利用X射线衍射测材料中的微观应力-X射线衍射分析
材料力学性能的微观表征与分析
材料力学性能的微观表征与分析材料力学性能的微观表征与分析在现代材料科学中起着重要的作用。
通过对材料微观结构进行分析，可以揭示材料的力学性能和力学行为的本质。
本文将介绍一些常用的微观表征技术，并探讨其在材料力学性能研究中的应用。
1. 金相显微镜金相显微镜是一种常见的材料显微镜，能够观察材料的显微组织和颗粒尺寸。
通过金相显微镜，可以对材料的晶粒大小、晶体结构和相含量等进行直观的观察和分析。
晶粒大小对材料的力学性能有很大影响，小晶粒尺寸通常会导致材料的强度和硬度增加。
2. 电子显微镜电子显微镜是一种高分辨率的显微镜，可以观察材料的微观结构和表面形貌。
扫描电子显微镜（SEM）是其中一种常用的电子显微镜技术，可以获得材料表面的高分辨率图像。
透射电子显微镜（TEM）则能够观察材料的内部结构。
这些电子显微镜技术可以提供关于材料微观结构和缺陷的详细信息，揭示材料的力学性能和失效机制。
3. X射线衍射X射线衍射是一种常用的材料表征技术，通过对材料中的晶体进行衍射分析，可以确定晶体的晶胞参数和晶体结构。
通过X射线衍射，可以研究晶体中的缺陷和残余应力等信息，从而揭示材料的力学行为。
4. 原子力显微镜原子力显微镜（AFM）是一种能够对材料表面进行原子级分辨的显微镜技术。
通过AFM，可以获得材料表面的三维形貌和力学性质。
AFM在材料力学性能的表征中具有广泛的应用，例如，可以通过AFM 观察微米级混凝土的表面纳米级颗粒的分布和力学特性。
5. 纳米压痕技术纳米压痕技术是一种通过在纳米尺度下对材料表面施加压力，来研究材料力学性质的方法。
通过纳米压痕实验，可以获得材料的硬度、弹性模量和塑性形变等重要力学参数。
这种技术可以应用于各种材料，从金属和陶瓷到生物材料和聚合物等。
通过以上的微观表征技术，我们可以揭示材料的微观结构和力学性能之间的关系。
这些表征技术为材料的设计和优化提供了重要的信息和依据。
例如，在材料的强度提升方面，我们可以通过观察晶粒大小和晶体结构来优化材料的微观结构，从而增强材料的力学性能。
射线衍射方法测量残余应力的原理与方法
X射线衍射方法测量残余应力得原理与方法-STRESSX射线衍射方法测量残余应力得原理与方法什么就是残余应力？外力撤除后在材料内部残留得应力就就是残余应力。
但就是，习惯上将残余应力分为微观应力与宏观应力。
两种应力在X射线衍射谱中得表现就是不相同得。
微观应力就是指晶粒内部残留得应力，它得存在，使衍射峰变宽。
这种变宽通常与因为晶粒细化引起得衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。
通过测量衍射峰得宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力得大小。
宏观应力就是指存在于多个晶体尺度范围内得应力，相对于微观应力存在得范围而视为宏观上存在得应力。
一般情况下，残余应力得术语就就是指在宏观上存在得这种应力。
宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上得表现就是使峰位漂移。
当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间得距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。
通过测量样品衍峰得位移情况，可以求得残余应力。
X射线衍射法测量残余应力得发展X射线衍射法就是一种无损性得测试方法，因此，对于测试脆性与不透明材料得残余应力就是最常用得方法。
20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体得应力。
后来日本成功设计出得X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术得发展作了巨大贡献。
1961年德国得E、Mchearauch提出了X射线应力测定得sin2ψ法，使应力测定得实际应用向前推进了一大步。
X射线衍射法测量残余应力得基本原理Ｘ射线衍射测量残余内应力得基本原理就是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得得结果实际上就是残余应变，而残余应力就是通过虎克定律由残余应变计算得到得。
其基本原理就是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生得衍射峰也将随之移动，而且移动距离得大小与应力大小相关。
用波长λ得X射线，先后数次以不同得入射角照射到试样上，测出相应得衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ得斜率M，便可算出应力σψ。
X射线衍射在材料分析当中的应用
X射线衍射在材料分析当中的应用X射线衍射是一种重要的材料分析方法，广泛应用于材料科学、物理学、化学、地质学等领域。
它基于X射线与晶体中的原子相互作用而产生的衍射现象，通过测量衍射角度和强度，可以获得关于材料的结构、晶格参数、晶体形态、晶体质量、晶体缺陷等信息。
下面将详细介绍X射线衍射在材料分析当中的应用。
1.结构测量X射线衍射可以用来确定晶体的结构。
晶体的结构是由周期性排列的原子组成的，X射线可以通过与晶体中的原子相互作用而产生衍射现象。
测量X射线的衍射图样可以得到晶体的结构信息，包括晶胞参数、晶体对称性、原子位置等。
这对于研究固体结构和材料的物理、化学性质非常重要。
2.晶体质量分析X射线衍射可以用来评估晶体的质量。
晶体的质量对于材料的性能具有重要影响。
通过测量X射线衍射的强度和形状，可以判断晶体的纯度、晶格缺陷、晶体畸变等信息，从而评估晶体的质量。
这对于工业生产和材料品质控制非常重要。
3.相变研究X射线衍射可以用来研究材料的相变行为。
相变是材料中的原子或分子之间发生的结构转变。
通过测量相变前后X射线衍射的变化，可以确定相变的发生温度、相变类型、相变机制等信息。
这对于研究材料在不同温度、压力等条件下的结构变化和性质变化非常重要。
4.晶体的应力分析X射线衍射可以用来分析材料中的应力状态。
当晶体中存在应力时，晶胞参数会发生变化，进而影响X射线衍射的角度和强度。
通过测量X射线衍射的变化，可以计算材料中的应力状态。
这对于理解材料的力学性能、设计材料的使用条件非常重要。
5.晶体取向分析X射线衍射可以用来分析材料中晶体的取向情况。
当材料中存在多个取向的晶体时，不同晶面的衍射强度会有区别。
通过测量X射线衍射的强度和方向，可以确定晶体的取向分布。
这对于研究材料的制备方法、材料的性能分布等具有重要意义。
6.材料成像利用X射线衍射原理，可以实现材料的成像。
例如，X射线衍射成像技术可以用来观察材料的内部结构，如晶体的缺陷、晶体的结构变化等。
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESSX射线衍射方法测量残余应力的原理与方法什么是残余应力？外力撤除后在材料部残留的应力就是残余应力。
但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。
两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。
微观应力是指晶粒部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。
这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。
通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。
宏观应力是指存在于多个晶体尺度围的应力，相对于微观应力存在的围而视为宏观上存在的应力。
一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。
宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。
当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。
通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。
X射线衍射法测量残余应力的发展X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。
20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。
后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。
1961年德国的E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。
X射线衍射法测量残余应力的基本原理Ｘ射线衍射测量残余应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。
其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。
用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。
Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的应力σφ。
(完整版)X射线衍射技术在材料分析中的应用
X射线衍射技术在材料分析中的应用沈钦伟126406324 应用化学1引言X射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。
当某物质( 晶体或非晶体)进行衍射分析时,该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象, 物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。
X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。
因此,X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法, 已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。
2X射线衍射基本原理X射线同无线电波、可见光、紫外线等一样,本质上都属于电磁波,只是彼此之间占据不同的波长范围而已。
X射线的波长较短, 大约在10-8~10-10cm之间。
X 射线分析仪器上通常使用的X射线源是X射线管,这是一种装有阴阳极的真空封闭管, 在管子两极间加上高电压, 阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶,从而产生X射线。
当X射线照射到晶体物质上,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成,这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉,在某些特殊方向上产生强X射线衍射, 衍射线在空间分布的方位和强度,与晶体结构密切相关，不同的晶体物质具有自己独特的衍射花样, 这就是X射线衍射的基本原理。
3 X射线衍射技术在材料分析中的应用由X射线衍射原理可知,物质的X射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。
每种结晶物质都有其特定的结构参数(包括晶体结构类型, 晶胞大小,晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等)。
因此,没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射花样。
通过分析待测试样的X射线衍射花样,不仅可以知道物质的化学成分,还能知道它们的存在状态,即能知道某元素是以单质存在或者以化合物、混合物及同素异构体存在。
同时,根据X射线衍射试验还可以进行结晶物质的定量分析、晶粒大小的测量和晶粒的取向分析。
浅谈X射线衍射分析在材料科学中应用及对内应力测量
浅谈X射线衍射分析在材料科学中应用及对内应力测量摘要：X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。
将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。
本文主要介绍X射线衍射分析在材料科学中应用并以测量内应力为例对其进行具体分析。
关键词：X射线衍射分析、内应力测量、物相分析X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。
将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
在当今的材料科学领域中，主要将其应用于以下几个方方面：一．物相分析晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换,每种晶体的结构与其X 射线衍射图之间都有着一一对应的关系,其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化,这就是X 射线衍射物相分析方法的依据。
制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化,将待分析物质的衍射花样与之对照,从而确定物质的组成相,就成为物相定性分析的基本方法。
鉴定出各个相后,根据各相花样的强度正比于该组分存在的量,就可对各种组分进行定量分析。
目前常用衍射仪法得到衍射图谱,用“粉末衍射标准联合会(JCPDS) ”负责编辑出版的粉末衍射卡片即PDF卡片进行物相分析。
目前,物相分析存在的问题主要有:(1) 待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强线,而是两个或两个以上相的某些次强或三强线叠加的结果。
这时若以该线作为某相的最强线将找不到任何对应的卡片。
X射线衍射原理及在材料分析中的应用
2008 年第 9 期 物理通报 知识介绍
X 射线衍射原理及在材料分析中的应用
性分析可采用未知样品衍射图谱与标准图谱比较的
方法. 定量分析中 , 根据衍射强度理论 , 物质中某相
的衍射强度 Ii 与其质量百分数 Xi 有如下关系
Ii
=
kiXi Um
式中 ki 为实验条件和待测相共同决定的常数 , Um 为待测样品的平均质量吸收系数 ,与 Xi 有关.
物相分析存在的问题主要有 :
1) 待测物图样中的最强线条可能并非某单一
相的最强线 ,而是两个或两个以上相的某些次强或
三强线叠加的结果. 这时若以该线作为某相的最强
线将找不到任何对应的卡片.
2) 在众多卡片中找出满足条件的卡片 , 十分复
杂而繁锁 ;虽然可以利用计算机辅助检索 ,但仍难以
令人满意.
2008 年第 9 期 物理通报 知识介绍
2 dsinθ = nλ 式中 d 为晶面间距 ,θ为掠射角 , n 为反射级数 ,λ为 X 射线波长.
(2) X 射线衍射的运动学理论 达尔文 (Darwin) 理论称为 X 射线衍射运动学理 论. 该 理 论 把 衍 射 现 象 作 为 三 维 夫 琅 禾 曼 ( Frannhofer) 衍射问题来处理 ,认为晶体的每个体积 元的散射与其他体积元的散射无关 ,而且散射线通 过晶体时不会再被散射. 虽然这样处理可以得出足 够精确的衍射方向 ,也能得出衍射强度 ,但运动学理 论的根本性假设并不完全合理. 因为散射线在晶体 内一定会被再次散射 ,除了与原射线相结合外 ,散射 线之间也能相互结合. Darwin 不久以后就认识到这 点 ,并在他的理论中作出了多重散射修正. (3) X 射线衍射的动力学理论 埃瓦尔德 ( Ewald) 理论称为 X 射线衍射的动力 学理论. 该理论考虑到了晶体内所有波的相互作用 , — 58 —
X射线衍射在材料分析测试中的应用
X射线衍射技术在材料分析测试中的应用摘要：X 射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法, 在众多领域的研究和生产中被广泛应用。
介绍了X 射线衍射的基本原理, 从物相鉴定、点阵参数测定、微观应力测定等几方面概述了X 射线衍射技术在材料分析中的应用进展。
1 X射线基本原理由于X 射线是波长在1000Å~0. 01Å之间的一种电磁辐射, 常用的X 射线波长约在2. 5Å~ 0. 5Å之间, 与晶体中的原子间距( 1Å )数量级相同, 因此可以用晶体作为X 射线的天然衍射光栅, 这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。
当X射线沿某方向入射某一晶体的时候, 晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉.当每两个相邻波源在某一方向的光程差(Δ)等于波长λ的整数倍时, 它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强, 这种波的加强叫做衍射, 相应的方向叫做衍射方向, 在衍射方向前进的波叫做衍射波。
Δ= 0的衍射叫零级衍射, Δ = λ的衍射叫一级衍射, Δ = nλ的衍射叫n级衍射. n不同, 衍射方向也不同。
在晶体的点阵结构中, 具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互干涉的结果, 决定了X射线在晶体中衍射的方向, 所以通过对衍射方向的测定, 可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。
晶体结构= 点阵+ 结构基元, 点阵又包括直线点阵, 平面点阵和空间点阵. 空间点阵可以看成是互不平行的三组直线点阵的组合, 也可以看作是由互相平行且间距相等的一系列平面点阵所组成. 劳厄和布拉格就是分别从这两个角度出发, 研究衍射方向与晶胞参数之间的关系。
伦琴发现X射线之后, 1912年德国物理学家劳厄首先根据X 射线的波长和晶体空间点阵的各共振体间距的量级, 理论预见到X 射线与晶体相遇会产生衍射现象, 并且他成功地验证了这一预见, 并由此推出了著名的劳厄定律。
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12
结论
五次试验测量的两相第二类残余应力平均结果分别是18和
10，修正后的宏观残余应力求平均值得到：69 MPa，这与 用钻孔法得到的74 Mpa相差很小。表明X射线得到的应力结 果在消除第二类残余应力的影响后可以很好与钻孔法得到的 宏观残余应力相符。
，以及宏观残
实验过程
利用X射线残余应力分析仪分别测量出两相中的残
余应力，然后使用X射线衍射仪对两相进行定量分
析，已知应力大小和含量多少后，根据前面提到的
公式，就可以求出第Ⅱ类应力，再根据第Ⅱ类应力
修正宏观残余应力，得到的结果再与钻孔法得到的
宏观残余应力进行比较。
实验仪器及材料
仪器：STRESSX-3000
对不同材料，第二类残余应力对衍射峰2θ产生的附加位移也 不尽相同，对单相材料测量的结果影响很小，而对多相材料， 产生的位移较大，误差也就较大。 为了使X射线衍射法更加精确的测量宏观残余应力，我们在实
验中尝试测量出第Ⅱ类应力来修正宏观残余应力的结果
测量原理
以两相材料为例，实验测得的各相应力结果是宏观残余应力 和第Ⅱ类残余应力之和，其关系是如1，2；各相的第Ⅱ类
残余应力则在两相间存在平衡，其关系式如公式（3）所示
r , A r r , A
r ,B r r , B
v A r , A vB r , B 0
（1） （2） （3）
根据上面3个公式就可以求出 r , A 、 r ,B 1 余应力的真实值 r
实验也表明通过X射线衍射定量和X射线分析应力的方法可
以很好的对第Ⅱ类残余应力进行测量。
结后语
可能细心的专家会有这样一个疑问：为什么不用衍射线宽化
的方法来测微观应力？大家知道，通常情况下，我们也都是 用衍射线的宽化来测微观应力的，我个人认为，这种方法获 得的微观应力并不能直接用来修正宏观残余应力。因为这里 面存在一个问题：用X射线宽化得到的微观应力包含第三类
材料：双相钢
Stress3000 衍射仪
Stress3000 衍射仪
实验结果
σr,A( σr,B A/B 序号 测点深 度（mm） MPa） （MPa） 计算值 （
r,A
r ,B
1 r）
（计算值）（计算值）
1
2 3
0.5
1 1.5
—92
—86 —98
—61
—59 —70
利用X射线衍射测量材料中的微观
应力
内容
X射线法测量两相材料中的残余应力时遇到
的问题 微观应力对X射线测量宏观残余应力的影响 实验过程 结果讨论
X射线法测量两相材料中的残余应力 时遇到的问题
在残余应力的测试诸多方 法中以X射线衍射法最为普 遍，得到了行业内的广泛 认可，但在实际测试中这 种方法也遇到了一些问题。 比如，我们在测量两相材 料的残余应力时，得到的 结果不一致。 那么为什么不一致？怎样 才能得到正确的结果呢？
微观应力对宏观残余应力测量结果的 影响
材料的内应力分为3类：宏观残余应力、第Ⅱ类和第Ⅲ类残余 应力。后两者统称为微观应力。 第Ⅲ类残余应力：使材料的衍射线宽化，不对衍射峰产生位移。 对宏观残余应力的测量结果没有影响。
第Ⅱ类残余应力对X射线谱线的影响：
1 是使衍射谱线宽化； 2 是如同第一类残余应力（宏观残余应力）对衍射峰偏 移的作用一样，使衍射峰2θ值产生附加位移，从而影响 了宏观残余应力测量的精度。
残余应力，也就是晶格畸变的影响，第Ⅲ类并不能引起衍射
峰的位移。因此并不能用来修正我们试验测得的宏观残余应 力。
欢迎各位专家批评 指正！！