第8章 X射线衍射实验方法

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测角仪是X射线的核心组成部分 试样台位于测角仪中心,试样台的中心
轴ON与测角仪的中心轴(垂直图面)O垂 直。 试样台既可以绕测角仪中心轴转动,又 可以绕自身中心轴转动。
1. 测角仪构造
光路布置:SG位于同 一圆周上
测角仪台面:G位置 可由可读盘读取
测量动作:θ-2θ联 动
衍射仪的衍射几何
对样品粉末粒度的要求
细 颗 粒: <0.01 中等颗粒: 0.01<<0.1 粗 颗 粒: 0.1<<1 十 分 粗: >1 当晶粒尺寸小于1000埃时,衍射仪就可察 觉衍射线的宽化
X射线衍射分析的应用
点阵常数的确定: 根据布拉格方程,测量衍射角度,根据X射线波 长,计算出各个晶面间的距离,从而确定晶体 的点阵常数。 材料密度的测定 根据X射线测试结果,计算出晶胞结构,结合晶 面间距与原子量,计算出材料的密度。
X射线定性分析
PDF衍射卡片
X射线定量分析
实验样品中某物质的多少直接影响其对 应的衍射强度,根据某物质的衍射强度,可 以定量估算样品中该物质的含量。 内标法:在样品中掺入一定量的标准物 质,其他物质的衍射线与标准物质衍射线相 比较,计算该物质的含量。 外标法:实验样品中不掺入其他物质, 测试结果与欲测定的物质的纯样品测试结果 比较进行计算。 K值法:查取所测物质与标准物质的衍射 强度比值进行计算。
晶面取向度的测定
衍射分析当中,如果晶体在空间随机分 布,衍射强度的比值为理论值,如果晶体排 列有一定规律,则在测试中某一晶面的衍射 强度变大或变小,计算测试结果中各衍射峰 的强度与PDF卡片中该物质对应的衍射线相 度强度,得到折合的衍射线强度,如果折合 的强度相同,则无取向度,反之,有一定取 向。
参数按上式直接计算出马氏体含碳量。通常,钢中含碳量低时仅
仅表现出衍射线的宽化,只有当含碳量高于0.6形时,原铁素体 的衍射线才明显地分裂为两条或三条线。
在淬火高碳钢中有时出现奥氏体相,它是碳在g—铁中的过饱
和固溶体。奥氏体的点阵参数a与含碳量。呈直线性关系: a=ag+0.033x
式中ag=0.3573nm。求出a即可求得奥氏体含碳量重量百分数
薄膜厚度的测量
在已知薄膜吸收系数的情况下,在相同 条件下测量基体材料与有薄膜情况下的吸收 情况,从而推断薄膜的厚度。
4.5、点阵常数精确测定
点阵常数是晶体的重要基本参数,随化学 组分和外界条件(T,P)而变。材料研究中, 它涉及的问题有:键合能、密度、热膨胀、 固溶体类型、固溶度、固态相变,宏观应 力。点阵常数的变化量很小,约为10-3 nm ,必须精确测定。
衍射峰半高宽的确定
1.仪器宽化校正 采用校正物质:颗粒粒度在500目~300目之间, 晶粒内无应力,一般选用粒径24~44微米α- SiO2作为标准物质,测量后的衍射峰半高宽b 为仪器宽化。 1.如果曲线符合柯西型曲线,β=B-b 如果曲线符合高斯型曲线,β=(B2-b2)1/2 一般情况下,曲线符合高斯型曲线。
3.1 固溶体的类型与组分测量
固溶体分间隙式和置换式两类,根据固溶 体的点阵参数随溶质原于的浓度变化规律可 以判断溶质原子在固溶体点阵中的位置,从 而确定因溶体的类型。许多元素如氢、氧、 氮、碳、硼等的原子尺寸较小,它们在溶解 于作为溶剂的金属中时,将使基体的点阵参 数增大。
例如,碳在g铁中使面心立方点阵参数数增大;又如,碳 在a铁中的过饱和固溶体中使点阵增加了四方度。 有许多 元素,当它们溶解于作为溶剂的金属中时,将置换溶剂原 子,并占据基体点阵的位置。对立方晶系的基体,点阵参 数将增大或减小,通常取决于溶质原子和溶剂原子大小的 比例。若前者大则点阵参数增大,反之则减小。对非立方 晶系的基体,点阵参数可能一个增大,一个减小。据此规 律,可以初步判断固溶体的类型。若用物理方法测定了固 溶体的密度,又精确测定了它的点阵参数,则可以计算出 单胞中的原子数,再将此数与溶剂组元单脑的原于数比较 即可决定固溶体类型。
二、x射线探测器的工作原理
1、正比计数器
2、闪烁计数器
4.4衍射仪的测量方法
连续扫描测量法
这种测量方法是将计数器连接到计数率仪上, 计数器由2θ接近0°处开始向2 θ角增大的方向 扫描。
阶梯扫描测量法
计数器间隔一段时间移动一次
多晶X射线衍射仪实验技术
仪器条件的准备 X射线光源条件 X射线掠出角大小的确定
3.2 钢中马氏体和奥氏体的含碳量
马氏体的点阵参数a和c与含碳量呈直线性关系:
a=aa - 0.015x c=aa + 0.016x 式中, aa= 2866nm为纯a铁的点阵参数;x为马氏体中合碳重
量百分数。因此可以事先计算出对应不同含碳量的点阵参数c/a
以及各晶面的面问距,将实验测得的数值与计算值对比即可确定 马氏体的含碳量与马氏体的四方度c/a或者由精确测定的点阵
对于大多数固溶体,其点阵参数随溶质原子的浓度呈近 似线性关系,即服从费伽(Vegard)定律:
ax a A x= 100% aB a A
式中,aA和aB分别表示固溶体组元A和B的点陈参数。因此, 测得含量为x的B原子的因溶体的点阵参数工ax,用上式即求 得固溶体的组分。 实验表明,固溶体中点阵参数随溶质原子的浓度变化有不 少呈非线性关系,在此情况下应先测得点阵参数与溶质原子 浓度的关系曲线。 实际应用中,将精确测得的点阵参数与 已知数据比较即可求得固溶体的组分。
3.3 外延层和表面膜厚度的测定
在衍射仪法中试样的偏心是要尽力避免的.但是,我们也可
利用它来测量外延层或表面膜的厚度.外延层或表面膜的存在
位材底位置偏离了测角台中心轴一个距离,其值等于外延层厚
度.
R s= ( 2 ) 2 cos
( 2 )
当我们精确地测出了有外延层与无外延层的衬底某—高角衍
2.1
原理
2 2 2 a= H K L 2 sin
d a = ctg (= ) d a
二、德拜-谢乐法
二、德拜谢乐法误差来源 1. 相机半径误差
3. 试样偏心误差
衍射谱
B 40000 35000 30000 25000 20000
CPS
15000 10000 5000 0 -5000 46 48 50 52 54 56 58 60
o
62
64
66
68
70
72
2 ( )
2.5 数据处理
(1)、外推法
图解外推,解析外推 a~f()(cos2, ctg2, cos ctg)
Sin2 a=a0 + a= a0 + b f() (2)、Cohen最小二乘法(不会因人而异,误差减到最小) (3)、衍射线对法(双波双线法,单波双线法)
位于试样不同部位MNO, 处平行于试样表面的(hkl)晶 面可以把各自的反射线会聚 到F点 沿测角仪圆移动的计数器只 能逐个地对衍射线进行测量。
衍射仪应使试样与计数器转 动的角速度保持1:2的速度比
测角仪的光路布置
测角仪要求与
X射线管的线 焦斑联接使用, 线焦斑的长边 与测角仪中心 轴平行。 采用狭缝光阑 和梭拉光阑组 成的联合光阑。
第四章 多晶体分析方 法
--各种扫描模式与 应用
4.2 粉末照相法
一、德拜法及德拜相机
X射线衍射线的空间分布及德拜法 成像原理
纯铝多晶体德拜像 确定θ角后由
wk.baidu.com2dSin =
推算产生衍射线的反射面的晶面间距 和衍射面
德拜相机外形
相机是由一个带有 盖子的不透光的金属 筒形外壳、试样架、 光阑和承光管等部分 组成。
固溶体类型的研究
固溶体分为 填隙式:是指溶质的原子只充填于溶剂晶格原 子间的空隙中间而形成的固溶体,种类不多 置换式:多数是过渡元素原子空隙间包含C、B、 N和H原子等生成的间隙物相。 缺位式。是指溶质的原子代替了部分溶剂晶格 中的相应原子并占有其配位位置而形成的固溶 体。
晶体尺寸的测定
晶粒尺寸的大小影响衍射峰的宽窄或面 积,根据衍射峰的宽窄可以计算出晶粒的尺 寸。适用范围1~100nm。 采用谢乐公式:L=K· λ/( βCOS θ ) K-谢乐系数,用半高峰宽时,K=0.89 用积分面积时,K=1 λ-K α入射波长 θ-掠射角 β-衍射峰半高宽
1.X射线发生器; 2.衍射测角仪;
3.辐射探测器;
4.测量电路; 5.控制操作和运行软件的电子计算机系
统。
制造衍射仪需要解决问题 I. X射线接受装置
II.
相同晶面(hkl)聚焦
高分辨衍射仪 (D8-Discovre型,Bruker公司1999年产品)
1. 测角仪构造
对背射区
θ角用角度表示
衍射花样的指标化
要知道被测物质的晶体结构,需标定每条衍 射线的晶面指数 以立方晶系为例
把全部干涉指数按h2+k2+l2由小到大排序, 并考虑系统消光
只要算出各衍射线条的(sinθ)2,就 确定了晶体结构类型
通过德拜法我们可以得到哪些信息?
三、相机分辨本领
4.3 X射线衍射仪
X射线波长的选择:以使用NaI(Tl) 检测器为
例,因为碘的K吸收限能量为28.5KeV,的 能量约为8KeV,故使用Cu靶而检测器前 没有单色器时,能量在36.5KeV附近的连 续光谱的衍射线被碘大部分吸收后,其能 量衰减为8KeV左右,于是可以和一样能通 过脉冲幅度分析器而被测量,生成逃逸峰。 强的峰的前面常常能观察到逃逸峰。为了 避免逃逸峰的产生,X射线管的工作电压应 低于 (28.5+8) KeV,即最高电压以不超过 36KV为宜
对于点阵参数精确测量方法的研究,人们总是 希望熊获得尽可能高的精确度和准确度。 然而, 从实际应用出发则未必都是如此。高精度测量要求 从实验、测蜂位和数据处理的每一步骤都仔细认真, 这只有花费大量的劳动代价才能取得;对于无需追 求尽可能高的精度时则测量的步骤可作某些简化。 甚至,有时实际试样在高角度衍射线强度很弱或者 衍射线条很少,此时只能对低角衍射线进行测量与 分析。总而言之,在实际应用中应当根据实际情况 和分折目的,选择合适的方法,既不能随意简化处 理;也不许盲目追求高精度。
结晶度的测定
根据样品中晶体含量大,衍射峰较强的 特点,比较峰值的大小,来判断结晶程度。 1.欣克利法
一般选取110和111晶面进行对比,根据 (A+B)/At大小来判断结晶度
2.定量分析法
选取一个结晶度尽可能高的样品作为 标准物质,认为结晶度指数100%,再选择 一个结晶度尽可能低的样品,认为结晶度 指数0%,对待测样品的衍射峰强度进行对 比。
测角仪的校正 (“对零”) 第一步:放好测角仪 第二步:用萤光屏“对光 第三步:样品台对零 (即校零) 和校零
样品的制备
需把样品研磨成适合衍射实验用的粉末;
然后,把样品粉末制成有一个十分平整 平面的试片。整个过程以及之后安装试 片、记录衍射谱图的整个过程,都不允 许样品的组成及其物理化学性质有所变 化。确保采样的代表性和样品成分的可 靠性,衍射数据才有意义。
晶体残余应力的测定
晶体在受到外部应力或者内部应力时晶面 间距会有相应变化。 晶体所受应力可以分为:宏观应力引起的 的晶体间应力,析晶、晶型转变等引起的晶体 间应力,位错等引起的晶体内应力。 根据布拉格方程,测量衍射角度,根据X 射线波长,计算出相应的晶面间的距离,再与 该晶体在正常状态下的晶格常数进行比较,通 过计算,得出晶体在该方向上所受应力。
照相底片紧紧地附 在相机盒内壁。 德拜相机直径为 57.3mm或114.6mm。
光阑的主要作用 是限制入射线的 不平行度和固定 入射线的尺寸和 位置
承光管的作用 是监视入射线 和试样的相对 位置
二、实验方法
试样制备 底片安装
正装法
反装法
偏装法
衍射花样的测量和计算
由衍射几何
θ角用角度表示
(4)、计算机数值法
3 点阵参数精确测定的应用
固溶体类型与组分测量 钢中马氏体和奥氏体的含碳量
外延层错配度的测定
外延层和表面膜厚度的测定 相图的测定 宏观应力的测定
实际应用中点阵参数测量应当注意的问题。
我们知道,点阵参数的精确测定包括: 仔细 的实验(如制样、仪器仔细调整与实验参数选 择)、衍射线峰值位置的精确测量和数据的严 格处理(如采用最小二乘法处理等)。
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