成第一级实像,中间镜以物镜的像为物进行放大，在投影镜上方成第二级放大像，投影镜以中间镜像为物进行放大,在荧光屏或照相底板上成终像。

三级透镜高放大倍数成像可以获得高达20万倍的电子图像。

中放大倍数成像时调节物镜励磁电，使物镜成像于中间镜之下，中间镜以物镜像为“虚物",在投影镜上方形成缩小的实像，经投影镜放大后在荧光屏或照相底板上成终像。

中放大倍数成像可以获得几千至几万倍的电子图像。

低放大倍数成像的最简便方法是减少透镜使用数目和减小透镜放大倍数。

例如关闭物镜，减弱中间镜励磁电流,使中间镜起着长焦距物镜的作用，成像于投影镜之上，经投影镜放大后成像于荧光屏上,获得100～300倍、视域较大的图像，为检查试样和选择、确定高倍观察区提供方便。

多级成像放大系统;现代生产的透射电镜其成像放大系统大多4～5成像透镜。

除了物镜外，有二个可变放大倍数的中间镜和1～2个投影镜.成像时可按不同模式(光路）来获得所需的放大倍数。

一般第一中间镜用于低倍放大;第二中间镜用于高倍放大；在最高放大倍数情况下,第一、第二中间镜同时使用或只使用第二中间镜,成像放
大倍数可以在100倍到80万倍范围内调节，由于有二个中间镜，在进行电子衍射时，用第一中间镜以物镜后焦面的电子衍射谱作为物进行成像（此时放大倍数就固定了)，再用第二中间镜改变终像电子衍射谱的放大倍数，可以得到各种放大倍数的电子衍射谱。

因此第一中间镜又称衍射镜。

而把第二中间镜称为中间镜.
消像散器:在镜筒的这一部分，除物镜、中间镜和投影镜外,还有样品室、物镜光阑、消像散器和衍射光阑等。

消像散器是一个产生附加弱磁场的装置,用来校正透镜磁场的非对称性，从而消除像散，物镜下方都装有像散器。

c、图像观察记录部分
图像观察记录部分用来观察和拍摄经成像和放大的电子图像，该部分有荧光屏、照相盒、望远镜(长工作距离的立体显微镜).荧光屏能向上斜倾和翻起，荧光屏下面是装有照相底板的照相盒，当用机械或电气式荧光屏能向上斜倾和翻起时，电子束使直接照射在下面的照相底板上并使之感光，记录下电子图像。

望远镜一般放大5～10倍，用来观察电子图像中的更小的细节和进行精确聚集。

d、样品台
透射电镜观察是按一定方法制备后置于电镜铜网(直径3mm）上的样品。

样品台是用来承载样品（铜网)，以便在电镜中对样品进行各种条件下的观察.它可根据需要使样品倾斜和旋转，样品台还与镜筒外的机械旋杆相连.转动旋杆可使样品在二个互相垂直的方向平移,以使观察试样各部分细节。

样品台按样品进入电镜中就位方式分为顶插式和侧插式两种。

对于顶插式样品台，电镜样品先放入样品杯,然后通过传动机构进入样品室，再下降至样品台中定位,使样品处于物镜极靴中间某一精确位置，顶插式样品台的特点是物镜上、下极靴间隙可以比较小，因此球差小,物镜分辨本领较高；倾斜角度可达±20°，但在倾斜过程中，观察点的像稍有位移.
对于侧插式样品台，电镜样品先放在插入杆前端的样品座上,并用压环固定，插入杆从镜筒侧面插入样品台，使得样品杆的前端连同样品处于物镜上、下极靴间隙中,侧插式样品台的特点是上、下极靴间的间隙较大，因此球差较大,相对来说物镜的分辨本领要比顶插式差些，但最大倾角可达±60°，在倾斜过程中观察点的像不发生位移,放大倍数也不变.
除了上述可使样平移和倾斜的样品台外，还有为满足各种用图的样品台，例如加热台，可以把样品加热。

最高温度达1273K；冷却后，可以将样品冷却，最低温度可接近10K；拉抻台,可以对样品进行拉伸。

应用这些特殊功能的样品台时，可以直接观察材料在各种特定条件下的发生的动态变化.
（2）、真空系统
电子显微镜镜筒必须具有很高的真空度，这是因为：若电子枪中存在气体,会产生气体电离和放电；炽热的阴极灯丝受到氧化或腐蚀而烧断；高速电子受到气体分子的随机散射而降低成像度以及污染样品。

一般电子显微镜镜筒的真空要求在10-4～10—6Torr.当镜筒内达到10—4～10-6Torr的真空度后,电镜才开始工作。

（3）、电气系统
电气系统主要包括三部分:灯丝电源和高压电源,使电子枪产生稳定的高能照明电子束；各磁透镜的稳压稳流电源，使各磁透镜具有高的稳定度；电气控制电路;用来真空系统、电气合轴、自动聚焦、自动照相等。

三、实验报告要求：
1、熟悉透射电镜的基本构造和工作原理，简述电子光学系统的组成及各组成部
分的作用。

2、以高倍成像为例，简述透射电镜的成像原理。

实验三扫描电子显微镜的结构及原理
一、实验目的
1、了解扫描电子显微镜的结构
2、通过实际分析,明确扫描电子显微镜的用途
二、扫描电子显微镜的工作原理与结构
1、扫描电子显微境的工作原理及特点
扫描电子显微境(简称扫描电镜，SEM)是继透射电镜之后发展起来的一种电镜。

与透射电镜的成像方式不同，扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。

试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。

其中二次电子是最主要的成像信号。

现以二次电子像的成像过程来说明扫描电镜的工作原理。

如图2－67所示，由电子枪发射的能量为5～35keV的电子,以其交叉斑作为电子源,经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束,在扫描线圈驱动下,于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。

聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射(以及其它物理信号)，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。

二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像.
早在1935年诺尔(Knoll）就提出了扫描电镜的工作原理，并设计了简单的实验装置,1938年阿登纳(Ardenne）制成第一台扫描电镜。

近十多年来扫描电镜本身所具有的特点：
(1）可以观察直径为10～30mm的大块试样，且制样方法简单。

对表面清洁的导电材料可不用制样直接进行观察；对表面清洁的非导电材料只要在表面蒸镀一层导电后即可进行观察。