《材料近代分析方法》实验指导书《材料近代分析方法》组编写适用专业：焊接技术与工程材料成型及控制工程金属材料工程高分子江苏科技大学材料科学与工程学院2006年7月前言随着21世纪科学技术的飞速发展，要求材料不仅要有较好的力学性能，还要求具备特殊的物理和化学性能。

这给材料检测提出了新的任务，它不仅要精确测定材料的各种性能和组织以满足不同的需求，而且还通过材料的组织结构和成分研究，找出材料各种性能产生的机理和失效的原因，为研制开发新材料和研究构件失效机理提供便捷的手段。

为此，《材料近代分析方法》课程涵盖了焊接、成型、金属材料、无机非金属材料、高分子材料和化学等数种主要的实验研究方法，与之相配套的实验指导书提供了不同方向的实验，力求使材料科学与工程学院的学生熟悉材料研究仪器设备和实验技术，理解选择仪器设备的重要性，以及实验方法和实验数据和实验在材料研究的重要地位。

《材料近代分析方法》编写组2006年7月目录实验一X射线衍射仪的结构及物相分析 (1)实验二扫描电子显微镜的结构、微观组织及断口分析 (6)实验三电子探针仪的结构与微区成分分析 (14)实验一：X射线衍射仪的结构及物相分析实验学时：2实验类型：综合性实验要求：必修一.实验目的1.了解X射线衍射仪的构造及基本原理2.了解衍射仪法测得粉末衍射花样的基本特征，并掌握定性分析方法3.测试并鉴别一个多相粉末样品二、实验内容本实验涉及了三个知识点：1．X射线衍射仪的构造及基本原理2．X射线衍射物相定性分析的原理3．多相粉末样品的鉴别三．实验原理、方法和手段（一）X射线衍射仪的基本构造本实验使用的是日本岛津XRD-6000型X射线衍射仪。

仪器主要分为如下几部分：X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器、电脑。

主要部件如图1所示，简述如下：1．X射线管图1. X射线管示意图X射线管是由玻璃外罩将发射X射线的阴极与阳极密封在高真空(10-5~10-7mmHg)之中的管状装置。

（1）阴极：由绕成螺线形的钨丝组成，用高压电缆接负高压，并加到灯丝电流，灯丝电流发射热电子。

管壳做成U形，目的是加长阴极与阳极间放电的距离。

（2）阳极：又称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方，靶材为特定的金属材料（例如铜靶，钼靶等）。

靶安装在靶基上（多为铜质），靶基底部通冷却水管，在工作过程中不断喷水冷却，并与衍射仪的管座相接并一起接地。

操作时由高压电缆接预高压，并加以灯丝电流，管壳应经常保持干燥清洁。

2．测角仪测角仪安装在衍射仪前部，用于安置试样，各类附件及各种计数器，其相对位置如图2所示：（二）测角仪的工作原理图2. 测角仪构造示意图入射线从X射线管焦点S出发,经过入射光阑系统DS投射到试样P表面产生衍射,衍射线经过接收光阑系统RS进入计数器C。

注意：试样台H、计数器C可以分别独立地沿测角仪轴心转动，工作时试样与计数管以1：2的角速度同时扫描（θ-2θ连动）。

试样与计数管的转角度数可在测角仪圆盘上的刻度读出。

（三）X射线物相分析原理任一种结晶物质都具有特定的晶体结构。

在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样，每一种晶体物质和它的衍射花样一一对应，多相试样的衍射花样只是有它所含物质的衍射花样机械叠加而成。

为便于对比和存储，将d和I的数据组代表衍射花样。

将由试样测得的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组进行对比从而鉴定出试样中存在的物相。

四、实验组织运行要求分批组织实验，要求学生在实验前预习实验指导书，了解实验内容，实验过程中能独立完成实验指导书中的要求。

五、实验条件所用仪器设备：日本岛津XRD-6000型X射线衍射仪。

实验材料：混合粉末样品六、实验步骤1．制备试样将待测混合粉末样品用一样品盛放片盛放，将样品轻轻压紧刮平、固定，就可插到衍射仪的样品台上进行扫描测试.2．辐射的选择不管是哪种方法,其辐射的选择原则相同.根据化学成分的原则,阳极靶面材料的原子序数Z最好比被测物质的原子序数Z小1-2或相等,即Z靶<Z样+(1-2)以减少荧光辐射和降低背底。

3．探测器的选择衍射仪选用采用计数率的闪烁计数器SC-70，可以实现70万CPS的计数线性。

4．测量参数的选择测量参数的选择应该说比较繁复，它包括光阑、时间常数、扫描速度、倍率等，受很多因数制约，只能靠实验的积累。

5.衍射实验对待测样品进行衍射实验，电脑显示衍射花样。

6. 定性相分析（1）获得衍射花样，测定和计算每根衍射线的面间距对相对强度值I/I1(I1为最强线的强度)；（2）从前反射区选取强度最大的三根衍射线，并使其d值按强度递减的次序排列，又将其余线条的值按强度递减顺序列于三强线之后；（3）从Hanawalt索引中找到对应的d1（最强线的面间距）组；（4）按次强线的面间距d2找到接近的几行。

在同一组中，各行系按d2递减顺序安排；（5）检索这几行数据是否与实验值很接近。

若是则再依次查对第三、第四、第五至第八条线，并从中找出最可能的物相及其卡片号；（6）对卡片（d值与强度值），若吻合即可确定待测样品的物相；（7）找不到对应的卡片，说明衍射花样的最强线与次强线并不属于同一物相，此时需从待测花样中选取下一根线作为次强线，重复4）~6）的检索程序。

注意：不同物相的线条有可能重叠。

计算机检索实验室配备了PDF卡片库，采用该系统可检索全JCPDS-PDF 卡片。

只要将待测样品的实验衍射数据（d-I）及其误差(d d)考虑输入，也可以输入样品的元素信息以及物相隶属的子数据库类型（有机、无机、金属、矿物等），计算机按照给定的程序将之与标准的花样进行匹配、检索、淘汰、选择，最后输出结果。

七、思考题问题：如何手工检索多相粉末样品？八、实验报告要求如下：1．简述X射线衍射仪技术的原理及各主要部分的作用2．掌握物相定性分析的基本原理3．分析混合粉末样品衍射实验结果九、安全防护X射线对人体有害，应尽量防止和减少对人休的照射，特别是直接照射，本实验室X射线衍射仪安装有铅玻璃防护罩。

实验二：扫描电子显微镜的结构、微观组织及断口分析实验学时：1实验类型：演示性实验要求：必修一、实验目的1、了解扫描电子显微镜的基本结构及工作原理2、了解扫描电子显微镜的操作过程及应用3、了解金相及断口制备及特征二、实验内容本实验涉及三个知识点：1．扫描电子显微镜的基本结构及工作原理2．形貌衬度原理和质厚衬度原理3．扫描电镜在工业中的应用三、实验原理、方法和手段（一）扫描电镜的构造(a) 扫描电镜构造(b) 电子枪构造图1 扫描电镜结构示意图扫描电镜是由电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面扫描，激发样品产生各种物理信号，经过检测视频放大和信号处理，在荧光屏上获得能反映样品表面各种特征的扫描图象。

扫描电镜由下列五部分组成，如图1所示。

各部分主要作用简介如下：1.电子光学系统它由电子枪、电磁聚焦镜、光阑、样品室等部件组成。

为了获得较高的信号强度和扫描像由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

2.扫描系统扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。

它由扫描信号发射器、放大控制器等电子学线路和相应的扫描线圈所组成。

一般根据操作需要采用双偏转系统来控制电子束在样品表面作光栅扫描或角光栅扫描。

上偏转线圈装在末级聚光镜的物平面上。

当上、下偏转线圈同时起作用时，电子束在样品表面作光栅扫描，若下偏转线圈不起作用，而末级聚光镜起着第二次偏转作用，则使电子束在样品表面作角光栅扫描。

(a) 光栅扫描(b) 角光栅扫描图2. 电子束在样品表面进行的扫描方式扫描电镜的倍率放大是通过改变电子束偏转角度来实现放大倍率的调节。

因为观察用的荧光屏尺寸是一定的，所以电子束偏转角越小，在试样上扫描面积越小，其放大倍率M越大。

放大倍率一般是20～20×104倍。

3.信号检测、放大系统样品在入射电子作用下会产生各种物理信号，有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。

不同的物理信号要用不同类型的检测系统。

它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。

今主要介绍二次电子的信号检测与放大系统。

常用的检测系统为闪烁计数器，它位于样品上侧，由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。

闪烁体的作用是阻挡杂散光的干扰，又可作为高压电极加6～10KV的正高压，吸引和加速进入栅网的电子。

另外在检测器的前端栅网上加250～500V正偏压，吸引二次电子，增大检测有效立体角。

这些二次电子不断撞击闪烁体，产生可见光信号沿光导管送到光电倍增器进行放大，输出电信号可达10mA左右，再经视频放大器稍加放大后作为调制信号，最后转换为在阴极射线管荧光屏上显示的样品表面形貌扫描图像，供观察和照像记录。

通常荧光屏有两个，一个供观察用，一个供照像用；或者一个供高倍观察用，一个供低倍观察用。

4.真空系统镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1×10－2Pa，它由机械真空泵和油扩散泵来实现。

先开机械泵抽低真空，20分钟后再开扩散泵，片刻达到所需真空度之后方可开机。

在更换试样时，用阀门使样品室与镜筒部分隔开；更换灯丝时也可以将电子枪室与整个镜筒隔开，这样保持镜筒部分真空不被破坏。

试样或灯丝更换后，几分钟即可抽到高真空。

5.电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，提供扫描电镜各部分所需要的电源。

（二）扫描电镜的工作原理1. 形貌衬度——二次电子像主要介绍断口形貌观察（1）二次电子像衬度原理表面形貌衬度是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种像衬度。

因为二次电子信号主要来自样品表层5～10nm 深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，但对微区刻面相对于入射电子束的位向却十分敏感。

二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。

在扫描电镜中，若入射电子束强度p i 一定时，二次电子信号强度s i 随样品表面的法线与入射束的夹角(倾斜角)θ增大而增大。

或者说二次电子产额δ (p s i i =δ)与样品倾斜角θ的余弦成反比，即：图3. 形貌衬度原理如果样品是由图3所示那样的三个小刻面A 、B 、C 所组成，由于B A C θθθ>>，所以B A C δδδ>>，如图3(b)所示，结果在荧光屏上C 小刻面的像比A 和B 都亮，如图3(c)所示。

因此在断(a) (b) (c) θδcos 1∞=i i s口表面的尖棱、小粒子、坑穴边缘等部位会产生较多的二次电子，其图像较亮；而在沟槽、深坑及平面处产生的二次电子少，图像较暗，由此而形成明暗清晰的断口表面形貌衬度。

（2）断口试样的保护与制备a．断口保护无论是事故样品还是典型试样断口都要保持清洁，不可用手或棉花擦拭断口，更不能使两匹配断口相撞或摩擦。