材料分析方法绪论

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。
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4、光谱分析
• 光谱分析方法：是基 于电磁辐射与材料相 互作用产生的特征光 谱波长与强度进行材 料分析的方法。 如X射线荧光光谱、红 外光谱等。前者可用 于材料的成分分析， 后者可用于分子结构 的分析。
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六、本课程内容及要求
• 1、内容
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• 2、学习要求
显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)的发展过 程。
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• （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。
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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。
• 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!
• 必须具备两个基础条件： • ①认识了材料的组织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。
• 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。
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3、学习方法建议： • （1）认真做好学习过程的每一环节（听课、课后
消化及作业）； • （2）学习过程中多进行分析方法之间的比较和归
纳。 • （3）多阅读相关的参考教材和文献。
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参考资料
• 1、 周玉，《材料分析方法》,机械工业出版社 • 2、常铁军，《近代材料分析测试方法》，哈尔滨工
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。
• 电子显微技术就是应用电子显微镜和其它电子束 仪器来研究微观世界中的物质的组织形态、结构 、组成及变化规律的学科。
• 电子显微分析包括：
•
透射电子显微分析
•
扫描电子显微分析
•
电子探针显微分析
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• (1) 透射电子显微镜（简称透射电镜） • 透射电镜是采用透过薄膜样品的电子束成像来显
业大学出版社 • 3、 左演声，《材料现代分析方法》，北京工业大学
出版社 • 4、 王富耻，《材料现代分析测试方法》，北京理工
大学出版社 • 5、 谈育煦，《材料研究方法》，机械工业出版社 •等 • 6、相关期刊，如《材料研究学报》、《金属热处理
》、《机械工程材料》等。
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示样品内部组织形貌与结构的。
• 特点： • 可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察
的区域进行晶体结构鉴定(同位分析)； • 分辨率可达10-1nm，放大倍数可达106倍。
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• (2) 扫描电子显微镜（简称扫描电镜） • 扫描电镜是利用电子束在样品表面扫描激发出来
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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• 优点： •计算出样品的晶格参数可以达到很高的精度。
缺点： ①不能直观地观察晶体结构，必须进行分析； ②无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合 起来； ③ 常用的X射线衍射仪能分析样品的最小区域在毫 米数量级（由于X射线聚焦的困难）。
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2、电子显微分析
能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应 用。
• 材料科学与工程对生产、使用和发展材料具有指 导意义。
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• 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。
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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
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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。
• （1）掌握X射线衍射仪、X射线应力测定仪、透射电镜、 扫描电镜、电子探针的基本原理、实验方法以及应用；
• （2）能与专门从事X射线衍射与电子显微分析工作的人 员共同制定试验方案与分析试验结果；
• （3）了解X射线光电子能谱仪、扫描隧道显微镜和原子 力显微镜的原理和应用；
• （4）在实际工作中能正确地选用本课程中介绍的仪器和 实验方法。
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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
• 将扫描电镜与能谱仪结合来，则可以在观察微观 形貌的同时对该微观区域进行化学成分同位分析 。
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3、表面分析技术
• (1) 电子能谱分析
• 电子能谱分析是一种研究物质表面元素组成与离 子状态的表面分析技术。
• 基本原理：用一定的激发源照射样品，使样品中 原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子 的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不 同壳层电子的能量相比较，就可确定未知样品表 层中原子或离子的组成和状态。
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• 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。
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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
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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。
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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)。
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• 常用的两种分析方法：X射线光电子能谱、俄歇 电子能谱。