材料测试方法论文

武汉理工大学材料测试方法课程论文

学院(系)：材料学院

专业班级：材研A1101班材料学研究方向：生物医用材料

学号：1049721100078

学生姓名：符新宁

任课教师：杨新亚老师

2012-6-29

X射线衍射技术在材料表征中的应用

摘要：X射线衍射技术的应用范围非常广泛，现已渗透到物理、化学、材料科学以及各种工程技术科学中，成为一种重要的分析方法，本文主要对X射线衍射的基本原理、方法、主要应用和进展进行了阐述。

关键词：X射线衍射；晶粒大小；结晶度；应力；点阵参数

The Application of X-ray Diffraction in Material Analysis Abstract: X-ray diffraction has been widely used in physics, chemistry, material science and kinds of science of engineering technology etc. And it has been an important means of microstructure analysis. In this work, the fundamental theory, primary applications and the latest development of X-ray diffraction were introduced. Key words: X-ray diffraction; grain size; crystallizability; stress; lattice parameter

0 引言

任何物质均由原子、离子或分子所组成。晶体有别于非晶物质，它的内部所含原子、离子或分子具有严格的三维有规则的周期性排列[1]。从晶体中取出一个基本单元，称之为晶胞。晶体的周期性结构使晶体能对X射线、中子流、电子流等产生衍射效应，形成X射线衍射法、中子流衍射法和电子衍射法，其中X 射线衍射是最有效的、应用最广泛的手段，而且X射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法。

目前X射线衍射（包括散射）已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。主要应用[2,3]有以下方面：物相分析（分定性分析和定量分析）；精密测定点阵参数（常用于相图的固态溶解度曲线的测定）；取向分析（包括测定单晶取向和多晶的结构）；晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定；宏观应力的测定；对晶体结构不完整性的研究（包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置、短程有序、原子偏聚等方面的研究）；合金相变（包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系）；结构分析；液态金属和非晶态金属；特殊状态下的分析（在高温、低温和瞬时的动态分析）；此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小；X射线形貌用于研究近完整晶体中的缺陷，如位错线等也得到了重视。

1 X射线晶体衍射原理与理论依据

1.1 X射线衍射原理

1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强的X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，这就是X射线衍射的基本原理[4]。

1.2 理论依据[5]

设有一束波长为λ的单色X射线入射到面间距为d hkl的晶面组（如图1所示），晶面组与入射线和反射线的夹角为θ（θ等于衍射光线和入射光线夹角的一半），相邻的晶面（如图1中的晶面1与晶面2），反射的X射线的光程差为MB + BN ，由于OB垂直于晶面组，所以等于晶面间距d hkl，OM 垂直于入射线，因此，∠MOB 等于入射角θ，MB= BN=OBsinθ=d hklθ。所以，光程差MB + BN=2d hklθ。发生衍射的必要条件是光程差是波长的整数倍，由此推得著名的布拉格(Bragg)衍射方程式

2d hkl sinθ=nλ⑴式⑴中n为正整数，衍射级数n = 1，2，3 ……时，分别称为一级、二级、三级……衍射。只有在满足布拉格衍射方程式的条件时，才能发生衍射。因此，晶体反射X射线是一种“选择反射”。

晶体X射线衍射实验的成功，一方面揭示了X射线的本质，说明它和普通光波一样，都是一种电磁波，只是它的波长较短而已；另一方面证实了晶体构造的点阵理论，解决了自然科学中的两个重大课题，更重要的是劳厄、布拉格等人的发现打开了进入物质微观世界的大门，提供了直接分析晶体微观结构的锐利武器，开辟了晶体结构X射线分析的新领域，奠定了X射线衍射学的基础。

2 X射线衍射方法

研究晶体材料，X射线衍射方法非常有效，而对于液体和非晶态固体，这种方法也能提供许多基本的重要数据。所以X射线衍射法被认为是研究固体最有效的工具。在各种衍射实验方法中，基本方法有单晶衍射法、双晶衍射法和多晶衍射法[6]。

2.1 单晶衍射法

单晶X射线衍射分析的基本方法包含劳埃法与周转晶体法。

2.1.1 劳埃法

劳埃法[7]以光源发出连续X射线照射置于样品台上静止的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线。劳厄法主要用于确定晶体取向，确定晶体的对称以及利用劳厄斑点内部精细结构研究晶体亚结构。

2.1.2周转晶体法

周转晶体法以单色X射线照射转动的单晶样品，用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线，在底片上形成分立的衍射斑。这样的衍射花样容易准确测定晶体的衍射方向和衍射强度，适用于未知晶体的结构分析。周转晶体法很容易分析对称性较低的晶体（如正交、单斜、三斜等晶系晶体）结构[8]，但应用较少。

2.2 双晶衍射法[9]

在分析过程中，通常应用Kα1作为双晶衍射的射线源，双晶衍射仪的构造如图2。根据布拉格公式可知，当一束X射线照射到一个晶体A（也叫参考晶体）表面时，只要符合条件的某一波长的X射线能够在很小的角度范围内被反射。便