金属X射线学1-0110920

现代材料分析技术Modernmaterialsanalysistechniques教学单位材料科学与工程学院课程名称现代材料分析技术课程编号00104808学时48学分3授课教师薛钰芝职称教授职务教师1.Themaincontent:MetalX-RayAnalysis,X-raydiffraction(XRD),MetalElectronMicroscopy,Transmissionelectronmicroscopy(TEM),Scanningelectronmicroscope(SEM)TheNondestructiveTest.1.本课程的主要内容：金属X射线学:X射线衍射，金属电子显微分析:透射电子显微镜，扫描电子显微镜无损检测技术。引言Introduction引言Introduction2.Features:Thebasiclecturetotrainingstudentstheabilities:•Analysismaterialmicron-morphology,structureandcomposition,•Newdevelopment,•Applicationofthenondestructivetest.3.Teachinglanguage:inChineseandEnglish2.特点：本课程是一门工程技术基础课。主要任务是目的是:•培养学生进行材料微观形貌、结构及成分的分析与测试的能力；•了解最新的微观结构分析技术进展。•讲授各种无损检测技术的原理、装置及应用。3.教学创新与更新：采用英语和中文双语教学。教学内容中，部分采用电子教案(PowerPoint)课件。重视实验教学环节。4.Theaimofthecourse:•TheprinciplesofXRD,TEM,SEMandotheranalysistechniques.•Howtousetheaboveinstrumentstodetect,calculate,andanalysisthestructures,morphologyandcompositionformaterials.•Introducetheprinciples,assemblies,andapplicationofthenondestructivetest.引言Introduction4.教学要求：学习X射线衍射，透射电子显微镜，扫描电子显微镜等分析测试技术的基本原理，操作方法，以及实验结果分析。学会运用以上技术的基本方法，对材料进行测试、计算和分析，得到有关微观组织结构、形貌及成分等方面的信息。学习各种无损检测技术的原理、装置、检测特点及应用。第一篇金属X射线学目录MetalX-RayAnalysisOutlineChapter1.TheBasicprincipleofX-Ray第一章X射线的物理基础Introduction引言Chapter2.ThegeometricaltheoryofX-rayandtherepresentation第二章X射线衍射方向（几何理论）Chapter4.IntensityofX-Ray第四章X射线强度Chapter3.TheAnalysisforPoly-cristals第三章多晶体分析方法Chapter5.AnalysistheMaterials’Phase第五章物相分析第一篇金属X射线学MetalX-RayAnalysisIntroduction1.HistoryofX-RayAnalysis:In1895,aGermanscientistRontganfoundXRay,whichusedinperspectiveofmedicine.ThereareX-RayTransmission,X-RayCrystalstoapplyformaterials,mechanics,geognosyandchemistry.2.MetalAnalysisisabranchofX-RayCrystals.1)Analysisofmaterialphase;2）StudyonFineconstruction;3)TropismofcrystalsOurcoursepayattentiontoAnalysisofmaterialphase引言1.金属X射线学的简单发展历史，1895年德国科学家伦琴发现X射线，首先在医学界用于透视，包括X射线透射学，X射线晶体学，应用于材料，冶金，机械，地质，化工等领域。2.金属X射线学是X射线晶体学的一个分支。研究内容为：1)物相分析；2）精细结构研究；3)晶体取向的测定。本课主要为物相分析。第一篇金属X射线学MetalX-RayAnalysis3.Featuresofthecourse:1）Thisisakindofnondestructivetest.2)Theindirectdetection，andneedthespecialknowledge.3)Thefacilityisexpensive。4.Thegoalofthecourse：StudyoninformationofthediffractionofX-Ray,themicro-phaseofmaterials,topographyandconstruction,composition.WewilllearnthefeaturesandapplicationoftechniquesofX-Ray,whichistheessentialcourseforscientistsofmaterials.3.金属X射线学分析的优缺点：1）属于无损检测，用试样量少，准确度较高；2）间接测试方法；3）需要一定的专门知识；4)设备较为昂贵。4.课程学习的重要性以及学习的目的：学习X射线衍射，有关微观物相，组织结构、成分等方面的信息。学习各种X射线衍射方法特点及应用。是材料科学工作者的必修课程。Outline目录Chapter1.TheBasicprincipleofX-Ray第一章X射线的物理基础Introduction引言Chapter2.ThegeometricaltheoryofX-rayandtherepresentation第二章X射线衍射方向（几何理论）Chapter4.IntensityofX-Ray第四章X射线强度Chapter3.TheAnalysisforPoly-cristals第三章多晶体分析方法Chapter5.AnalysistheMaterials’Phase第五章物相分析Chapter1.TheBasicprincipleofX-Ray第一章X射线的物理基础1-1TheessenceofX-ray1）X-rayisakindofelectricandmagneticwaveandtransversewave,whichelectricvectorisverticaltothedirectionoftransmit.Thewavelengthλ＝0.001nm-10nm(10-10~10-6cm),andthespeedequaltotheLightvelocity(v=c).2)X-rayhasduplicateofwaveandparticles:Energy:ε=hν=hc/λ,Momentum:p=h/λ3)X-rayisEnergeticwave.TheintensityhastheunitofJcm-2s-1I∝A2andI∝ω.(∝:directproportion)Aistheswing,andωisprobability.1-1X射线的本质1）X射线是电磁波，波长，λ＝0.001nm-10nm(10-10-10-6cm),横波电矢量与传播方向垂直，波速等于光速，2)符合波粒二象性：ε=hν=hc/λ,p=h/λ3)X射线是载能波，强度I的单位：Jcm-2s-1I∝A2强度I与振幅的平方成正比体现波动性I∝ω强度I与光子的几率成正比体现粒子性1-2X-rayspectrum1.ContinuousX-rayspectrumMechanicstoproduceX-ray:ToughnessradiationTheshapeofspectrumlikessmallhillLimitofshortwaveλo=K/U，λoonlyrelatedwiththeacceleratevoltageofthevacuumtube.IntensityI=αiZU2Efficiencyη=αZU1-2X射线谱1.连续X射线谱（重点）产生机理：韧致辐射谱形为丘包状；特征量为短波限：λo=K/U即，λo只与真空管的加速电压有关。强度I=αiZU2效率η=αZU2.SpecialSpectrumofX-ray1)Themechanicsiselectrons’transitionradiationun-excited:Wavelengthisrelatedtotheinnerelectronenergylevels.hνn2-n1=εn2-εn1hC/λn2-n1=εn2-εn1λn2-n1=hC/(εn2-εn1)2)Theshapeofspectrumisstraightline.3)Therearedifferentlinesystems:K,L,M.WeoftenuseKα.2.特征X射线谱(重点、难点)产生机理：有辐射的去激发，内层电子跃迁,hνn2-n1=εn2-εn1λn2-n1=hC/(εn2-εn1)谱形为直线,有不同的线系：K,L,M等等。常用Kα射线3.MosaleyLaw:莫塞莱定律：现代X射线光谱学的理论基础)(1ZK)(1ZK)(1ZKWhereKandσareconstants,Zistheatomicnumber.3.莫塞莱定律：现代X射线光谱学的理论基础：不同靶材同名特征谱4.ThefineconstructionofspectrumofX-ray：ForLⅠLⅡLⅢ：λ=1/3（2λLⅠ+λLⅡ）4.X射线谱的精细结构5.IntensitynkUUAiI)(HereAisconst,Ukistheexcitationvoltage,n=1.55.强度6.Normally,Uis3~5Uk6.通常U为3~5UknkUUAiI)(1-3.X射线与物质的相互作用：TheinteractionbetweenX-rayandmaterials,andtheprotectionforX-ray.1.Coherentscattering；Incoherentscattering2.AbsorbofX-ray,Optic-electriceffect,fluorescentradiation,Augerradiation1-3.X射线与物质的相互作用：1.相干散射,非相干散射；2.X射线的真吸收，光电效应，荧光辐射，俄歇效应3TheattenuationofX-rayRule:I=Ioe–μl/ρLineabsorbcoefficientμlI=Ioexp(-μl/ρ)ρtMassabsorbcoefficient:Relationshipbetweenμl/ρandμm：μm=μl/ρMassabsorbcoefficientformultiplematerials：μm=∑（μl/ρ）iWiLawofcubeofZandλ:μm=KZ3λ33X射线的衰减规律：I=Ioe–μlt；线吸收系数μlI=Ioexp(-μl/ρ)ρt质量吸收系数μl/ρ和λ：μm=μl/ρ；复合材料的质量吸收系数：μm=∑（μl/ρ）iWi质量吸收系数的分段3次方定律：μm=KZ3λ3,存在吸收限，说明X射线荧光辐射时吸收突然加大。4ApplicationoflimitationofabsorbofX-ray（吸收限的应用）1）Togetthecompsitionoftargetfromsample’