现代材料分析习题课..

1材料现代分析方法2基本概念题1、X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？•答：X射线的本质是一种电磁波。伦琴首先发现了X射线，劳埃揭示了X射线的本质。3基本概念题4基本概念题3、多重性因子的物理意义是什么？某立方晶系晶体，其{100}的多重性因子是多少？如该晶体转变为四方晶系，这个晶面族的多重性因子会发生什么变化？为什么？•答：等同晶面个数对衍射强度的影响因数叫做多重性因子。某立方晶系晶体，其{100}的多重性因子是6.如该晶体转变为四方晶系，则多重性因子为4.•晶面族的多重性因子会随对称性不同而改变。5基本概念题4、在一块冷轧钢板中可能存在哪几种内应力？它们的衍射谱有什么特点？•答：在一块冷轧钢板中可能存在三种内应力，–第一类内应力，物体较大范围内或许多晶粒范围内存在并保持平衡的应力，又称宏观应力，它能使衍射线发生位移；–第二类内应力，一个或少数晶粒范围内存在并保持平衡的内应力，它一般能使衍射峰宽化；–第三类内应力，若干原子范围存在并保持平衡的内应力，它能使衍射线减弱；6基本概念题5、透射电镜主要由几大系统构成？各系统之间关系如何？•答：透射电镜主要由三大系统构成，电子光学系统、成像系统、观察记录系统。其中电子光学系统是其核心，其他系统为辅助系统。7基本概念题6、透射电镜中有哪些主要光阑？分别安装在什么位置？其作用如何？•答：主要由三种光阑。–聚光镜光阑。在双聚光镜系统中，该光阑安装在第二聚光镜下方，主要起限制照明孔径角的作用；–物镜光阑。安装在物镜后焦面，主要提高像衬度，减小像差，进行暗场成像；–选区光阑。安装在物镜的像平面位置。主要对样品进行微区选定衍射分析；8基本概念题7、什么是消光距离？影响晶体消光距离的主要物性参数和外界条件是什么？•答：由于透射波和衍射波强烈的动力学相互作用结果，使其强度在晶体深度方向上发生周期性的振荡，此振荡的深度周期即为消光距离。•影响消光距离的因素主要有晶胞体积、结构因子、布拉格角、电子波长等。9基本概念题8、实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？•答：试验中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2~6的材料作靶材的X射线管。•选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉Kβ线。滤波片的材料依靶材而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。•分析以Fe为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，它们分别相应选择Fe或Mn为滤波片10基本概念题9、洛伦兹因数是表示什么对衍射强度的影响？其表达式是综合了哪几方面考虑而得出的？•答：洛伦兹因数说明了衍射的几何条件对对衍射强度的影响。•它们分别是衍射的积分强度、参加衍射的晶粒分数、单位弧长的衍射强度共三种衍射几何。11基本概念题10、电磁透镜的像差是怎样产生的？如何来消除和减少像差？•答：像差分为球差、像散、色差。•球差是电磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的。通过增大透镜的激励电流可减小球差。•像散是由于电磁透镜的周向磁场为非旋转对称引起的，可以通过引入一强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿。•色差是电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的，稳定加速电压和透镜电流可减小。12基本概念题11、分别从原理、衍射特点及应用方面比较X射线衍射和透射电镜中的电子衍射在材料结构分析中的异同点。•原理：–X射线照射晶体，电子受迫振动产生相干散射；同一原子内各电子散射波相互干涉形成了原子散射波；晶体内原子呈周期排列，因而各原子散射波间也存在固定的位相关系而产生干涉作用，在某些方向上发生相长干涉，即形成衍射13•特点：–电子波的波长比X射线短的多–电子衍射产生斑点大致分布在一个二维倒易截面内–电子衍射中略偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射–电子衍射束的强度较大，拍摄衍射花样时间短•应用：–硬X射线适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析，软X射线可用于非金属的分析。–透射电镜主要用于形貌分析和电子衍射分析（确定微区的晶体结构或晶体学性质）14基本概念题12、电子束入射固体样品表面会激发哪些信号？它们有哪些特点和用途？•主要有六种：–背散射电子：能量高；来自样品表面几百纳米深度范围；其产额随原子序数增大而增多，用作形貌分析、成分分析以及结构分析–二次电子：能量较低；来自表层5~10nm深度范围；对样品表面状态十分敏感。主要用于分析样品表面形貌，不能进行成分分析–吸收电子：与背散射电子和二次电子像的衬度互补；吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析15•信号种类（续）：–透射电子：透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定，可进行微区成分分析–特征X射线：用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域–俄歇电子：各元素的俄歇电子能量值很低；来自样品表面1~2nm范围，适合做表面分析16基本概念题13、何为波谱仪和能谱仪？比较波谱仪和能谱仪的优缺点。•波谱仪：用来检测X射线的特征波长的仪器•能谱仪：用来检测X射线特征能量的仪器•EDS优点：–能谱仪探测X射线的效率高；–能谱仪可以很快测得定性分析结果、波谱仪只能逐个测量；–结构简单、稳定性和重复性很好–能谱仪不用聚焦，因此对样品表面没有特殊要求，适合于粗糙表面的分析工作17•EDS缺点：–能谱仪分辨率低–能谱仪只能分析原子序数大于5的元素；而波谱仪可测定原子序数4-92间所有元素–能谱仪的探头必须保持在低温态，因此必须时刻用液氮冷却18基本概念题14、什么是光电效应？光电效应在材料分析中有哪些用途？•光电效应是指当用X射线轰击物质时，若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而导致其内层电子被激发，产生光电子。材料分析中应用光电效应原理研制了光电子能谱仪和荧光光谱仪，对材料物质的元素组成等进行分析。19基本概念题15、什么叫干涉面？当波长为λ的X射线在晶体上发生衍射时，相邻两个(hkl)晶面衍射线的波程差是多少？相邻两个(HKL)干涉面的波程差又是多少？•答：晶面间距为d/n，干涉指数为nh、nk、nl的假想晶面称为干涉面。•当波长为λ的X射线在晶体上发生衍射时，相邻两个(hkl)晶面衍射线的波程差是nλ，相邻两个(HKL)干涉面的波程差是λ20基本概念题16、测角仪在采集衍射图时，如果试样表面转到与入射线成30°角，则计数管与入射线所成角度为多少？能产生衍射的晶面，与试样的自由表面是何种几何关系？•答：测角仪在采集衍射图时，如果试样表面转到与入射线成30°角，则计数管与入射线束的夹角为60°。•能产生衍射的晶面，与试样的自由表面平行。21基本概念题17、宏观应力对X射线衍射花样的影响是什么？衍射仪法测定宏观应力的方法有哪些？•答：宏观应力对X射线衍射花样的影响是造成衍射线位移。•衍射仪法测定宏观应力的方法有两种，一种是0°~45°法，另一种是sin2ψ法。22基本概念题18、薄膜样品的基本要求是什么？具体工艺过程如何？双喷减薄与离子减薄各适用于制备什么样品？•基本要求：–薄膜样品的组织结构必须与大块样品相同，制备过程中，组织结构不变化；–样品相对于电子束必须有足够的透明度；–薄膜样品应有一定的强度和刚度，在制备、夹持和操作过程不会引起变形和损坏；–样品制备过程中不允许有表面氧化和腐蚀出现；23•样品制备的工艺过程：–切薄片样品–预先减薄（机械法、化学法）–最终减薄•离子减薄：–不导电的陶瓷样品–要求质量高的金属样品–不宜双喷电解的金属与合金样品•双喷电解抛光：–不易于腐蚀的裂纹端试样–非粉末冶金试样–组织中各相电解性能相差不大的材料–不易于脆断、不能清洗的试样24基本概念题19、作图说明衍衬成像原理，并说明什么是明场像、暗场像。•答：设薄膜有A、B两晶粒。B内的某(hkl)晶面严格满足Bragg条件，或B晶粒内满足“双光束条件”，则通过(hkl)衍射使入射强度I0分解为Ihkl和I0-Ihkl两部分。•A晶粒内所有晶面与Bragg角相差较大，不能产生衍射。•在物镜背焦面上的物镜光阑，将衍射束挡掉，只让透射束通过光阑孔进行成像（明场），此时，像平面上A和B晶粒的光强度或亮度不同，分别为：IA≈I0IB≈I0-Ihkl25•B晶粒相对A晶粒的像衬度为：•明场成像：只让中心透射束穿过物镜光阑形成的衍衬像称为明场像。•暗场成像：只让某一衍射束通过物镜光阑形成的衍衬像称为暗场像。0IIIIIIIhklABAB2627基本概念题20、何为晶带定理和零层倒易截面？说明同一晶带中各晶面及其倒易矢量与晶带轴之间的关系。•答：晶体中，与某一晶向[uvw]平行的所有晶面(hkl)属于同一晶带，称为[uvw]晶带，该晶向[uvw]称为此晶带的晶带轴，满足晶带定理：hu+kv+lw=0。•取某点O*为倒易原点，则该晶带所有晶面对应的倒易矢（倒易点）将处于同一倒易平面中，这个倒易平面与Z垂直。由正、倒空间的对应关系，与Z垂直的倒易面为(uvw)*，即[uvw]⊥(uvw)*。因此由同晶带的晶面构成的倒易面就可以用(uvw)*表示，且因为过原点O*，称为零层倒易截面(uvw)*28基本概念题21、试描述获取X射线衍射花样的三种基本方法及其用途？•答：获取衍射花样的三种基本方法是劳埃法、周转晶体法和粉末法。劳埃法主要用于分析晶体的对称性和进行晶体定向；周转晶体法主要用于研究晶体结构；粉末法主要用于物相分析。29基本概念题22、“一束X射线照射一个原子列（一维晶体），只有镜面反射方向上才有可能产生衍射线”，此种说法是否正确？为什么？•答：不正确。因为一束X射线照射一个原子列上，原子列上每个原子受迫都会形成新的X射线源向四周发射与入射光波长一致的新的X射线，只要符合光的干涉条件，不同点光源间发出的X射线都可产生干涉和衍射。•镜面反射，其光程差为零，是特殊情况。30基本概念题23、扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同？•答：扫描电子显微镜是以类似电视摄影显像的方式，通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信号来调制成像的显微分析技术。•其成像原理同TEM完全不同，不需要电磁透镜放大成像。31基本概念题24、为什么特征X射线的产生存在一个临界激发电压？X射线管的工作电压与其靶材的临界激发电压有什么关系？为什么？•答：要使内层电子受激发，必须给予施加大于或等于其结合能的能量，才能使其脱离轨道，从而产生特征X射线，而要施加的最低能量，即临界激发电压。•X射线管的工作电压一般是其靶材的临界激发电压的3~5倍，这时特征X射线对连续X射线比例最大，背底较低。32基本概念题25、物相定性分析的原理是什么？对食盐进行化学分析与物相定性分析，所得信息有何不同？•答：X射线物相分析的基本原理是每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构，即特定点阵类型、晶胞大小、原子的数目和原子在晶胞中的排列等。因此，从布拉格公式和强度公式，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，其特征可以用各个反射晶面的晶面间距d和反射线的强度I来表征。其中d与晶胞的形状和大小有关，I则与质点的种类与其在晶胞中的位置有关。33•这些衍射花样有两个用途：一是可以用来测定晶体的结构；二是用来测定物相。所以，任何一种结晶物质的衍射数据d和I是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。•对食盐进行化学分析和物相定性分析，前者可获得食盐化学组成，后者能获得物相组成及晶体结构。34基本概念题26、何为偏离矢量S？分别画出S0，S=0，S0时产生电子衍射的爱瓦尔德球解示意图。•偏离矢量：衍射出现偏离时，倒易杆中心至爱瓦尔德球面交截点的距离，即S。•下图分别为s0、s=0、s0三种情况下的爱瓦尔德球图。3536基本概念题27、X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？•分为三个分支：–X射线透射学-主要研究对象有人体、工件等，用它的强透射性为人体诊断伤病、用于探测工件内部的缺陷等；–X射线衍射学-根据衍射花样，在波长已知