北京化工大学材料研究方法期末复习资料

一、名词解释:

X射线的标识谱：当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值U k时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶材有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征。

空间点阵：晶体是由原子在三维空间中规则排列而成的。在研究晶体结构时，一般只抽象出其重复规律。这种抽象的图形即为空间点阵。

残余应力：指产生应力的各种因素不复存在时，由于形变和体积变化不均匀而存留在物体内部并自身保持平衡的应力。

分辨本领：是指成像物体(试样)上能分辨出来的两个物点间的最小距离。

热分析法：利用热效应来研究材料的转变和反应等。

电磁透镜：用磁场来使电子波聚焦成像的装置。

膨胀分析：根据试样长度的变化来研究材料内部组织的变化规律的方法。

连续X射线谱：X射线强度随波长连续变化的谱线。

宏观应力：在物体宏观体积内存在并平衡的内应力。

透射电子显微镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辩本领、高放大倍数的电子光学仪器。

磁性分析：根据材料磁参量（磁化率、磁导率、矫顽力、居里点、饱和磁化强度等）的变化，来研究材料组织结构、成分与相变化等进行分析的技术。

电阻分析：根据材料电阻的变化来研究材料组织结构、成分与相变化等进行分析的方法。

X射线：是一种波长很短的电磁波，其波长处于紫外线与γ射线之间；具有波粒二相性。

晶体：是由原子在三维空间中规则排列而成的。

景深：透镜物平面允许的轴向偏差。

衍射花样：把倒易阵点的图像进行空间转换并在正空间中记录下来。用底片记录下来的图像称作为衍射花样。

热效应：物资在加热时吸收热量，冷却时放出热量，而有转变和反应发生时，则加热时会吸收额外的热量，冷却时放出额外的热量，即产生热效应。

热膨胀：物体在加热或冷却时，其体积发生热膨胀冷缩的现象。

电阻：材料中的自由电子在运动中产生电子波，而电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。

铁磁性物质：使磁场急剧增加的物质。

特征X射线谱：当入射波增大到与阳极靶相适应的强度时，会在连续谱上出现一系列强度高、范围窄的线状谱线，这些谱线都是与特定的物质有严格恒定的关系，因此称为特征X射线谱。

布拉格方程式：散射线发生相干衍射，也可以称为晶面反射所必需满足的条件。方程式为2dsinθ= nλ.其中d为晶面间距，θ为入射线或反射线与晶面的夹角，λ为入射线波长，n为衍射级数。

结构因数：结构因数是表征单细胞对衍射强度的影响，只与原子的种类，在晶胞中的位置有关，而与晶胞大小和形状无关。

电子衍射操作方法：将倒易点阵转化成正空间点阵，并记录下来的操作方法

消光距离：在物体深度方向由于衍射线与透镜线动力学相互作用，产生沿深度方

向的强烈的电子波振荡，电子波振荡的周期叫消光距离

差热分析法：在仪器控温下，测量样品温度随温度或时间变化，从而研究物质的结构、组成等性质变化的方法。

电阻分析：通过测量样品电阻变化，来获得物体组结和结构变化规律的一种方法。

三、简答题:

1.简述用X射线衍射分析进行物相鉴定的原理与步骤。

原理：X射线衍射分析是以晶体结构为基础的。每种结晶物质都有其特点的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原子的数目及其位置等，而这些参数在X射线衍射花样中均有反映。物质的衍射花样是唯一的，某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及其强度，是该物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。步骤：用X射线衍射分析仪获得待测样品的衍射信息，即对应各衍射峰的d、I 数字，并按面间距递减的d系列及对应的I/I1排列，然后按照如下程序进行鉴定：1）从前反射区（2θ＜90℃）中选取强度最大的三根衍射线，并使其d值按照强度递减的次序排列，又将其余线条之值按照强度递减的次序列于三强线之后。2）从Hanawalt索引中找到对应的d1（最强线的面间距）组。

3）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。

4）检查这几行数据其d1是否与实验值很接近。得到肯定之后再依次查对第三强线、第四、第五直至第八强线，并从中找出最可能的物相及其卡片号。

5）从档案中抽出卡片，将实验所得d及I/I1与卡片上的数据详细对照，如果对应得很好，物相鉴定即告完成。

6）如果待测数列中第三个d值在索引各行均找不到对应，说明该衍射花样的最强线与次强线并不属于同一物相，必须从待测花样中选取下一根线作为次强线，并重复3）～5）的检索程序。

7）当找出第一物相之后，可将其线条剔出，并将残余线条的强度归一化，再按照程序1）～5）检索其它物相，直至所有物相均被检出为止。

2.试比较非晶态物质与结晶系物质结构主要特征及其用X射线衍射谱峰异同

点。

在结构上，非晶态物质最主要的特征为短程有序、长程无序；而晶态物质最主要的特征是长、短程都有序。非晶态的短程有序只是在最近邻关系上与晶态类似，而在次近邻关系上就有明显的差别。与晶体结构不同，非晶态物质不存在结构周期性，不存在晶态结构中的点阵、点阵参数等概念。

在衍射图上：非晶态物质的衍射图由少数漫散的峰组成；而晶态物质的衍射图则由许多尖锐峰组成。

3.试比较透射电子显微镜与扫描电子显微镜像原理的异同点？

相同点：均是利用电子束与固体样品作用时产生的信号，并按电子光学成像原理来对样品进行分析的。

不同点：透射电子显微镜是靠电磁透镜放大成像的，而描电子显微镜成像原理以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。另外透射电子显微镜是一种高放大倍数的光学显微镜，而扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大，描电子显微镜可以用来进行显微断口分析。

4. 为什么用X 衍射法可以测量材料内应力？

内应力是指产生应力的各种因素不复存在时，由于形变和体积的变化不均匀而存在物体内部并自身保持平衡的应力。X 射线衍射法通过测量弹性应变求得应力值，对理想的多晶体（晶粒细小均匀、无择优取向），在无应力状态下，不同方位的同族晶面的面间距是相等的，而受到一定的宏观应力时，不同晶粒的同族晶面的面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化。由布拉格方程2dsin θ=n λ可知，利用X 射线衍射花样可以求出晶面间距d ，从可测量材料内应力的φ及其变化。

5. 试举一例说明热分析在材料研究中的应用。

物资在加热吸收热量和冷却时放出热量，而有转变和反应发生时，则加热时会吸收额外的热量，冷却时放出额外的热量，而产生热效应。通过测量热效应就可以研究材料的转变和反应等。

例如用密度梯度法测量尼龙6的结晶度，再用DTA 或DSC 方法测定其熵值。熔融热对结晶度作图为直线，然后便可以求出高聚物的结晶度。

6. 用能带论的观点解释导体、半导体和绝缘体导电行为的区别。

能带理论认为由于晶体中电子能级间的间隔小，所以能级的分布可以看成是准连续谱，或称能带，并认为金属中有离子点阵所造成的、是呈周期变化的势场存在。在能带理论中能隙所对应的能带称禁带，电子可以共存的能级所组成的能带称允带，允带中未被电子添满的能级称为导带。如果允带中的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下，电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，有这种能带结构的就是导体。允带中所有能级被电子填满时，则称为满带，若一个满带上面的能带完全是空的称为空带，在外电场的作用下电子很难跳过禁带，有这种能带结构的就是绝缘体。半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不象绝缘体那末困难，而满带中的电子受热运动的影响，能被激发跳过禁带而进入上面的空带，在外电场的作用下，空带中的电子便产生电流。因而具有这种能带结构的就是半导体。

四、论述题（每题10分，共20分）

1.结构因素公式为：

2

1212)(2sin )(2cos ??????+++??????++=∑∑n j j j j n j j j j HKL LZ KY HX f LZ KY HX f F ππ (1) 请说明式中每一项参数的意义。

(2) 利用上式分析单质元素的体心立方点阵的消光规律。（体心点阵原子坐标为 （0，0，0）和（1/2，1/2，1/2））。

(1) HKL F 为结构振幅，是一个以电子散射能力为单位的，反映单胞散射能力参量。

2

HKL F 为结构因素，表征了单胞的衍射强度，反映了单胞中原子种类、原子数目及原子位置对()HKL 晶面衍射方向上衍射强度的影响。

f 为原子散射因素

H 、K 、L 为单胞的基本平移矢量。

X j 、Y j 、Z j 为原子的坐标。

（2）根据题中所给条件，假设所有原子散射因素均为f ，则有：

[]222

22)(cos 1)222(2sin )0(2sin )222(2cos )0(2cos L K H f L K H f f L K H f f F HKL +++=?????

?++++??????+++=πππππa ）当奇数=++L K H 时，0)11(222＝-=f F HKL ，即该种晶面的散射强度为零，该晶面的衍射线不出现，发生消光现象。

b ）当偶数=++L K H 时，2222411f f F HKL ＝）＋（=，即体心点阵只有指数和为偶数的晶面可产生衍射，没有消光产生。

2.X 射线连续谱上的短波限与X 射线吸收谱上的吸收限有何不同？请简述其各自的产生机理。

在X 射线管两极间加以电压U ，并维持一定的管电流I ，可以得到X 射线强度与波长的关系曲线，在此关系曲线上，X 射线波长以一最小值λswl 向长波方向伸展，强度在λm ，处有一最大值，这种强度随波长连续变化的谱线称为连续X 射线谱。其中λswl 称为该管电压下的短波限。在管电压U 作用下，电子达到阳极靶材时的动能为e v ，若一个电子在与阳极靶材相碰撞时，把全部的能量给予一个光子，这就是一个光量子所可能获得的最大能量，而h νmax=e v ，此光量子的波长即为短波限λswl ，但是绝大多数到达阳极靶面的电子经过多次碰撞消耗其能量，每次碰撞所产生一个光量子，故其能量均小于短波限所对应的能量，而得到波长大于λswl 的不同波长的辐射构成连续谱。

当强度为I 0的X 射线照射到厚度为t 的试样后，由于与物质的相互作用而被吸收，物质的原子序数越大，对X 射线的吸收能力越强；对于一定的吸收体，X 射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降。但随波长的降低，吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限，每种物质都有他本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收的吸收系数曲线称为物质的吸收谱。此时所对应的入射波长即为吸收限。

五、拓展题（10分）

钢铁材料在大气环境中生锈是一种常见的破坏现象，通常情况下在其上面有腐蚀产物的形成，为了对钢铁材料上腐蚀产物的形成机制作出合理的解释，必须最大限度的获得与此相关的信息。因此请你根据在“材料科学研究方法”课程中所学到的知识和方法，简要叙述获取信息的方法、途径和内容。

为了弄清钢铁材料的腐蚀机理，首先必须获得腐蚀产物的组成与成分、结构与形貌等信息；其次，还要对基体材料的成分、组织与结构进行分析；最后，还要研究腐蚀产物层与基体界面相互作用的情况。为此，可以采用进行下列分析方法与

手段，得到所需信息：

①用X射线衍射方法，分析产物和基体材料的相成分与含量。

①而描电子显微镜，分析腐蚀产物的形貌和基体的显微结构，以及产物层和基

体界面的作用情况。

②用XPS分析腐蚀产物中离子价态以及分布。

1.简述AFM进行材料表面形貌分析的原理。

AFM的原理接近指针轮廓仪，但采用STM技术。指针轮廓仪利用针尖，通过杠杆或弹性元件把针尖轻轻压在待测表面上，使针尖在待测表面上作光栅扫描，或针尖固定，表面相对针尖作相应移动，针尖随表面的凹凸作起伏运动，用光学或电学方法测量起伏位移随位置的变化，于是得到表面三维轮廓图，即材料表面形貌。

4.材料热容的根源是什么？

固体的热熔来源于受热点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功。其机理可以用固体热容理论来解释，固体热容理论的发展从经典热容理论经爱因斯坦的量子热容理论到较为完善的德拜量子热容理论。

5.试比较非晶态物质与晶态物质的X射线衍射谱峰和电子衍射花样的异同点。

在结构上，非晶态物质最主要的特征为短程有序、长程无序；而晶态物质最主要的特征是长、短程都有序。非晶态的短程有序只是在最近邻关系上与晶态类似，而在次近邻关系上就有明显的差别。与晶体结构不同，非晶态物质不存在结构周期性，不存在晶态结构中的点阵、点阵参数等概念。

在X射线衍射谱峰上：对于非晶态物质的衍射图由少数漫散的峰组成；而晶态物质的衍射图则由许多尖锐峰组成。

在电子衍射花样上：对于非晶态物质来说，电子衍射花样只有一个漫散的中心斑点。而对晶体来说，多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆，单晶体衍射花样由排列得十分整齐的许多斑点所组成。

2.电子束与固体作用会产生哪些主要信息？分别可以用于什么分析方法中？

背散射电子：是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。来自于样品表层几百纳米的深度范围，由于它的产额随样品原子序数增大而增大，所以不仅能用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数村度，定性地用作成分分析。

二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的核外电子叫做二次电子。它是从表层5～10nm深度范围发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此能非常有效显示样品的表面形貌。由于产额少，不能进行成分分析。

吸收电子：吸收电子的强度正好与二次电子的强度相反，业余二次电子一样，可以用于样品的形貌和成分分析。

投射电子：一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。它可以用于扫描透射操作方式时的形貌分析和微区成分分析。

特征X射线：在X射线探测器测得了样品微区中存在某一特征波长，就可以判断这个微区中存在着相应的元素。

俄歇电子：俄歇电子的平均自由程很小，只有在距离表面1nm左右范围内（即几个原子层厚度）逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特别适用做表面成分分析。

1.简述STM进行材料表面形貌分析的原理。

答：STM的原子指针探头距物体的表面有一定的距离，当这个距离小的一定范围时，就会产生隧道电流，I∝exp（-2kd）。STM就是根据隧道电流效应。在指

针与被测物体间接一个分析器。根据探头在物体表面扫描时由于d的变化而导致I的变化，再通过分析器反应出表面的形貌。一般有恒电流模式和恒电压模式两种方法，多采用恒电流模式。

2.简述扫描电子显微镜中二次电子成像原理。

答：当分析物体表面平整时，二次电子可逸出表面的概率就比较小。随表面的倾斜度增加，二次电子逸出的概率逐渐增大，但要处于一定深度范围内否则二次电子难以逸出，根据衍射衬度原理，二次电子逸出的份额大，则成像时背底就亮，故由此原理分析表面形貌，表面平整部位二次电子份额小，背底较暗；表面有凸起部分二次电子的份额大，背底就亮，这样根据背底亮暗的衬度反映了物体表面的形貌。

3.电子束与固体作用会产生哪些主要信息？

答：电子束与固体作用时产生有：背散射电子，二次电子，俄歇电子，透射电子，吸收电子，特征X射线。

4.材料电阻的根源是什么？

答：电子束在传播过程中受点阵离子的散射后干涉形成电阻，即缺陷与杂质原子造成的点阵畸变，受热后造成的点阵畸变对电子束波的散射后干涉形成电阻。5.给出所学教材中可以用于材料表面形貌分析的方法。

答：可用于表面形貌分析的方法：STM，SEM，AFM，TEM等。

四、论述题（每题10分，共20分）

1.为什么用X衍射法可以测量材料组织结构？

答：每种材料都具有自己独特的组织结构特点，这些特点都可以在X射线图象上有所反映，且是唯一的，故可以通过X射线衍射测量材料的组织结构，要发生X射线的晶体要满足一定的警惕位向学关系，须满足布拉格方程，2dsinθ=n λ。根据衍射角度的变化测量出d的关系，进一步分析可得到所分析物的点阵结构。根据X衍射图，确定θ与d的值，再从2θ∠90度的区域选出“三强线”（根据Hanawalt手册选出d1），再选出几个接近的d2，看是否与刚才选的d1符合在根据d1与I/I1 进行比较，如此几项均符合，则选中所需的卡片上有所测物质的各种信息。故X衍射法可以测量材料组织的形貌根本原因就是不同物质的电阵结构不同且是唯一的，布拉格方程是它的晶体学基础。

1.试比较透射电子显微镜的明场像和暗场像的成象异同点。

相同点：都是用透磁电镜采用衍衬成像原理进行成像显微分析的。

不同点：明场成像时是电子透射束通过物镜光阑而把衍射线束挡掉得到的图像。但是暗场成像正相反，是将透射束挡掉而得到的图像。

2.为什么电子显微镜特别适用于获得试样的断口形貌？

扫描电子显微镜的成象原理是采用二次电子成像原理，断口表面不同位置处所产生的二次电子额度不一样，因而产生电子衬度对比，而显示断口形貌的。

3.试比较分析物质结构时X射线衍射与电子衍射的异同点

相同点：都能用来分析物质的结构和相组成；都遵守布拉格衍射定律。

不同点：1）衍射角度：电子衍射的衍射角度比X射线衍射角度要小得多；衍射结果的记录：电子衍射的记录是衍射花样，而X射线衍射则记录普图。

5.本课程中的那些方法可以用来区别金属材料中的马氏体和奥氏体组织？

主要有：XRD、电子衍射分析、扫描电子显微分析、磁性分析、膨胀分析等

1.为什么用X射线衍射分析可以获得物质的相结构？

X射线衍射分析是以晶体结构为基础。每种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原子（离子或分子）的数目及其位置等等，而这些参数在X射线衍射花样中均有所反映。尽管物质的种类有千千万万，但是确没有两种衍射花样完全相同的物质。某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及强度，是该物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。

2.试比较扫描电子显微镜和扫描隧道显微镜分析物质形貌时的异同点。

相同点：均是利用电子束与固体样品作用时产生的信号，并按电子光学成像原理来对样品进行分析的。

不同点：透射电子显微镜是靠电磁透镜放大成像的，而描电子显微镜成像原理以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。另外透射电子显微镜是一种高放大倍数的光学显微镜，而扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大，描电子显微镜可以用来进行显微断口分析。

1.试比较透射电子显微镜的成像操作和衍射操作的异同点。

答：不同点：成像操作是物镜的相与中间镜的物平面重合，得到放大的样品图像。衍射操作是物镜的背焦面与中间镜物平面重合，得到衍射图样。相同点：都是用聚焦电子束穿透膜样品，在荧光屏成像。

2.电子探针和电子显微镜都能进行元素分析，请比较它们在分析元素时的异同点。

答：不同点：电子探针是通过分析来自样品的特征X射线来分析样品元素的成分和含量。扫描电子显微镜是通过采集来自样品的背散射电子，采用村度原理来分析样品元素的成分和含量。相同点：都是用电子束轰击样品，前面部分装置相同，因此可以结合使用，都可以进行样品元素及其含量分析。

3.比较扫描隧道显微镜的两种工作模式的异同点。

答：不同点：恒电流法是保持电流不变，通过反馈调节使探针随表面起伏发生高度变化，从而获得材料表面形貌。恒高度法是保持高度不变，通过控制系统内电流、电压变化而获得表面形貌变化。相同点：都可以较精确地获得材料表面形貌的图像原理相同，都是利用量子隧道效应。

4.如何从大块固体材料上制备适合透射电子显微镜分析用的试样？

答：⑴取样:用切削等方法从大块固体材料上取0.3~0.5mm的片状试样。⑵预减

薄：用化学法或机械发对片状试样预减薄。⑶最终减薄：用双喷抛光或离子减薄（不导电物体）对试样进行最终减薄，达到所需厚度。一般500nm以下。

5.试从水滴图形来解释和比较俄歇能谱、扫描电镜、XRD、电子探针等仪器的分辨率大小。

答：电子束进入试样表面后，在其内部在一个水滴范围内活动（对轻元素）俄歇电子能谱和扫描电镜分别是检测俄歇电子和二次电子。它进入试样表面层次浅、能量低。只相当于在水滴径部圆筒部位，活动范围小，因此分辨率高。而背散射电子进入较深，横向扩展大，因此分辨率低。X射线和透射电子进入水滴范围更大，因此分辨率最低。

1.从布拉格定律出发，解释X射线衍射与电子衍射进行物质结构分析的基本原理和主要特点。

答：布拉格定律是发生晶面反射和散射线发生相干衍射的必要条件。2dsinθ= n λ。X射线衍射基本原理是X射线进入物体使符合布拉格定律的散射线相干衍射；电子衍射是电子束进入物体使符合布拉格定律的电子相干衍射。

主要特点：①电子衍射比X射线衍射分辨率高，电子波短。②电子衍射需要薄片试样，据爱尔瓦德图，倒易点在样品厚度方向形成杆状物，增大了与反射球交界，使稍微偏离布拉格定律的点也能发生衍射。③电子波长短，反射球半径大，衍射角很小时可看作平面倒易截面，便于分析。④电子衍射强度高，形成图样所需曝光时间比较短。

2.给出所学教材中可以用于材料表面形貌分析的方法及其相应原理。

答：①透射电子显微镜（TEM）用电子束轰击式样，通过成像操作，对试样的表面形貌分析。②扫描电子显微镜（SEM）用电子束轰击试样表面，接收其产生的二次电子，因二次电子来自试样内部深度浅，根据接收二次电子数量、强度可以判断表面形貌变化。③扫描隧道显微镜（STM）利用隧道效应来分析试样表面形貌，分辨率高，可以观察到原子。④原子力显微镜(AFM) 利用原子对探针的作用力，分析试样表面形貌，对不导电陶瓷适用。⑤光学显微镜利用光学成像系统进行表面形貌分析的。