2018年第一学期材料研究方法课程教学--X射线衍射部分
《X射线衍射分析》课件
1
材料表征
通过分析衍射图样，确定材料的相组成、晶格参数、晶体质量等。
2
结构优化
利用衍射数据优化材料的晶体结构，改善性能和功能。
3
晶体生长
借助衍射技术控制晶体生长条件，获得高质量的晶体。
X射线衍射在材料分析中的应用
相组成分析
通过分析衍射图样，精确确定材 料的相组成和相比例。
晶格参数测量
通过测量衍射峰的位置和料没有明显破 坏，可以进行多次测试。
高分辨率
衍射图样具有高分辨能力， 获得材料微观结构的详细信 息。
样品要求严格
需要高纯度、晶体完整性好 的样品进行实验。
结论和要点
通过X射线衍射分析，我们可以获得材料的相组成、晶格参数、结构优化等关 键信息。然而，应该注意样品要求和实验条件的严格性。
3 多晶体的衍射
多晶体中的晶粒表现出颗粒性质，多晶体的衍射可获取材料的晶体结构信息。
X射线衍射实验装置
X射线发生器
产生高能X射线束的设备，通常采用X射线管。
X射线衍射仪
用于测量和记录X射线衍射图样的仪器，包括衍射样品台和探测器。
数据分析设备
用于解析和处理实验数据的计算机软件和算法。
X射线衍射技术应用
《X射线衍射分析》课件
欢迎来到《X射线衍射分析》课程。本课程将深入探讨X射线衍射的基本原理、 实验装置以及技术应用等内容，帮助您全面了解这一重要的分析技术。
X射线衍射基本原理
1 布拉格定律
揭示了X射线衍射的几何关系，指导了衍射图样的解析。
2 结晶体的衍射
X射线与晶体相互作用，形成衍射图样，揭示了晶体的结构信息。
残余应力分析
利用衍射峰的偏移和变形，对材 料内部应力进行定量评估。
材料研究方法b(化学专业)第6章：x射线衍射方法
b、扫描方式
连续扫描方式：试样和接收狭缝以角速度1：2 的关系匀速转动，在转动过程中，检测器连续地 测量X射线的散射强度，各晶面的散射强度依次 被接收。
41
步进扫描方式：试样每转动一步（固定的Δθ ）就 停下来，测量记录系统开始测量该位置上的衍射 强度。然后试样再转过一步，再进行强度测量。 如此一步步进行下去，完成制定角度范围内衍射 图的扫描。
则 度=s
20
2.粉晶X射线衍射仪
多晶粉末; 使用特征X射线; 测定时使晶体保持转动
21
依据基本方程为Bragg方程
2dhkl sin hkl n
hkl
sin1( n
2d hk l
)
hkl
sin1(
2d hkl
)
22
用摄谱仪时, 记录 l 2 的变化
x射线
4
l l
Hl
R 单晶
l =0
转动
由于波长恒定，根据劳埃方程
c(cosl －cos0) ＝l 因 0＝90º, 故上式简化为
c cosl ＝l
可见所有衍射线都应分布在以 c 为轴的一系列 圆锥上。
5
环形安装胶片，则衍射的X射线与胶片相交于 一个圆周上。
6
当胶片展开后，得到的衍射效应分布为一 系列平行的直线。
路和各种保护电路等部分组成。
28
（2）测角仪：检测2θ （3）单色器：以确保入射X射线和衍射线为单色，以
减小背底的影响。 （4）强度测量系统：把X射线的强度信号转化成物理的
数字信号。常用于X射线检测的检测器有： Geiger - Muller检测器（GC）、正比检测器（PC） 和NaI闪烁检测器（SC）。
材料科学研究方法 第三章 X射线衍射方法
根据衍射几何关系，偏 装法固定了两个圆孔位 置后就能求出相机的真 实圆周长度。 由图可见， C有效 = A+B=2π R， 其中R就是真实半径。 则： 2L 4R 4 ＝ C有效 2R 2 偏装法可以消除底片收缩、试样偏心、相机直径不准等 造成的误差。
德拜法的试样制备
首先，试样必须具有代表性；其次试样粉末尺寸大小要 适中（250-300目），第三是试样粉末不能存在应力 脆性材料可以用碾压或用研钵研磨的方法获取；对于塑 性材料（如金属、合金等）可以用锉刀锉出碎屑粉末 德拜法中的试样尺寸为φ 0.4-0.8×5-10mm的圆柱样品。 制备方法有： （1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝粘结粉末。（2） 将粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。或 用胶水将粉末调成糊状注入毛细管中，从一端挤出2-3mm 长作为试样。 （3）直接用金属丝作试样
X射线衍射仪
布鲁克公司生产的D8X射线衍射仪
控制及数据收集计算机
3.2.1 测角仪：核心部件
1. 测角仪的构造：
测角仪圆中心是样品台 H。样品台可以绕中心O 轴转动。平板状粉末多 晶样品安放在样品台H 上，并保证试样被照射 的表面与O轴线严格重 合。 测角仪圆周上安装有X 射线辐射探测器D，探 测器亦可以绕O轴线转 动。 工作时，探测器与试样 同时转动，但转动的角 速度为2：1的比例关系 （θ～2θ连动）。
3. 测角仪的光路布置
线状焦点 S 的长边方向与测角仪中心 轴平行，采用联合光阑（窄缝光阑a ＋梭拉光阑S1）控制X 射线在两个方 向上的发散。
窄缝光阑 a：控制与测角仪平面平行方向的发散度。 梭拉光阑 S1：由一组互相平行、间隔很密的重金属薄片组成 （长32mm， 薄片厚0.05mm，薄片间距0.43mm），用于 控制与测角仪平面垂直方 向的发散度。 窄缝光阑 b：控制试样上的照射面积。 狭缝光阑 F：控制衍射线进入计数器的辐射能量。
X射线衍射 第三讲 X射线衍射 图文
特征X射线Kα辐射
各电子壳层电子能量：
En 2 2me 4 (z )2 /(h2n2 )
辐射出的光子： h En2 En1
h 2 2me4 (z )2 /(h)2 • (1/ n12 n22 )
若n1＝1，n2＝2，则发射的Kα谱波长λKα为：
1/ K 2 2me4(z )2 /(h3c) •3/ 4
Kα2
Kα＊
Kβ
2.28962 2.29351 2.2909 2.08480
U（KV）≈(35)UK
20－25
Fe
26 1.93597 1.93991 1.9373 1.75653
25－30
Co
27 1.78892 1.79278 1.7902 1.62075
30
Ni
28 1.65784 1.66169 1.6591 1.50010
1913年老布拉格设计出第一台 X射线分光计，并利用这 台仪器，发现了特征X射线。成功地测定出了金刚石的 晶体结构
3
X射线的产生
X射线是一种波长很短的电磁波，在电磁波谱上位于紫 外线和γ射线之间，波长范围是0.5-2.5埃。
特征X射线，韧致X射线 X射线的能量与波长有关
无线电波
红外线 可见光 紫外线 X射线
7
连续X射线谱
连续谱与管电压V、管电流i和阳极靶原子序数Z有关，实 验规律如下：
① 对同一阳极靶材料，保持管电压，提高管流，各波长射 线的强度一致提高，但λ0和λm不变；
② 提高管压（i，Z不变），各波长射线的强度都增高，短波 限λ0和强度最大值对应λm的减小；
③ i，V不变，阳极靶原子序数Z越高，连续谱强度越大，但 λ0和λm不变。
γ射线 宇宙射线
材料分析方法教学课件第五章 X射线衍射分析
3.027 100 3.035 100 1.872 21.1 1.875 17
2.835 3.5 2.845 3
1.626 4
2.488 14.1 2.495 14
1.604 8
2.279 22.4 2.286 18 2.090 16.7 2.095 18 1.923 6.2 1.927 5
实验数据较吻合，所 列卡片号为5-586，该 物质为方解石。找出 卡片，将卡片上所有 数据与实验数据一一 比较列表，可以确定 衍射图的物质为方解 石。
表5—1 方解石实验数据与JCPDS卡片中数据比较
实 验 卡 片5-586 实 验 卡 片5-586
d I/I0 d
3.842 9.6 3.86
I/I0 d I/I0 d I/I0
低温石英
叶蜡石
白云母
第五章 X射线物相分析
三、多相混合物的定性分析
1、多相分析的原理
晶体对X射线的衍射效应是取决于它的晶体结构，不 同种类的晶体将给出不同的衍射花样。假如一个样品内 包含了几种不同的物相，则各个物相仍然保持各自特征 的衍射花样不变。而整个样品的衍射花样则相当于它们 的迭合。除非两物相衍射线刚好重迭在一起，二者之间 一般不会产生干扰。这就为我们鉴别这些混合物样品中 的各个物相提供了可能。关键是如何将这几套衍射线分 开，这也是多相分析的难点所在。可以想象，一个样品 中相的数目越多，重迭的可能性也越大。鉴别起来也越 困难。实际上当一个样品中的相数多于3个以上时，就很 难鉴别了。
“国际粉末衍射标准联合会” （Joint Committee on Powder Diffraction Standards）与美国材料试验协会、美国结晶学协 会、英国物理研究所、美国全国腐蚀工程师协会等十个专
X射线衍射实验方法ppt课件
❖位于试样不同部位MNO，处平行于 试样表面的(hkl)晶面可以把各自的反射 线会聚到F点
❖沿测角仪圆移动的计数器只能逐个地 对衍射线进行测量。
❖衍射仪应使试样与计数器转动的角速 度保持1:2的速度比
测角仪要求与 Ｘ射线管的线 焦斑联接使用 ，线焦斑的长 边与测角仪中 心轴平行。
根据样品中晶体含量大，衍射峰较强的特 点，比较峰值的大小，来判断结晶程度。 1.欣克利法
一般选取110和111晶面进行对比，根据（ A＋B）／At大小来判断结晶度
衍射分析当中，如果晶体在空间随机分 布，衍射强度的比值为理论值，如果晶体排 列有一定规律，则在测试中某一晶面的衍射 强度变大或变小，计算测试结果中各衍射峰 的强度与PDF卡片中该物质对应的衍射线相 度强度，得到折合的衍射线强度，如果折合 的强度相同，则无取向度，反之，有一定取 向。
觉衍射线的宽化
点阵常数的确定：
根据布拉格方程，测量衍射角度，根据X射线波 长，计算出各个晶面间的距离，从而确定晶体 的点阵常数。
材料密度的测定
根据X射线测试结果，计算出晶胞结构，结合晶 面间距与原子量，计算出材料的密度。
晶体在受到外部应力或者内部应力时晶面 间距会有相应变化。
晶体所受应力可以分为：宏观应力引起的 的晶体间应力，析晶、晶型转变等引起的晶体 间应力，位错等引起的晶体内应力。
马氏体的含碳量与马氏体的四方度c／a或者由精确测定的点阵
参数按上式直接计算出马氏体含碳量。通常，钢中含碳量低时仅
仅表现出衍射线的宽化，只有当含碳量高于0．6形时，原铁素体的衍射线才明显地分 裂为两条或三条线。
在淬火高碳钢中有时出现奥氏体相，它是碳在g—铁中的过饱
和固溶体。奥氏体的点阵参数a与含碳量。呈直线性关系：
X衍射实验讲义
X衍射实验讲义3实验指导讲义南昌⼤学材料学院章爱⽣实验⼀单晶劳埃照相法、德拜照相法、衍射仪结构介绍及衍射花样分析⼀、实验⽬的通过实验, 加深单晶(劳埃照相法)、多晶(德拜照相法、衍射仪法)衍射花样的形成原理的理解;了解单晶劳埃照相机、德拜照相机、衍射仪的结构；掌握德拜照相法线条位置的误差以及粉末相的初步处理等基本问题的理解；掌握单相⽴⽅系物质粉末相的计算。
⼆、衍射花样形成原理1、劳埃照相法 1）实验⽅法：连续X 射线照射固定不动的单晶体.平底⽚记录衍射花样.分为透射、背射法.注:单晶固定不动,⼊射⽅向⼀定,即晶体内各晶⾯与⼊射线夹⾓固定, 则各晶⾯都有⾃⼰特定波长λθ=sin 2HKL d 满⾜衍射,⽽在连续线中有⼀波长与之对应.图1-1劳诶法（a ）透射法（b ）背射法2)衍射花样：底⽚⼀斑点表⽰晶体⼀组平⾏晶⾯产⽣的衍射线.透射: 同⼀晶带晶⾯的衍射斑点分布在过底⽚中⼼的椭圆上.连续的X 射线不动的单晶体背射: 同⼀晶带晶⾯的衍射斑点分布在⼀双曲线上图1-2劳埃衍射花样3）⽤途:单晶体取向测定及晶体对称性研究.测定未知晶体形状.2.（粉末）德拜照相法 1）实验⽅法⽅法: 单⾊(特征) X 射线照射固定不动的粉末多晶体.图1-2粉末法2）衍射花样的形成多晶由取向混乱的单晶构成,每⼀单晶都有⼀相同的晶⾯(HKL),在空间占有不同⽅位,能参与衍射的(HKL)所在位置为满⾜衍射的(HKL)绕⼊射⽅向旋转⼀周所处的瞬时位置.产⽣的衍射线为顶⾓ 4的圆锥表⾯。
图1-3 衍射花样的形成3）德拜照相机实验中应者重了解德拜相机的构造、试样的制备、底⽚的安装及摄照规程的选择。
（1）德拜相机的构造德拜相机为圆筒形暗盒，直径⼀般为57.3mm 或114.6mm 。
下图为相机的构造⽰意图。
⼊射线从光阑中⼼线进⼊，照射到试样后的透射线进⼊承光管。
从承光管底部可以看到X多晶体试样单⾊的X 射线底⽚射线光点和试样的暗影。
图1-4相机的构造⽰意图图1-5 德拜相的形成（2）底⽚的安装底⽚安装可采⽤正装法（X 射线从底边接⼝⼊射）、倒装法（X 射线从底边中⼼点⼊射）、偏装法（X 射线从底边其他点⼊射），所得到的衍射花样如下图所⽰。
材料现代研究方法 (北航)04 X射线衍射的强度
波的复数平面表示：
波函数 sin(2 t ) 定态波函数： sin 波的解析式为： 由欧拉公式及强度与振幅平方成正比： 或
材料现代研究方法讲义
对第j个原子散射波，当用复数表达时，
f：原子散射波振幅 则：
结构因数：X射线衍射中，单位晶胞中各个原子散
射波的合波，用F表示。
也可用原子散射波振幅与电子散射波振幅比值定义：
F=
一个单位晶胞中全部原子散射波振幅 一个电子散射波振幅
材料现代研究方法讲义
若单胞含N个原子，
坐标各为 x1y1z1，x2y2z2， …xnynzn，
原子散射因数为 f1，f2，…，fn， 则h k l反射的结构因数为：
相应的衍射波强度I为： I F h kl
材料现代研究方法讲义
O原子散射波2’ 第j个原子A散射波1’ 1’与2’之间的光程差δj
两波周相差为：
材料现代研究方法讲义
衍射矢量方程 s s 0 ( H K L ) 衍射矢量
s s 0 2 S sin 2 sin 1 s s0 d HKL
材料现代研究方法讲义
一个原子的散射
汤姆逊方程表明相干散射的强度与散射质点的质量平方成 正比，净效果是散射由原子所含电子产生。
1.θ＝0：如果一个电子散射波振幅为Ee，则原子散射波振幅为ZEe
2.θ≠0：原子散射波振幅为fxEe, fx<Z,原子散射因数。
fx
一个原子散射波的振幅 一个电子散射波的振幅
材料现代研究方法讲义
材料现代研究方法讲义
方向：布拉格方程；
衍射束强度：原子位置的函数。
在满足布拉格定律条件下，各个单位晶胞之间没有周相 差。讨论一个晶胞则可以代表整个晶体。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《X射线衍射》部分思考题
1、证明（011-
）、（1
2
1
-
）、（21
3
-
）、（0
-
11）、（1
-
32）晶面属于[111]晶带。
2、X射线衍射实验有哪些实验方法？简述各自实验条件。
采用X射线衍射仪法
进行分析时，准备试样需要考虑哪些因素？
3、实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片。
4、布拉格方程式有何用途？
5、试比较衍射仪法与德拜法的优缺点？
6、多重性因子的物理意义是什么？某立方晶系晶体，其{100}的多重性因子是多少？如该晶体转变为四方晶系，这个晶面族的多重性因子会发生什么变化？
7、物相定性分析的原理是什么？对食盐进行化学分析与物相定性分析，所得信息有何不同？请说明多相混合物物相定性分析的原理与方法？
8、原子散射因数的物理意义是什么？某元素的原子散射因数与其原子序数有何关系？
9、对于晶粒直径分别为100，75，50，25nm的粉末衍射图形，请计算由于晶粒细化引起的衍射线条宽化幅度B（设θ=450，λ=0.15nm）。
对于晶粒直径为25nm 的粉末，试计算θ=100、450、800时的B值。
10、罗伦兹因数是表示什么对衍射强度的影响？其表达式是综合了哪几方面考虑而得出的？
11、CuKα射线（λkα=0.154nm）照射Cu样品，已知Cu的点阵常数为0.361nm，试用布拉格方程求其（200）反射的θ角。
12、有一四方晶系晶体，其每个单位晶胞中含有位于：[0 1/2 1/4]、[1/2 0 1/4]、[1/2 0 3/4]、[0 1/2 3/4]上的四个同类原子，试导出其Ｆ２的简化表达式；该晶体属哪种布拉维点阵？计算出（１００）、（００２）、（１１１）、（００１）反射的Ｆ２值。
13、某陶瓷坯料经衍射定性分析为高岭石、石英和长石原料组成，称取２.５８８g样品做衍射实验，其中它们的最强线各为１８６４、９２３、６２０（ＣＰＳ），已知参比强度各为３.４、２.７、４.２，定量各原料的含量。
14、为使CuKα线的强度衰减0.5，需要用多厚的Ni滤波片？CuKα1和CuKα2的强度比在入射时为1:2，仍采用上述厚度的Ni滤波片之后，其比值有什么变化？（Ni的密度为8.96g/cm3，质量吸收系数为52.7cm2⋅g-1，Cu-λKα=0.15418nm，
Cu-λkα1=0.154050nm，Cu-λKα2=0.154434nm）
15、CuKαX射线得到W（体心立方结构）的Debye-Scherrer图形，最初的4根线条的位置如表格所示，请标出各衍射线的衍射指数，然后计算各衍射线的积分
强度之比，其中第1条衍射线作为10。
（不考虑温度因子和吸收因子，
()M e A F p I 2222cos sin 2cos 1-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=θθθθ相对）
衍射线
θ 1
20.30 2
29.20 3
36.70 4 43.60 16、在衍射仪上用铁的K α辐射扫测钨的衍射花样，如忽略温度因数，试求200110:I I 。
已知：nm Fe K 1987.0=-αλ，nm W 3165.0=α，钨为bcc 结构。
17、X 射线衍射仪法中对粉末多晶样品的要求是什么？
18、已知氯化钠的点阵常数为0.564nm ，今用CuKα辐射在衍射仪上扫描测试其粉末样品，其最低角的三条衍射线由哪三个晶面反射的？求出相应的衍射角。
19、已知某样品中由α（体心立方）、β（面心立方）两相组成，如今在衍射仪上用CoK α对此样品自40°到120°的范围内进行扫描，所得衍射图上有几条衍射峰？标注相应的反射晶面。
（α相点阵常数为0.286nm ，β相点阵常数为0.3 60nm ）
20、某立方晶体的衍射图中，从低角到高角有8个衍射峰，衍射角依次等于，36.58°、55.71°、69.82°、82.73°、95.26°、107.94°、121.90°、138.31°，判断该样品为何种点阵类型？确定对应的衍射指数。
21、物相分析的一般步骤及定性鉴定中应注意的问题是什么？
22、晶胞参数的精确测定及具体方法有哪些？
23、用钯靶的特征X 射线（波长0.581Å）辐射NaCl 晶体的（200）面，在2θ＝11.8°处出现一级衍射。
求（200）面间距？NaCl 晶胞的边长？若已知NaCl 的密度为2.163g.cm -3,摩尔质量为58.443 g.mol -1面，求NaCl 晶胞分子数？晶胞中Na ＋和Cl -数？
24、如何从衍射峰的形状分析样品的结晶程度？
25、金属铝属于立方晶系，用CuK α1射线获得333衍射，θ＝81°17´，求其晶胞参数。
26、CsCl 晶体属于立方晶系，晶胞参数为0.411nm ，晶体密度为3.97g.cm -3。
其衍射线强度在（h+k+l ）为偶数时都很大，为奇数时都很弱，为什么？
27、一元素的特征射线能否激发出同元素同系的荧光辐射，例如能否用Ｃu Ｋα激发出Ｃu Ｋα荧光辐射，或能否用Ｃu Ｋβ激发出Ｃu Ｋα荧光辐射？为什么？
28、为什么Ｘ射线管的窗口要用Ｂe 做，而防护Ｘ光时要用Ｐb 板？。