材料结构与表征复习整理(周玉第三版)

材料结构与表征2017-2018复习整理2018-1-4暨南大学——D.S2017-2018材料结构与表征重点整理目录绪论 (1)第一章 X射线物理学基础 (2)第二章 X射线衍射方向 (3)第三章 X射线衍射强度 (3)第四章多晶体分析方法 (4)第五章物相分析及点阵参数精确测定 (5)第六章（不考） (5)第七章（不考） (5)第八章电子光学基础 (5)第九章透射电子显微镜 (6)第十章电子衍射 (7)第十一章晶体薄膜衍衬成像分析 (7)第十二章（不考） (8)第十三章扫描电子显微镜 (8)第十四章（不考） (8)第十五章电子探针显微镜分析 (8)第十六章 (9)参考文献 (10)2017-2018材料结构与表征重点整理绪论1.组织结构与性能本书主要介绍X射线衍射和电子显微镜分析材料的微观结构。

材料的组织结构与性能：a.结构决定性能；b.通过一定方法控制其显微组织形成条件。

加工齿轮实例：a.预先将钢材进行退火处理，使其硬度降低，以满足容易铣等加工工艺性能要求；b.加工好后再进行渗碳处理，使其强度、硬度提高，以满足耐磨损等使用性能的要求。

2. 显微组织结构分析表征：a.表面形貌观察（形态、大小、分布和界面状态等——光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜等；b.晶体结构分析（物相，晶体缺陷，组织结构等）——X射线衍射、电子衍射、热谱分析；c.化学成分分析（元素与含量、化学价态、分子量、分子式等）——光谱分析，能谱分析等。

3.传统测试方式a.光学显微镜——分辨率200nm——只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织结构，更不能进行对所观察的显微组织进行同位微区分析；b.化学分析——能给出试样的平均成分，不能给出元素分布，和光谱分析相同。

4.X射线衍射与电子显微镜1.XRD——分辨率mm级——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，可以计算样品晶体晶体结构与晶格参数。

2.电子显微镜透射电子显微镜——分辨率0.1nm——通过透过样品的电子束成像，可以观察微观组织形态并对观察区域进行晶体结构鉴定；扫描电子显微镜——分辨率1nm——利用电子束在样品表面扫描激发出的代表样品表面特征的信号成像，观察表面形貌（断口）和成分分布；电子探针显微分析——利用聚焦很细的电子束打在样品微观区域，激发出特征X射线，可以确定样品微观区域的化学成分，可与扫描电镜同时使用进行化学成分同位分析。

第一章 X射线物理学基础X射线是一种波长很短的电磁波。

X射线产生条件：a.产生自由电子；b.使电子定向高速运动；c.在电子运动的路径上安置使其突然减速的障碍物。

当X射线管仅产生连续谱时，管电压越高，阳极靶材的原子序数越大，X射线管效率越高特征X射线产生前提：原子内层电子被击出场造成空位。

莫塞莱定律表明：阳极靶材的原子序数越大，相应于同一系的特征谱波长越短。

特征谱强度随管电压（U）和管电流（i）的提高而增大。

X射线与物质的相互作用物质原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对于一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降；每种物质都有其特定的吸收限，这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收限，吸收限的存在暴露了吸收的本质。

吸收限：指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将 K 电子从无穷远移至 K 层时所作的功 W，称此时的光子波长λ 称为 K 系的吸收限光电效应：当入射光量子的能量等于或略大于吸收原子某壳层电子的结合能，此光电子就很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层溢出，成为自由电子，称为光电子，原子则处于相应的激发态，这种原子被入射辐射电离的现象即为光电效应。

（解释吸收系数突变）荧光辐射：由入射X射线所激发出来的特征X射线称为荧光辐射（荧光X射线，二次X射线）俄歇效应：原子中一个K层电被入射光电子击出后，L层的一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不足以辐射X光电子的方式放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样的一个K层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的L层电子称为俄歇电子。

滤波片：利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成，用以吸收不需要的辐射而得到基本单色的光源。

相干散射（经典散射）：当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。

原子散射因素取决于原子中电子分布密度以及散射波的波长和方向。

不相干散射：当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。

第二章 X射线衍射方向单位晶胞选取原则：a.晶胞应最能反应点阵的对称性；b.基本矢量长度a、b、c相等的数目最多，三个方向的夹角尽可能为直角；c.单位体积最小注意p22页的晶面间距公式前提条件。

布拉格方程：2dsinθ=nλ电子散射线干涉的总结果被称为衍射波的干涉：振动方向相同，波长相同，相位差恒定反射级数n，干涉面指数（HKL），掠射角θ（0-90°），衍射角2θ应用：电子探针晶体衍射花样：单晶：规则排列的衍射斑点多晶：一个个对应不同面族的同心圆、同心圆形的衍射环、一系列衍射弧段、一系列衍射谱线非晶：只含有一个或两个非常弥散的衍射环X射线衍射方法：劳埃法、周转晶体法、粉末法、聚焦照相法，可用电离计数器测定X射线衍射第三章 X射线衍射强度晶体是原子三维的周期性堆砌，而X射线衍射则是以电子对波的散射和干涉作为基础消光问题（必考）：由于衍射线的相互干涉，某些方向的强度将会加强，而某些方向的强度将会减弱至消失，这种规律习惯称为消光。

简单点阵、体心点阵和面心点阵衍射线的系统消光规律：a.简单点阵不存在系统消光；b.体心点阵衍射线的系统消光规律是 (h+k+l)偶数时出现反射， (h+k+l)奇数时消光；c.面心点阵衍射线的系统消光规律是h,k,l 全奇或全偶出现反射，h,k,l 有奇有偶时消光。

结构因数：表征了单胞的衍射强度，反应了单胞中原子种类、原子数目及原子位置对（HKL）晶面衍射方向上衍射强度的影响。

结构因数只与原子种类及单胞中的位置有关，而不受单胞的形状和大小的影响。

面心点阵只有指数为全奇或全偶的晶面才能产生衍射对于衍射线的积分强度曲线累积强度：每个衍射圆锥是数目巨大的微晶体反射X射线形成，底片上的衍射线是相当长的时间曝光后得到的，所得的衍射强度为累积强度。

衍射积分强度：分布曲线所围成的面积称为衍射积分强度多重性因数：我们称某种晶面的等同晶面数为影响衍射强度的多重性因数P，与晶面对称性和晶面指数有关吸收因数：为修正试样本身对X射线的吸收导致衍射强度的实测值与计算值不符这一影响，引入吸收因数，吸收因数与试样的形状、大小、形成以及衍射角有关。

温度因数：原子热振动使晶体点阵原子排列的周期性受到破坏，使得原来严格满足布拉格条件的相干散射产生附加的相差，从而使衍射强度减弱，为修正温度带来的影响，引入温度因数。

晶体原子的热运动减弱了布拉格方向上的衍射强度，却增加了非布拉格方向上的散射强度，其结果造成衍射花样背底加重，随θ角增大趋向严重。

第四章多晶体分析方法德拜-谢乐法：粉末样品，需用玛瑙研钵研细，粒度在微米数量级，做好的粉末样其直径为0.2-1mm，长10-15mm。

立方系物质德拜相的计算;a.对各弧对标号 b.测量有效周长G0 c.测量并计算弧对的间距 d.计算θ e.计算d f.估计各线条的相对强度值I/I1g.查卡片 h.标注衍射线指数（标化） i.计算点阵参数。

其他照相法对称聚焦照相法、背射平板照相法、晶体单色器X射线衍射仪组成;X射线发生器、测角仪（仪器的中心）、辐射探测器、测角仪、辐射探测器、记录单元或自动控制单元等试样：粒度为几微米-几十微米。

粒度不能太大也不能太小，因为太大时没有统计性，部分不出峰，太小时衍射峰宽化计数器：计数管有玻璃外壳，内充惰性气体；计数器的主要功能是将X射线的能量转换成电脉冲信号；计数率计的功能是把脉冲高度分析器传来的脉冲信号转换为与单位时间脉冲数成正比的直流电压值输出衍射强度的测量：连续扫描（用于物相定性分析）、步近扫描（用于精确测量衍射峰的积分强度、位置或提供线形分析所需要的数据）、衍射强度公式（衍射仪采用平板试样，在任何位置时，入射角与反射角均相等）实验参数的选择：狭缝宽度（增加狭缝宽度可使衍射线强度增高，但却导致分辨率下降）、扫描速度（提高扫描速度，可节约时间，但导致强度和分辨率下降，使衍射峰的位置向扫描方向偏移并使衍射峰不对称宽化）、时间常数（增大时间常数可使衍射峰轮廓及背底变得不平滑，但同时将降低强度和分辨率，并使衍射峰向扫描方向偏移，造成峰的不对称宽化）过低的扫描速度导致测试时间延长，过小的时间常数使背底波动加剧，从而使弱线难以识别。

第五章物相分析及点阵参数精确测定X射线衍射定性物相分析原理：衍射方向和强度由布拉格方程和晶体结构决定。

每一个物相对应唯一的X射线衍射谱。

通过测量材料的X射线衍射谱，可以唯一的确定材料的物相。

鉴定物相的标志：某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及强度，是该种物质的特征。

单相材料的鉴定实验步骤如下：1. 样品的制备，2. X射线衍射谱的采集，3. 数据处理（解谱），4. PDF标准卡片的对照。

物相定性分析的依据：各相的衍射线的强度随该相含量的增加而提高。

内标法（用于粉末物）缺点：首先是绘制定标曲线时需配置多个复合样品，工作量大，且有时纯样品很难提取；其次是要求加入样品中的标准物数量恒定，所绘制的定标曲线又随实验条件而变化。

直接对比法：钢中残余奥氏体含量测定，既适用于粉末，又适用于块状多晶试样点阵参数测定误差：相机的半径误差，底片的伸缩误差，试样的偏心误差以及试样的吸收误差（衍射仪测量时还有仪器调整误差）非晶态物质（短程有序、长程无序）：主要包含氧化玻璃、金属玻璃、非晶半导体、非晶催化剂、非晶超导体、非晶聚合物和非晶陶瓷。

它们具有优异的力学、电学、磁学、声学、光学及化学性质。

非晶态在热力学上属于一种亚稳态，其自由能比相应的结晶态要高，发生晶化之前的细微结构变化称为结构弛豫。

第六章（不考）第七章（不考）第八章电子光学基础分辨率：指成像物体（试样）上能分辨出来的两个物点间的最小距离（λ为照明光源波长），光学显微镜极限分辨率为200nm。

透射电子显微镜中用磁场来使电子聚焦成像的装置是电磁透镜。

电磁透镜的像差和分辨率分辨率由衍射效应和球面像差来决定，目前分分辨率达0.1nm，如日本的0.18nm几何像差（球差和像散）：透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的色差：电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的球差（球面像差）：由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。