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第一篇 材料X射线衍射分析
推测出x射线的波长和晶体中的原子间距数量级相同 劳埃提出晶体可以作为X射线的天然立体衍射光栅 弗里德里克和克尼平实验 1912年劳埃设想被初步证实
CuSO4· 5H2O晶体为光栅， 获得了第一张X射线衍射图 X 射线是波长 很短的电磁波 晶体内部结构 的周期性
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19
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现 象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成 为X射线衍射学 1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射”X射线的 概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程 1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对 应关系（莫塞来定律），这一原理应用于材料成分检测 X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结 构研究和晶体取向测定等 20
图1-2 X射线管结构示意图
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存 在最小值SWL，其强度在m处有最大值 当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限 SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL 和m保持不变 随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高， 但SWL和m保持不变
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绪
论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础 本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
不能做材料内部的组织结构和微区成分分析
9
绪
2. 化学分析
论
给出平均成分，可以达到很高的精度； 实际上，材料中的成分分布存在不均匀性， 导致微观组织结构的不均匀性， 进而造成材料微观区域性能的不均匀性， 对材料的宏观性能产生影响。
不能给出所含元素的分布
10
绪
论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
第三节 X射线与物质的相互作用
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第一节 X射线的性质
X射线是一种波长很短的电磁波 X射线的波长范围为0.01~10nm， 用于衍射分析的X射线波长为 0.05~0.25nm X射线一种横波，由交替变化的 电场和磁场组成 X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流， E = h = hc/ (1-2) 式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
材料分析方法
第3 版
主 参 主 编 编 审 哈尔滨工业大学 周 玉 漆 璿 范 雄 宋晓平 孟庆昌 饶建存 魏大庆 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
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本教材主要内容
绪 论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度
第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
t-ZrO2
Intensity
ZrSiO4
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Two Theta (degree)
图2 锆英石为主晶相的X射线谱
11
绪
四、X射线衍射与电子显微镜
论
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） 局限性： 1）不能把形貌观察与晶体结构分析同位地结合（统计信息） 2）X射线聚焦困难，分析的最小区域为毫米数量级 2. 电子显微镜（EM, Electron Microscope）
4
绪
二、显微组织结构的内容
1. 显微化学成分
3J33马氏体时效钢化学成分
合金元素 含量
Elemen t Wt% At%
论
化学分析法
(wt%) Ti 0.72 ABiblioteka 0.22 Cr 0.57 Fe 余量
Ni 17.82
Co 9.26
Mo 4.85
AlK SiK MoL
00.98 36.40 62.62
X射线是电磁波，应具有衍射现象? 两种假说 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？
探讨X射线本质的研究基础 1908 年，佩兰解决了准确测定阿伏加德罗常数。 计算晶体中一个原子或分子所占空间体积及粒子间的距离。 1911 年，爱瓦尔德—可见光通过晶体的衍射行为 1911 年，劳埃—光波通过光栅的衍射理论研究
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
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第一章 X射线物理学基础
本章主要内容 第一节 X射线的性质
第二节 X射线的产生及X射线谱
利用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨 率和高放大倍时的电子光学显微镜
1）透射电子显微镜（TEM, Transmission Electron Microscope） 2）扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope）
3）电子探针显微分析（EPMA, Electron probe Micro-Analysis12 ）
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素 I连 = K1iZU2 式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率 (1-4)
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射 线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极 (Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时 大部分能量消耗使靶发热
14
绪
扫描电镜-SEM
论
电子束在样品表面扫描激发出来代表样品表面特征的信号成像
SEM常用来观察样品表面形貌（断口形貌等） 分辨率：1nm， 放大倍数：2×105
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绪
扫描电镜-SEM
论
16
绪
电子探针-EPMA
论
聚焦得很细的电子束打在样品的微观区域， 激发出样品该区域的特征X射线， 分析其X射线的波长和强度 确定样品微观区域的化学成分(定性和定量分析)。 观察微观形貌同时对该微观区域进行化学成分同位分析
2
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章 电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微分析方法
3
绪
一、材料的组织结构与性能
1. 组织结构与性能的关系 微观组织结构
决定
论
性能
（1）不同种类的材料性质不同，
（2）同种材料经不同工艺处理后获得不同的组织，性能不同
2. 微观组织结构控制 成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素， 成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结构 进行精确表征是材料研究基本要求，也是实现性能控制前提。
绪
透射电镜-TEM
论
采用透过薄膜样品的电子束成像， 显示样品内部的组织形态和结构， 微区组织和晶体结构同时鉴定。 分辨率：10-1nm，放大倍数：106
非晶
单晶
多晶 13
绪
透射电镜-TEM
论
600 500
Si
100nm
400 300
Al
200
相分析
100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题 18
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
镍基合金中第二相（GdNi5）粒子在基体中的分布
7
绪
二、显微组织结构的内容
5. 界面 6. 位向关系 7. 夹杂物 8. 内应力
论
母相
母相
透射电镜-位向分 析
新相
8
绪
三、传统分析方法的局限性
论
1. 光学显微镜 （OM）---- 表面形态观察 分辨本领低（约200nm）、放大倍率低（约1000倍）
莫赛来定律