材料分析方法 绪论
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材料测试分析技术(绪论+XRD)-05
物相定性分析：确定物质（材料）由哪些相组成 物相定量分析：确定各组成相的含量
（一）、物相定性分析 物相定性分析的基本原理
（1）任何一种物相都有其特征的衍射谱，任何 两种物相的衍射谱不可能完全相同；多相样品的 衍射峰是各物相的机械叠加。 （2）制备各种标准单相物质的衍射花样并使之 规范化（PDF卡片），将待分析物质(样品)的衍
2、X射线衍射仪法
X射线衍射仪是广泛使用的X射线衍射装臵。
近年由于衍射仪与电子计算机的结合，使从操作、 测量到数据处理已大体上实现了自动化。这使衍 射仪在各主要领域中逐渐取代了照相法。
衍射仪测量具有方便、快速、准确等优点。
Rigaku D/max-RB型 X射线衍射仪
Rigaku D/max-2500/PC型 X射线衍射仪，
2、外标法
外标法是将待测样品中j相的某一衍射线条的强
度与纯物质j相的相同衍射线条强度进行直接比较，
即可求出待测样品中j相的相对含量。
外标法适合于两相系统
设有一由两相组成的混合物：
m m） 1 m） 2 （ （ 1 2 / I1 BC1 1 1 m 1 2 1 1/1 （I1 0 BC1 ） （ m） 1
1 m） （ I1 1 （I1 0 ） 1[ m） m）] m） （ （ 1 （ 2 2
I1 1 （I1 0 ）
若两相的质量吸收系数相等，则有
外标法定量分析的具体做法
先配制一系列已知含量的α、β混合物，如含α
相20%、40%、60%和80%的混合物。测定这些混合物
品的取向，后者保证衍射线进入检测器。
§5
X射线衍射分析的应用
X射线物相分析
晶胞参数的确定
材料分析方法复习
1.UPS研究的对象是光子作用于分子时发生的单电子过程，即分子吸收一个光子后发射出一个光电子而成为阳
离子的过程。如果采用一束强的单色光做光源，这个过程可以表示为 M+h=M++e-
其中M和M+分别代表分子和相应的离子，h是入射光子，e-是发射出的光电子。 2.在冻结假设下，根据Koopman定理，从分子中电离出某个电子所需要的电离能等于这个电子所占据的分子轨
•热分析法定四大支柱 •影响热重曲线的主要因素有哪些 •DSC和DTA的主要区别 •DSC的两种类型 •利用热分析曲线推测样品的分解过程
力曲线模式（接触式力曲线，轻敲式力曲线，力分布成像），力曲线模式 的应用（可以用来揭示样品表面指定区域的弹力、粘滞力等化学和机械性质）； •影响成像测定和分辨率的因素； •扫描探针显微术家族包含哪些主要的显微术；
第四章 紫外光电子能谱(UPS)
•光电效应的轨道能级解释（一次效应、二次效应）；
•UPS的工作原理
道能量的负值， Ij=-j
其中j代表第j个占据分子轨道的能量，Ij代表电离这个能级上的电子所需要的能量，称为电离能。 3.电离前后能量守恒，故有
E(M)+h=E(M+)+Ek E(M)和E(M+)分别代表分子M和离子M+的能量，h代表入射光子的能量，Ek代表发射出的光电子所具有的动能。 整理后得到
Ek＝h-[E(M+)-E(M)]=h-Ij= h+j 在实验中，光子的能量h是固定的。因此，只要测定出光电子的动能Ek，从上式就可以计算出对应的电离能Ij （分子轨道能量j ）；反过来也是一样，知道了电离能Ij（分子轨道能量j ），也可从上式计算出对应的光 电子的动能。
测绘。
离子的过程。如果采用一束强的单色光做光源，这个过程可以表示为 M+h=M++e-
其中M和M+分别代表分子和相应的离子，h是入射光子，e-是发射出的光电子。 2.在冻结假设下，根据Koopman定理，从分子中电离出某个电子所需要的电离能等于这个电子所占据的分子轨
•热分析法定四大支柱 •影响热重曲线的主要因素有哪些 •DSC和DTA的主要区别 •DSC的两种类型 •利用热分析曲线推测样品的分解过程
力曲线模式（接触式力曲线，轻敲式力曲线，力分布成像），力曲线模式 的应用（可以用来揭示样品表面指定区域的弹力、粘滞力等化学和机械性质）； •影响成像测定和分辨率的因素； •扫描探针显微术家族包含哪些主要的显微术；
第四章 紫外光电子能谱(UPS)
•光电效应的轨道能级解释（一次效应、二次效应）；
•UPS的工作原理
道能量的负值， Ij=-j
其中j代表第j个占据分子轨道的能量，Ij代表电离这个能级上的电子所需要的能量，称为电离能。 3.电离前后能量守恒，故有
E(M)+h=E(M+)+Ek E(M)和E(M+)分别代表分子M和离子M+的能量，h代表入射光子的能量，Ek代表发射出的光电子所具有的动能。 整理后得到
Ek＝h-[E(M+)-E(M)]=h-Ij= h+j 在实验中，光子的能量h是固定的。因此，只要测定出光电子的动能Ek，从上式就可以计算出对应的电离能Ij （分子轨道能量j ）；反过来也是一样，知道了电离能Ij（分子轨道能量j ），也可从上式计算出对应的光 电子的动能。
测绘。
现代仪器分析及材料研究方法(绪论)教材
原料（Raw Materials）与材料
由原料到材料 ※原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化 学变化。 ※材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转 变过程不发生化学变化。
材料与物质(Materials and Matter)
※ 材料可由一种或多种物质组成。 ※ 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异 、类型不同的材料。
现代仪器分析及材料研究方法
第一章 绪论
任祥忠 深圳大学化学与化工学院
1
（一）材料的定义 (Definition)
材料 Materials Material：材料科学 （工科）
物质科学 （理科） •Webster编著的“New International Dictionary（1971年） ”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些 有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的 基本物质（如金属、木料、塑料、纤维、陶瓷等） •材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状 的物质。
材料科学的发展趋势
1、从简单物质到复杂物质；随着对材料功能化要求的不断提高，构成材料
的基本物质也越来越倾向于从简单物质到复杂物质。
2、从简单结构到结构控制；对于同种材料，结构上的改变可以带来许多崭新
的功能，而对简单的结构加以调控，才可能使功能得到优化。
3、从粉体材料到器件材料；相对于粉体材料而言，当材料制备成器件后会具
冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢
铸铁 —
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨<4.5g/cm2） 铝、镁、纳、钙
• 重金属 （>4.58/cm2） 铜、镍、铅、锌
• 贵金属
金、银、铂、铑
材料现代分析测试方法
材料现代分析方法深圳大学材料学院主讲:李均钦材料现代分析方法主要参考书:1. 周玉主编，材料分析方法，哈工大出版社2007年版。
2. 黄新民、解挺编，材料分析测试方法，国防工业出版社2006年版。
3. 王富耻主编材料现代分析测试方法，北京理工大学出版社2006年版。
4. 梁敬魁编，粉末衍射法测定晶体结构，科学出版社2003年版。
绪论能源人类文明的三大支柱｛｛信息材料结构材料功能材料材料：用以制造有用构件、器件或其它物品的物质结构材料: 耐高温、耐高压、高强度材料等功能材料: 磁性材料、半导体材料、超导体材料化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态为了了解所获材料的化学组成、物相组成、结构、组织形态及各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。
材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。
绪论材料现代分析测试方法的含义：广义：技术路线、实验技术、数据分析狭义：测试组成和结构的仪器方法如：X射线衍射分析电子显微分析表面分析热分析光谱分析（光谱和色谱－高分子方向单独开）绪论化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态本课程主要介绍研究材料化学组成、物相组成、结构、组织形态的现代分析方法。
本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。
它所获取的所有信息都基于材料的结构。
绪论本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。
它所获取的所有信息都基于材料的结构。
绪论本课程的内容主要有：2、透射电子显微镜（TEM）（transition electron microscope）电子束透过薄膜样品，用于观察样品的形态，通过电子衍射测定材料的结构，从而确定材料的物相。
分辨率：0.34nm● 加速电压：75kV－200kV；放大倍数：25万倍● 能谱仪：EDAX －9100；扫描附件：S7010 透射电镜绪论本课程的内容主要有：3）扫描电子显微镜（SEM）电子束在样品表面扫描，用于观察样品的形貌（具有立体感）；通过电子束激发样品的特征X射线获取样品的成分信息。
材料科学分析技术(材料科学研究与测试方法-绪论)
25
X射线的物理基础
（3）X射线的吸收
dIx ＝ Ix+dx－Ix
dIx I x dx I x ＝ Ix Ix
＝ -l· dx
X光减弱规律的图示
l为线吸收系数（cm-1)，与入射X射线束的波长
及被照射物质的元素组成和状态有关。
26
X射线的物理基础
X射线与物质的作用
X射线通过整个物质厚度的衰减规律：
6
performance
Tetrahedron
synthesis-processing
properties
composition-structure
7
Hexahedron
8
结构决定性能是自然界永恒的规律
“相” (phase)
在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分 成分和结构完全相同的部分才称为同一个相
11
检测分析
信号发生
分析仪器
信号发生器
分析过程
产生分析信号
信号检测 信号处理
信号读出
检测器 信号处理器
读出装置
测量信号 放大、运算、 比较 记录、显示
12
检测信号与材料的特征关系
1.2 衍射分析方法概述
衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。
13
定义:光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏 离直线传播，并且在屏幕上形成明暗相间的条 纹分布的现象。 光的衍射不易发生的原因： （1）无线电波：波长几百米，天涯若比邻 （2）声波，波长几十米，未见其人先闻其声
I/I0 = exp(-l • d)
式中I/I0称为X射线透射系数， I/I0 ＜1。 I/I0愈小,表示X射线被衰减的程度愈大。
X射线的物理基础
（3）X射线的吸收
dIx ＝ Ix+dx－Ix
dIx I x dx I x ＝ Ix Ix
＝ -l· dx
X光减弱规律的图示
l为线吸收系数（cm-1)，与入射X射线束的波长
及被照射物质的元素组成和状态有关。
26
X射线的物理基础
X射线与物质的作用
X射线通过整个物质厚度的衰减规律：
6
performance
Tetrahedron
synthesis-processing
properties
composition-structure
7
Hexahedron
8
结构决定性能是自然界永恒的规律
“相” (phase)
在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分 成分和结构完全相同的部分才称为同一个相
11
检测分析
信号发生
分析仪器
信号发生器
分析过程
产生分析信号
信号检测 信号处理
信号读出
检测器 信号处理器
读出装置
测量信号 放大、运算、 比较 记录、显示
12
检测信号与材料的特征关系
1.2 衍射分析方法概述
衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。
13
定义:光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏 离直线传播，并且在屏幕上形成明暗相间的条 纹分布的现象。 光的衍射不易发生的原因： （1）无线电波：波长几百米，天涯若比邻 （2）声波，波长几十米，未见其人先闻其声
I/I0 = exp(-l • d)
式中I/I0称为X射线透射系数， I/I0 ＜1。 I/I0愈小,表示X射线被衰减的程度愈大。
材料研究方法 第1章 绪论
一、材料结构层次
按设备的分辨率划分 宏观结构 显微结构 亚微观结构 微观结构
以人眼的分辨率为界 以光学显微镜的分辨率为界
以扫描电子显微镜的分辨率为界
材料结构层次划分及所用设备
结构层次 宏观结构 显微结构 亚微观结构 物体尺寸 > 100 m 0.2-100 m 10-200 nm 研究对象 观测设备
材料研究方法
主讲人：于美燕
课程性质
本课程是一门实验方法课。
光学显微分析、 X 射线衍射分析、电子显 微分析、热分析、光谱分析、核磁共振分 析和质谱分析是现代材料研究的常用方法， 是材料工作者的眼睛，对材料进行宏观上 的性能测试和微观上的成分、结构、组织 的表征。
教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性 What：掌握材料结构、性能的测试方法 How：了解影响材料测试、分析结果的仪 器因素
料、信息、能源誉为现代文明的三大支柱，
同时把信息技术、生物技术和新型材料作为
新技术革命的重要标志。
材料科学的任务
使用、研究和制造材料
材料是人类文明的物质基础，每一种新 材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学 技术的发展，标志着人类文明的进步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料等。 按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材 料、生物医用材料等。
课程要求
掌握基本原理
了解常用的实验方法，能设计具体课题的 检测方案，并制备样品
能分析各种照片和图谱，看懂文献中的相 关内容
主要参考书
本课程以王培铭等主编的《材料研究方法》为基 本教材，其它可参考下列教材：
按设备的分辨率划分 宏观结构 显微结构 亚微观结构 微观结构
以人眼的分辨率为界 以光学显微镜的分辨率为界
以扫描电子显微镜的分辨率为界
材料结构层次划分及所用设备
结构层次 宏观结构 显微结构 亚微观结构 物体尺寸 > 100 m 0.2-100 m 10-200 nm 研究对象 观测设备
材料研究方法
主讲人：于美燕
课程性质
本课程是一门实验方法课。
光学显微分析、 X 射线衍射分析、电子显 微分析、热分析、光谱分析、核磁共振分 析和质谱分析是现代材料研究的常用方法， 是材料工作者的眼睛，对材料进行宏观上 的性能测试和微观上的成分、结构、组织 的表征。
教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性 What：掌握材料结构、性能的测试方法 How：了解影响材料测试、分析结果的仪 器因素
料、信息、能源誉为现代文明的三大支柱，
同时把信息技术、生物技术和新型材料作为
新技术革命的重要标志。
材料科学的任务
使用、研究和制造材料
材料是人类文明的物质基础，每一种新 材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学 技术的发展，标志着人类文明的进步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料等。 按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材 料、生物医用材料等。
课程要求
掌握基本原理
了解常用的实验方法，能设计具体课题的 检测方案，并制备样品
能分析各种照片和图谱，看懂文献中的相 关内容
主要参考书
本课程以王培铭等主编的《材料研究方法》为基 本教材，其它可参考下列教材：
第1章绪论材料分析方法哈工大
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
绪论
2. 化学分析
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。
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
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
28
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 29
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
绪论
2. 化学分析
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。
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
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
28
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 29
“材料分析技术”绪论课教学实践改革
绪论课 在整个课 程教学中有着举足轻重 的地位 ， 绪论 课讲
授的成 败直接 关 系到学生 对本 门课 是否产生学 习兴 趣 和强烈
的求知欲 。 作为材料学 科 的核心专业课 程 ， 如果 仅从测 试角度
考虑 ，“ 材料分析技术 ” 课程 具有技术性 ， 但要从材料分析 以及 测试原理 考虑 ， 其又具有很深 的学术性 ， 因此 ， 该课 程同时具有
技术性和学术性的特点 。 Ⅲ 同时该课程 术语 概念多， 相关 知识面
且前后章节相互 独立， 缺少严谨 的系统性 。 学生在学习的过 程中， 不容易抓住重点 ， 学习难 度较大 。 良好 的开端是成 功的一
含量招标８ ０ 倍， 引起河鱼死亡， 技术人 员是如何测定河水中的重 金属离子成分及其含量的？ 某企业订购一批不锈钢材料， 使用不 久发 生断裂， 为查明事故原因， 客户要求分析其 断口的微 观组织 形 貌， 同时无损分析其成分， 采用何种分析方法？钛铝 合金 经成 分 分析知其 由Ｔ ｉ 元 素与Ａｌ 元 素组成 ， 但合 金 中元素 的结合 态是
怎样 的？如何知道它是 以Ｔ ｉ Ａ １ 、 Ｔ ｉ ３ Ａ１ 、 Ｔ ｉ Ａ１ ３ 中的哪种形式 存在
半， 针对 如何上好绪论 课 ， 激发学生学好该课程 的兴趣与信心 ， 笔者结合多年来的教学实践谈 几点体会 。
一
、
根据专业培养特色及市场需求。 精心组织课程知识点
我校 金属材料工程专业 的特色是 金属材料 的设 计、 材料 检 测与分析。 该专业在培养方 向要求学生主要 学习材料科学 与工 程的基础理论 ， 掌握金属材料及其复合材料的成分 、 组织结构 、 生 产工艺 、 环境 与性 能之 间关 系 的基 本规律 、 材料检 测与分析
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2021/3/7
五、显微组织结构与成分的 现代分析测试方法介绍
• 1、X射线衍射
• X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分 析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷(位错等 )、不同结构相的含量及内应力的方法。 • 是最常用的物相定性分析方法！
• 根据X射线与晶体样品产生衍射后的X射线信号的 特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数。
2021/3/7
• 材料的整体的成分分析也不能满足材料研究的需要！ • 元素在钢中的分布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀
的。 • 由于微区成分的不均匀性造成了微观组织结构的不均匀性
，以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均匀性对材 料的宏观性能有重要的影响作用。
• 例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区形成硬脆的片 状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏 体。片状马氏体在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐 扩展而造成断裂。
• 必须具备两个基础条件： • ①认识了材料的组织结构与性能之间的关系； • ②认识了显微组织结构形成的条件与过程机理。 • 例如：在加工齿轮时，预先将钢材进行退火处理，使其硬
度降低，以满足容易车、铣等加工工艺性能要求；加工好 后再进行渗碳淬火处理，使其强度、硬度提高，以满足耐 磨损等使用性能要求。
入射信号
（X射线、电子、离子、可见光）
反射信息
（X射线、电子、 可见光）
样品
吸收信息
（电子）
透射信息
（X射线、电子、可见光）
样品特征物理信息示意图
2021/3/7
2、材料分析方法的分类
• 按用途分为三类： • 组织形貌分析； • 物相分析；
• 成分和价键分析。
• (1) 组织形貌分析： • 借助各种显微技术，认识材料的微观结构。 • 表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、电子
材料分析方法 绪论
绪论
一、材料的组织结构与性能 二、显微组织结构的内容 三、材料分析方法的基本原理和分类 四、显微组织结构与成分的传统分析测试方法 五、显微组织结构与成分的现代分析测试方法 六、本课程内容及要求
2021/3/7
• 材料科学与工程? • 是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性
能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应 用。
• 材料科学与工程对生产、使用和发展材料具有指 导意义。
2021/3/7
• 材料科学与工程的四个基本要素： • • 材料的成分和结构、 • 制造工艺、 • 性能、 • 使用性能。
2021/3/7
一、材料的组织结构与性能
• 1、组织结构与性能的关系 • 结构决定性能。 • 即材料的性能(包括力学性能与物理性能)是由其
2021/3/7
• 2、化学分析
• 分析材料平均化学成分的常规方法：湿化学法和光谱 分析法等。
• 优缺点： • 采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均
成分(所含每种元素的平均含量)，并可以达到很高的精度 ，但不能给出所含元素分布情况(如偏析，同一元素在不 同相中的含量不同等)。 • 光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。
内部的微观组织结构所决定的。不同种类材料固 然具有不同的性能，即使是同一种材料经不同工 艺处理后得到不同的组织结构时，则具有不同的 性能。 • （结构是理解和控制性能的中心环节！）
2021/3/7
2、微观组织结构控制
• 通过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其 形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。
显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)的发展过 程。
2021/3/7
• （2）物相分析
• 物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶 胞常数，确定物质的相结构。
• 原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材 料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得 材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结 构。
• 缺点： • ① 分辨率低(约200nm)和放大倍率低(约103倍)。
只能观察到100nm尺寸级别的组织结构，而对于更小 的组织形态与单元(如位错，原子排列等)则无能为力 。
• ② 只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织 结构，更不能对所观察的显微组织进行同位微区 成分分析。
• 目前,光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要!
• 主要的物相分析手段有三种：x射线衍射(XRD)、 电子衍射及中子衍射。
2021/3/7
• （3）成分和价键分析 • 原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息
。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间 跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。
• 按照出射信号的不同 ，成分分析手段可以 分为两类：x光谱和电 子能谱，出射信号分 别是x射线和电子。
2021/3/7
二、显微组织结构的内容
• 材料的显微组织结构所涉及的内容大致如下： • ①显微化学成分(不同相的成分，基体与析出相的成分，
偏析等)；• ③晶粒大小与形态(等轴晶、柱状晶、枝晶等)； • ④相的成分、结构、形态、含量及分布(球、片、棒、沿
2021/3/7
1、材料分析方法的理论依据
• 除了个别研究手段(如扫描 探针显微镜)以外，基本上
是利用入射电磁波或物质波 (x射线、电子束、可见光等 )与材料作用，产生携带样
品信息的各种出射电磁波或 物质波(x射线、电子束、可 见光等)，探测这些出射的
信号，进行分析处理，即可
获得材料的组织、结构、成 分、价键等信息。
晶界聚集或均匀分布等)； • ⑤界面(表面、相界与晶界)； • ⑥位向关系(惯习面、孪生面、新相与母相)； • ⑦夹杂物； • ⑧内应力(喷丸表面，焊缝热影响区等)。
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三、材料分析方法的理论依据和分类 • 材料分析方法？ • 是关于材料成分、结构、微观形貌与
缺陷等的现代分析、测试技术及其有 关理论基础的科学。
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四、显微组织结构与成分的 传统分析测试方法
1、光学显微镜
• 优点： • ① 是最常用的也是最简单的观察材料显微组织的
工具。 • ② 能直观地反映材料样品的微观组织形态(如晶粒
大小，珠光体还是马氏体，焊接热影响区的组织 形态，铸造组织的晶粒形态等)。
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五、显微组织结构与成分的 现代分析测试方法介绍
• 1、X射线衍射
• X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分 析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷(位错等 )、不同结构相的含量及内应力的方法。 • 是最常用的物相定性分析方法！
• 根据X射线与晶体样品产生衍射后的X射线信号的 特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数。
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• 材料的整体的成分分析也不能满足材料研究的需要！ • 元素在钢中的分布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀
的。 • 由于微区成分的不均匀性造成了微观组织结构的不均匀性
，以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均匀性对材 料的宏观性能有重要的影响作用。
• 例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区形成硬脆的片 状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏 体。片状马氏体在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐 扩展而造成断裂。
• 必须具备两个基础条件： • ①认识了材料的组织结构与性能之间的关系； • ②认识了显微组织结构形成的条件与过程机理。 • 例如：在加工齿轮时，预先将钢材进行退火处理，使其硬
度降低，以满足容易车、铣等加工工艺性能要求；加工好 后再进行渗碳淬火处理，使其强度、硬度提高，以满足耐 磨损等使用性能要求。
入射信号
（X射线、电子、离子、可见光）
反射信息
（X射线、电子、 可见光）
样品
吸收信息
（电子）
透射信息
（X射线、电子、可见光）
样品特征物理信息示意图
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2、材料分析方法的分类
• 按用途分为三类： • 组织形貌分析； • 物相分析；
• 成分和价键分析。
• (1) 组织形貌分析： • 借助各种显微技术，认识材料的微观结构。 • 表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、电子
材料分析方法 绪论
绪论
一、材料的组织结构与性能 二、显微组织结构的内容 三、材料分析方法的基本原理和分类 四、显微组织结构与成分的传统分析测试方法 五、显微组织结构与成分的现代分析测试方法 六、本课程内容及要求
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• 材料科学与工程? • 是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性
能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应 用。
• 材料科学与工程对生产、使用和发展材料具有指 导意义。
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• 材料科学与工程的四个基本要素： • • 材料的成分和结构、 • 制造工艺、 • 性能、 • 使用性能。
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一、材料的组织结构与性能
• 1、组织结构与性能的关系 • 结构决定性能。 • 即材料的性能(包括力学性能与物理性能)是由其
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• 2、化学分析
• 分析材料平均化学成分的常规方法：湿化学法和光谱 分析法等。
• 优缺点： • 采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均
成分(所含每种元素的平均含量)，并可以达到很高的精度 ，但不能给出所含元素分布情况(如偏析，同一元素在不 同相中的含量不同等)。 • 光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。
内部的微观组织结构所决定的。不同种类材料固 然具有不同的性能，即使是同一种材料经不同工 艺处理后得到不同的组织结构时，则具有不同的 性能。 • （结构是理解和控制性能的中心环节！）
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2、微观组织结构控制
• 通过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其 形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。
显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)的发展过 程。
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• （2）物相分析
• 物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶 胞常数，确定物质的相结构。
• 原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材 料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得 材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结 构。
• 缺点： • ① 分辨率低(约200nm)和放大倍率低(约103倍)。
只能观察到100nm尺寸级别的组织结构，而对于更小 的组织形态与单元(如位错，原子排列等)则无能为力 。
• ② 只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织 结构，更不能对所观察的显微组织进行同位微区 成分分析。
• 目前,光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要!
• 主要的物相分析手段有三种：x射线衍射(XRD)、 电子衍射及中子衍射。
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• （3）成分和价键分析 • 原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息
。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间 跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。
• 按照出射信号的不同 ，成分分析手段可以 分为两类：x光谱和电 子能谱，出射信号分 别是x射线和电子。
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二、显微组织结构的内容
• 材料的显微组织结构所涉及的内容大致如下： • ①显微化学成分(不同相的成分，基体与析出相的成分，
偏析等)；• ③晶粒大小与形态(等轴晶、柱状晶、枝晶等)； • ④相的成分、结构、形态、含量及分布(球、片、棒、沿
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1、材料分析方法的理论依据
• 除了个别研究手段(如扫描 探针显微镜)以外，基本上
是利用入射电磁波或物质波 (x射线、电子束、可见光等 )与材料作用，产生携带样
品信息的各种出射电磁波或 物质波(x射线、电子束、可 见光等)，探测这些出射的
信号，进行分析处理，即可
获得材料的组织、结构、成 分、价键等信息。
晶界聚集或均匀分布等)； • ⑤界面(表面、相界与晶界)； • ⑥位向关系(惯习面、孪生面、新相与母相)； • ⑦夹杂物； • ⑧内应力(喷丸表面，焊缝热影响区等)。
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三、材料分析方法的理论依据和分类 • 材料分析方法？ • 是关于材料成分、结构、微观形貌与
缺陷等的现代分析、测试技术及其有 关理论基础的科学。
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四、显微组织结构与成分的 传统分析测试方法
1、光学显微镜
• 优点： • ① 是最常用的也是最简单的观察材料显微组织的
工具。 • ② 能直观地反映材料样品的微观组织形态(如晶粒
大小，珠光体还是马氏体，焊接热影响区的组织 形态，铸造组织的晶粒形态等)。
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