材料分析测试方法复习摘要

π
Lg=Kg
式中 Lλ 称为电子衍射的相机常数，而
L 称为相机长度。R 是正空间的矢量，而 ghkl 是倒易空间的矢量，因此相机常数 L λ 是Hale Waihona Puke Baidu个协调正、倒空间的比例常数。 单晶电子衍射花样的标定： （1）查表标定法：标定步骤→①在底片上测量 约化四边形的边长 R1、R2、R3 及夹角，计算 R2/R1 及 R3/R1。②用 R2/R1、R3/R1 及∅去 查倒易点阵平面基本数据表。 若与表中相应数据吻合， 则可查到倒易面面指数 （或 晶带轴指数）uvw，A 点指数 h1k1l1 及 B 点指数 h2k2l2。③由 Rdhkl=f0∙MI∙Mp∙λ =L’λ 计算 dEi,并与 d 值表或 X 射线粉末衍射卡片 PDF（或 ASTM）上查得的 dTi 对比， 以核对物相。 此时要求相对误差为 ������ =
材料分析测试方法复习摘要
前言： 材料现代分析测试方法：光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分 析。 第一章：X 射线的物理学基础 X 射线衍射学：根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与 结构和结构变化相关的各种问题。 X 射线光谱学：根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物 质发出的 X 射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。 产生 X 射线的条件： 1， 以某种方式得到一定量的自由电子； 2， 在高真空中， 在高压电场作用下迫使这些电子作定向高速运动；3，在电子运动路径上设障碍 物，以急剧改变电子的运动速度。 连续 X 射线谱：由波长连续变化的 X 射线构成，和白光相似，是多种波长的 混合体。/由于极大数量的电子衍射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得 到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续 X 射线谱。 特征 X 射线谱：由有一定波长的若干 X 射线叠加在连续 X 射线谱上构成，和 单色的可见光相似，具有一定波长。/当管电压等于或高于 20KV 时，则连续 X 射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们就是特征 X 射线谱。 莫塞莱定律： （物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数的关系） ������=K （Z-������） 式中：K 和 σ 是常数。该定律是 X 射线光谱分析的基本依据，是 X 射线光谱学的 重要公式。 根据莫塞莱定律， 将实验结果所得到的未知元素的特征 X 射线谱线波 长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是合种元素。 相干散射：由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向 上各散射波符合相干条件。 不相干散射：散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。 （X 射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射 X 射线长 的 X 射线，且波长随散射方向不同而改变。 ） 光电效应：物质在光子作用下放出电子的物理过程。 俄歇效应：K 层的一个空位被 L 层的两个空位所替代的现象。 X 射线滤波片的选择规则：Z 靶 <40 时，Z 滤= Z 靶-1；Z 靶>40 时，Z 滤= Z 靶-2。
法：照相法；衍射仪法。
底片的安装方法：正装法；反装法；偏装法。 德拜法的样品制备： 脆性材料→用碾压或研钵研磨获取； →粉末经过筛→退火去应力处理→试 A) 塑性材料（金属，合金）→用锉刀锉 样 出碎屑粉末。 B) 金属丝样品尽可能减少应力和避免形成织构，用腐蚀方法使之达到要求 试样尺寸∅（0.4~0.8） × （5~10）圆柱样品所采用的方法：
电子衍射和 X 射线衍射相比较的不同之处： （1）电子波的波长比 X 射线短的多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很 小，约为 10-2rad。而 X 射线产生衍射时，其衍射角最大可接近 2 。 （2）在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度 方向延伸成杆状。因此，增加了倒易阵点和埃瓦尔德球相交截的机会，结果使略 微偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。 （3）因为电子波的波长短，采用埃瓦尔德球图解时，反射球的半径很大，在衍 射角θ较小的范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为 电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。 （4） 原子对电子的散射能力远高于它对 X 射线的散射能力 （约高出 4 个数量级） ， 故电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样的时曝光时间仅需数秒钟。 电子衍射基本公式：R=λ
景深 ：是指成像时，像平面不动（像聚不变） ，在满足成像清晰的前提下，
物平面沿轴线前后可移动的距离。 焦长：是指物点固定不变（物距不变） ，在保持成像清晰的条件下，像平面 沿透镜轴线可移动的距离。 透射电子显微镜的结构：电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系 统和控制系统。 光阑的位置和作用： 在透射电子显微镜中有许多固定光阑和可动光阑，作用 主要是挡掉发散的电子， 保证电子束的相干性和照射区域。 第二聚光镜光阑作 用是限制照明孔径角，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。 物镜光阑（衬度光 阑） ： 作用是挡住散射角较大的电子， 使之在像平面上形成具有一定衬度的图像， 另一个作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像。 位置：放在物 镜的后焦面上。 选区光阑 （场限光阑或视场光阑） ： 放在物镜的像平面位置 （等 同于放在样品上）作用是使电子束只能通过光阑限定的微区。 第六章：电子衍射
为整数。 物理意义： sinθ=λ/2d≤1 故有 d≥λ/2 即 只有晶面间距大于 λ/2 的 晶面才能产生衍射。当相邻两束衍射波的光程差为波长的整数倍时，干涉加强。 X 射线衍射强度的影响因素：晶体结构；原子散射因子 f；结构振幅；多重 性因素（多重性因子 P） ；吸收因素；温度因素（温度因子） 。 第三章：多晶体 X 射线衍射分析方法 X 射线衍射方法按成像原理：劳厄法；周转晶体法；粉末多晶法。按记录方
X 射线残余应力测定原理：是根据衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度 的变化来测定材料表面微小区域的应力。 在整个工作范围或相当大的范围内达 到平衡的残余应力， 称宏观残余应力或第一类应力，对应地在工件的宏观尺寸上 也存在着应变。 在一个或几个晶粒范围内平衡的残余应力，称微观应力或第二 类应力。 在一个晶粒内上百个或几千个原子之间达到平衡的残余应力，称点阵 静畸变应力或第三类应力。 第五章：透射电子显微镜结构 透镜分辨率： 通常把两个 Airy 斑中心间距等于 Airy 斑半径时， 物平面上相 应的两个物点的间距（∆r0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率（分 辨本领） ∆������0=
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（光学透镜 ∆������0≈
������ ������
）
电磁透镜的像差及其对分辨率的影响：电磁透镜和光学透镜一样，除了衍射 效应对分辨率的影响外，还有像差对分辨率的影响：电磁透镜的像差包括球差、 像散和色差。 球差：因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折 射能力不同而产生的。 像散 :是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。 色差： 是由于成像电子的能量不同而变化， 从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚 焦在一点而形成的像差。
（1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝黏结粉末。为获得足够多粉末，可多
次涂胶水和捻动黏结粉末。 （2）采用石英毛细管、玻璃毛细管来制备试样。将 粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。 （3）用胶水将粉末调成糊状 注入毛细管中，从一端挤出 2mm~3mm 长作为试样。 X 衍射仪法样品制备：试样可以使金属、非金属的块状、片状或各种粉末。 对于块状、 片状试样可以用胶黏剂将其固定在试样框架上，并保持一个平面与框 架平面平行。 粉末试样用胶黏剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框 架平面一致。试样对晶粒大小（1um~5um） 、试样厚度、择优取向、应力状态和 试样表面平整度等都有一定要求。
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阳极靶材料的选择规则：Z 靶≤Z 样-1；或 Z 靶>Z 样。多元元素样品，原则上是 以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。 第二章：X 射线衍射原理 X 射线能揭示衍射晶体的结构特征取决于：A）X 射线的衍射束方向反应晶 胞的形状大小；B）X 射线的衍射束强度反映了晶胞中的原子位置与种类。 布拉格方程（相邻晶面间的衍射线干涉加强的条件） ： 2dsinθ=nλ 式中,n
第四章: X 射线衍射方法的应用 X 射线衍射揭示的是晶体材料的晶胞大小、类型和原子种类与原子排列的规 律， 所以 X 射线衍射方法可以用来分析研究晶体材料的结构特征， 从而进行材料 的物相分析、 测定单晶的取向以及多晶体材料取向变化产生的织构，可以通过衍 射分析来精确测定晶格常数， 可以通过测定材料中原子排列及镜面间距的变化来 表征材料中应力状态。 德拜照相法的系统误差来源： 相机半径误差； 底片伸缩误差； 试样偏心误差； 试样吸收误差。 → 采用精密实验最大限度地消除误差。为了消除试样 吸收的影响，粉末试样做成直径 <∅0.2mm;为了消除试样偏心误差，采用精密加 工的相机，并在低倍显微镜下精确调整位置；为了使衍射线条更加锋锐，精确控 制试样粉末的粒度和处于无应力状态；为了消除相机半径不准和底片伸缩，采用 偏装法安装底片；为了消除温度的影响，将实验温度控制在±0.1℃。 衍射仪精确测定点阵常数， 衍射线的������角系统误差来源： 未能精确调整仪器； 计数器转动与试样转动比（2:1）驱动失调；θ角 0° 位置误差；试样放置误差； 试样表面与衍射仪轴不重合；平板试样误差，因为平面不能替代聚焦圆曲面；透 射误差；入射 X 射线轴向发散度误差；仪器刻度误差等。 → 衍射仪精确 测定点阵常数，工作前必须进行仔细的测量仪调整。可以通过在正 2θ角范围内 对衍射线进行顺时针及逆时针扫描测量，取平均值作为衍射线位置，减小测角仪 转动精度的影响。相对于入射线作正 2θ和负 2θ 方向的扫描测量，可以减小仪器 的零位误差。对仪器的角度指示可以采用标样校正。试样制备中晶粒大小、应力 状态、样品厚度、表面形状等必须满足要求。直线外推法，柯恩法等数据处理方 法也可用来消除误差。 X 射线物相定性分析原理：X 射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较 晶体衍射花样来进行分析的。 对于晶体物质来说，各种物相都有自己特定的结构 参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等） ，结构参数不 同则 X 射线衍射花样也就各不相同， 所以通过比较 X 射线衍射花样可以区分出不 同的物相。 当多种物相同时衍射时，其衍射花样也是各种物相自身衍射花样的机 械叠加。它们互不干扰，相互独立，逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出 各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。 物相定性分析方法用数字索引进行物相鉴定的步骤： （1）根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值 d1,d2 和 d3（并估算它们 的误差） 。 （2）根据最强线的面间距 d1，在数字索引中找到所属的组，在根据 d2 和 d3 找到其中的一行。 （3）比较此行中的 3 条线，看其相对强度是否与被摄物 质的三强线基本一致。如 d 和 I/I1 都基本一致，则可初步断定未知物质中含有 卡片所载的这种物质。 （4）根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡 片。 （5）将卡片上全部 d 和 I/I1 与未知物质的 d 和 I/I1 对比，如果完全吻合， 则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。 物相定量分析方法：外标法；内标法；直接比较法。
X 射线衍 射
相同点:满足衍射 的必要和充分条 件,可借助倒易点 阵和厄瓦德图解
不同点:波长λ 长,试样是大块粉末 1.要精确满足布拉格条件 2.衍射角可以很大 3.衍射强度弱,暴光时间长
电子衍 射
相同点:满足衍射 的必要和充分条 件,可借助倒易点 阵和厄瓦德图解
不同点:波长λ 短,试样是薄片 1.倒易点变成倒易杆 2.不要精确满足布拉格条件 3.衍射角很小 4.衍射强度强,暴光时间短