材料分析测试方法复习摘要

材料分析测试方法复习摘要前言：材料现代分析测试方法：光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析。第一章：X射线的物理学基础X射线衍射学：根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与结构和结构变化相关的各种问题。X射线光谱学：根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物质发出的X射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。产生X射线的条件：1，以某种方式得到一定量的自由电子；2，在高真空中，在高压电场作用下迫使这些电子作定向高速运动；3，在电子运动路径上设障碍物，以急剧改变电子的运动速度。连续X射线谱：由波长连续变化的X射线构成，和白光相似，是多种波长的混合体。/由于极大数量的电子衍射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。特征X射线谱：由有一定波长的若干X射线叠加在连续X射线谱上构成，和单色的可见光相似，具有一定波长。/当管电压等于或高于20KV时，则连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们就是特征X射线谱。莫塞莱定律：（物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数的关系）√𝟏𝛌=K（Z-𝛔）式中：K和σ是常数。该定律是X射线光谱分析的基本依据，是X射线光谱学的重要公式。根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是合种元素。相干散射：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。不相干散射：散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。（X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X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。）光电效应：物质在光子作用下放出电子的物理过程。俄歇效应：K层的一个空位被L层的两个空位所替代的现象。X射线滤波片的选择规则：Z靶40时，Z滤=Z靶-1；Z靶40时，Z滤=Z靶-2。阳极靶材料的选择规则：Z靶≤Z样-1；或Z靶Z样。多元元素样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。第二章：X射线衍射原理X射线能揭示衍射晶体的结构特征取决于：A）X射线的衍射束方向反应晶胞的形状大小；B）X射线的衍射束强度反映了晶胞中的原子位置与种类。布拉格方程（相邻晶面间的衍射线干涉加强的条件）：2dsinθ=nλ式中,n为整数。物理意义：sinθ=λ/2d≤1故有d≥λ/2即只有晶面间距大于λ/2的晶面才能产生衍射。当相邻两束衍射波的光程差为波长的整数倍时，干涉加强。X射线衍射强度的影响因素：晶体结构；原子散射因子f；结构振幅；多重性因素（多重性因子P）；吸收因素；温度因素（温度因子）。第三章：多晶体X射线衍射分析方法X射线衍射方法按成像原理：劳厄法；周转晶体法；粉末多晶法。按记录方法：照相法；衍射仪法。底片的安装方法：正装法；反装法；偏装法。德拜法的样品制备：A)脆性材料→用碾压或研钵研磨获取；→粉末经过筛→退火去应力处理→试样塑性材料（金属，合金）→用锉刀锉出碎屑粉末。B)金属丝样品尽可能减少应力和避免形成织构，用腐蚀方法使之达到要求试样尺寸∅（0.4~0.8）×（5~10）圆柱样品所采用的方法：（1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝黏结粉末。为获得足够多粉末，可多次涂胶水和捻动黏结粉末。（2）采用石英毛细管、玻璃毛细管来制备试样。将粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。（3）用胶水将粉末调成糊状注入毛细管中，从一端挤出2mm~3mm长作为试样。X衍射仪法样品制备：试样可以使金属、非金属的块状、片状或各种粉末。对于块状、片状试样可以用胶黏剂将其固定在试样框架上，并保持一个平面与框架平面平行。粉末试样用胶黏剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框架平面一致。试样对晶粒大小（1um~5um）、试样厚度、择优取向、应力状态和试样表面平整度等都有一定要求。第四章:X射线衍射方法的应用X射线衍射揭示的是晶体材料的晶胞大小、类型和原子种类与原子排列的规律，所以X射线衍射方法可以用来分析研究晶体材料的结构特征，从而进行材料的物相分析、测定单晶的取向以及多晶体材料取向变化产生的织构，可以通过衍射分析来精确测定晶格常数，可以通过测定材料中原子排列及镜面间距的变化来表征材料中应力状态。德拜照相法的系统误差来源：相机半径误差；底片伸缩误差；试样偏心误差；试样吸收误差。→采用精密实验最大限度地消除误差。为了消除试样吸收的影响，粉末试样做成直径∅0.2mm;为了消除试样偏心误差，采用精密加工的相机，并在低倍显微镜下精确调整位置；为了使衍射线条更加锋锐，精确控制试样粉末的粒度和处于无应力状态；为了消除相机半径不准和底片伸缩，采用偏装法安装底片；为了消除温度的影响，将实验温度控制在±0.1℃。衍射仪精确测定点阵常数，衍射线的𝛉角系统误差来源：未能精确调整仪器；计数器转动与试样转动比（2:1）驱动失调；θ角0°位置误差；试样放置误差；试样表面与衍射仪轴不重合；平板试样误差，因为平面不能替代聚焦圆曲面；透射误差；入射X射线轴向发散度误差；仪器刻度误差等。→衍射仪精确测定点阵常数，工作前必须进行仔细的测量仪调整。可以通过在正2θ角范围内对衍射线进行顺时针及逆时针扫描测量，取平均值作为衍射线位置，减小测角仪转动精度的影响。相对于入射线作正2θ和负2θ方向的扫描测量，可以减小仪器的零位误差。对仪器的角度指示可以采用标样校正。试样制备中晶粒大小、应力状态、样品厚度、表面形状等必须满足要求。直线外推法，柯恩法等数据处理方法也可用来消除误差。X射线物相定性分析原理：X射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较晶体衍射花样来进行分析的。对于晶体物质来说，各种物相都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X射线衍射花样也就各不相同，所以通过比较X射线衍射花样可以区分出不同的物相。当多种物相同时衍射时，其衍射花样也是各种物相自身衍射花样的机械叠加。它们互不干扰，相互独立，逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。物相定性分析方法用数字索引进行物相鉴定的步骤：（1）根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值d1,d2和d3（并估算它们的误差）。（2）根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属的组，在根据d2和d3找到其中的一行。（3）比较此行中的3条线，看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所载的这种物质。（4）根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡片。（5）将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对比，如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。物相定量分析方法：外标法；内标法；直接比较法。X射线残余应力测定原理：是根据衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表面微小区域的应力。在整个工作范围或相当大的范围内达到平衡的残余应力，称宏观残余应力或第一类应力，对应地在工件的宏观尺寸上也存在着应变。在一个或几个晶粒范围内平衡的残余应力，称微观应力或第二类应力。在一个晶粒内上百个或几千个原子之间达到平衡的残余应力，称点阵静畸变应力或第三类应力。第五章：透射电子显微镜结构透镜分辨率：通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应的两个物点的间距（∆r0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率（分辨本领）∆𝐫0=𝐑𝟎𝐌=𝟎.𝟔𝟏𝛌𝐧𝐬𝐢𝐧𝛂（光学透镜∆𝐫0≈𝛌𝟐）电磁透镜的像差及其对分辨率的影响：电磁透镜和光学透镜一样，除了衍射效应对分辨率的影响外，还有像差对分辨率的影响：电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。球差：因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。像散:是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。色差：是由于成像电子的能量不同而变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。景深：是指成像时，像平面不动（像聚不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。焦长：是指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。透射电子显微镜的结构：电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统。光阑的位置和作用：在透射电子显微镜中有许多固定光阑和可动光阑，作用主要是挡掉发散的电子，保证电子束的相干性和照射区域。第二聚光镜光阑作用是限制照明孔径角，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。物镜光阑（衬度光阑）：作用是挡住散射角较大的电子，使之在像平面上形成具有一定衬度的图像，另一个作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像。位置：放在物镜的后焦面上。选区光阑（场限光阑或视场光阑）：放在物镜的像平面位置（等同于放在样品上）作用是使电子束只能通过光阑限定的微区。第六章：电子衍射X射线衍射相同点:满足衍射的必要和充分条件,可借助倒易点阵和厄瓦德图解不同点:波长λ长,试样是大块粉末1.要精确满足布拉格条件2.衍射角可以很大3.衍射强度弱,暴光时间长电子衍射相同点:满足衍射的必要和充分条件,可借助倒易点阵和厄瓦德图解不同点:波长λ短,试样是薄片1.倒易点变成倒易杆2.不要精确满足布拉格条件3.衍射角很小4.衍射强度强,暴光时间短电子衍射和X射线衍射相比较的不同之处：（1）电子波的波长比X射线短的多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很小，约为10-2rad。而X射线产生衍射时，其衍射角最大可接近π2。（2）在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状。因此，增加了倒易阵点和埃瓦尔德球相交截的机会，结果使略微偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。（3）因为电子波的波长短，采用埃瓦尔德球图解时，反射球的半径很大，在衍射角θ较小的范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。（4）原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出4个数量级），故电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样的时曝光时间仅需数秒钟。电子衍射基本公式：R=λLg=Kg式中Lλ称为电子衍射的相机常数，而L称为相机长度。R是正空间的矢量，而ghkl是倒易空间的矢量，因此相机常数Lλ是一个协调正、倒空间的比例常数。单晶电子衍射花样的标定：（1）查表标定法：标定步骤→①在底片上测量约化四边形的边长R1、R2、R3及夹角，计算R2/R1及R3/R1。②用R2/R1、R3/R1及∅去查倒易点阵平面基本数据表。若与表中相应数据吻合，则可查到倒易面面指数（或晶带轴指数）uvw，A点指数h1k1l1及B点指数h2k2l2。③由Rdhkl=f0∙MI∙Mp∙λ=L’λ计算dEi,并与d值表或X射线粉末衍射卡片PDF（或ASTM）上查得的dTi对比，以核对物相。此时要求相对误差为𝛅=|𝐝𝐄𝐢−𝐝𝐓𝐢|𝐝𝐓𝐢𝟑%~𝟓%(2)d值比较法：标定步骤→①按约化四边形要求，在透射斑点附近选3个衍射斑点A,B,C。测量它们的长度Ri及夹角，并根据Rdhkl=f0∙MI∙Mp∙λ=L’λ（dEi=Lλ/Ri）计算dEi。②将dEi与卡片上或d值表中查得的dTi比较，如吻合记下相应的{hkl}i。③从{hkl}1中，任选h1k1l1作A点指数，从{hkl}2中通过试探，选择一个h2k2l2，核对夹角后，确定B点指数。由{hkl}3按自洽要求，确定C点指数。④确定晶带轴[uvw]。（3）标准花样对照法：标定步骤→①将实际观察记录到的衍射花样直接与标准花样对比。②写出斑点的指数并确定晶带轴的方向。多晶电子衍射图的标定：d值比较法；R2比值规律对比法。第七章：电子显微图像明场像：以物镜光阑套住透射斑，而挡掉所有衍射斑成像。暗场像：让光阑套住一个衍射斑，挡掉透射斑成像。振幅衬度：明、暗场操作方式下，光阑挡掉部分电子波不能在像平面参与成像，从而导致像平面上出现振幅差异。这