材料分析教学课件-sem2014
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材料分析测试(研究生)2精品PPT课件
对称 晶 性的 高低 系三 Biblioteka 单斜特征对 称元素
无
2 或m
低 正 两个互相垂
直的m或三 交 个互相垂的
2
中四
4
方
晶胞类型
点
群
序 熊夫里 号 斯记号 国际记号
对称元素
abc
1 c1
90 2 ci
3 c2
abc
c 4
s
c 90 5
2h
1
1i
2
2
mm
2/m m,2, i
abc
6 D2
在这些型式中，其对称性由强到弱的排列顺序为：
立方﹥六方﹥三方﹥四方﹥正交﹥单斜﹥三斜
内部结构
晶体 八种宏观对称元素组合
点阵结构
32个点群
微
按平行六面
按特征对称
观 对
体形状划分 7个晶系 元素划分
对 应
称
关
元
系
素
组
晶格型式 14种空间点阵
合
230个空间群
2.2.4 阵点坐标、晶向指数、晶面指数和晶面间距
特征对称元素
晶胞类型
4个按立方体体对角线取向的三重旋转轴。
cF
abc
90
P(简单)
正交orthorhombic
C(底心)
I(体心)
F(面心)
oP
特征对称元素
oC
晶胞类型
2个互相垂直的对称面或3个互相垂直 的对称轴
oI
oF
abc
90
三方(R) trigonal
六方(H)
四方(P)
四方(I)
hexagonal
tetragonal
材料分析4
*表示卡片数据高度可靠。 表示卡片数据高度可靠。 表示卡片数据高度可靠 O可靠程度较低。 可靠程度较低。 可靠程度较低 无符号则表示可靠程度一般。 无符号则表示可靠程度一般。
⑤为实验条件. 为实验条件 为物质的晶体学数据. ⑥为物质的晶体学数据 ⑦为物质的物理性质数据 ⑧为试样来源、制备方式及化学分析数据 为试样来源、 为晶面间距， ⑨为晶面间距，相对强度及干涉指数
2
物相分析
物相分析是指确定物质（材料）由哪些相组成（ 物相分析是指确定物质（材料）由哪些相组成（即物相 定性分析或称物相鉴定）和确定各组成相的含量（ 定性分析或称物相鉴定）和确定各组成相的含量（常以 体积分数或质量分数表示，即物相定量分析）。 体积分数或质量分数表示，即物相定量分析）。
3
一、物相定性分析
22
二、物相定量分析
1.基本原理 基本原理 定量分析的任务是确定物质(样品 中各组成相的相对含量 定量分析的任务是确定物质 样品)中各组成相的相对含量。 样品 中各组成相的相对含量。 由于需要准确测定衍射线强度， 由于需要准确测定衍射线强度，因而定量分析一般都采 用衍射仪法。设样品中任意一相为j，其某(HKL)衍射线 用衍射仪法。设样品中任意一相为 ，其某 衍射线 强度为I 其体积分数为f 样品(混合物 线吸收系数为µ 混合物)线吸收系数为 强度为 j，其体积分数为 j，样品 混合物 线吸收系数为µ； 定量分析的基本依据是： 的增加而增高； 定量分析的基本依据是：Ij随fj的增加而增高；但由于样 品对X射线的吸收 射线的吸收， 亦不正比于f 而是依赖于I 品对 射线的吸收，Ij亦不正比于 j，而是依赖于 j与fj及µ 之间的关系。 之间的关系。
(4)检查这几列数据中第三个 值是否与实验值相对应。 检查这几列数据中第三个d值是否与实验值相对应 检查这几列数据中第三个 值是否与实验值相对应。 再检查后面其余的八强线， 再检查后面其余的八强线，并从中找出最可能的物相及 卡片号。 卡片号。 （5）将实验所得d及 I / I1 与卡片上的数据详细对照，如 ）将实验所得 及 与卡片上的数据详细对照， 果对应很好，则物相鉴定结束。 果对应很好，则物相鉴定结束。
⑤为实验条件. 为实验条件 为物质的晶体学数据. ⑥为物质的晶体学数据 ⑦为物质的物理性质数据 ⑧为试样来源、制备方式及化学分析数据 为试样来源、 为晶面间距， ⑨为晶面间距，相对强度及干涉指数
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物相分析
物相分析是指确定物质（材料）由哪些相组成（ 物相分析是指确定物质（材料）由哪些相组成（即物相 定性分析或称物相鉴定）和确定各组成相的含量（ 定性分析或称物相鉴定）和确定各组成相的含量（常以 体积分数或质量分数表示，即物相定量分析）。 体积分数或质量分数表示，即物相定量分析）。
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一、物相定性分析
22
二、物相定量分析
1.基本原理 基本原理 定量分析的任务是确定物质(样品 中各组成相的相对含量 定量分析的任务是确定物质 样品)中各组成相的相对含量。 样品 中各组成相的相对含量。 由于需要准确测定衍射线强度， 由于需要准确测定衍射线强度，因而定量分析一般都采 用衍射仪法。设样品中任意一相为j，其某(HKL)衍射线 用衍射仪法。设样品中任意一相为 ，其某 衍射线 强度为I 其体积分数为f 样品(混合物 线吸收系数为µ 混合物)线吸收系数为 强度为 j，其体积分数为 j，样品 混合物 线吸收系数为µ； 定量分析的基本依据是： 的增加而增高； 定量分析的基本依据是：Ij随fj的增加而增高；但由于样 品对X射线的吸收 射线的吸收， 亦不正比于f 而是依赖于I 品对 射线的吸收，Ij亦不正比于 j，而是依赖于 j与fj及µ 之间的关系。 之间的关系。
(4)检查这几列数据中第三个 值是否与实验值相对应。 检查这几列数据中第三个d值是否与实验值相对应 检查这几列数据中第三个 值是否与实验值相对应。 再检查后面其余的八强线， 再检查后面其余的八强线，并从中找出最可能的物相及 卡片号。 卡片号。 （5）将实验所得d及 I / I1 与卡片上的数据详细对照，如 ）将实验所得 及 与卡片上的数据详细对照， 果对应很好，则物相鉴定结束。 果对应很好，则物相鉴定结束。
材料现代分析方法课件2
光电效应表明电磁辐射具有粒子性。
• 爱因斯坦的光电理论（1905年，1916年由 密立根实验证实）：
• Ekin=hν–W • 式中：Ekin为电子的动能；W为电极材料的
功函数。
• 电磁辐射的波粒二象性： • E=h • p=h/ • 普朗克常数 h=6.62610-34J.s
（1-2） （1-3）
• 概率，A接收电子，AG2加一扼止电压， 使失去动能的电子不能到达，形成电流。
• 碰撞过程在G1G2空间发生，在加速场的 作用下，电子获得动能，与原子的弹性
碰撞中，电子总能量损失较小，在不断
的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，
就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原
子激发到高能态，电子失去相对应的能 量，使其不能到达A从而不能形成电流。
零，电子不能到达A，形成第一个峰。
• VG2K = 9.8V，电子与原子发生两次非弹性碰 撞，在G2处失去动能，形成第二个峰。
材料现代研究方法
CaiLiao XianDai YanJiu FangFa
第一篇 总论
（材料现代分析方法基础与概述）
第一章 电磁辐射与材料结构
第一节电磁辐射与物质波
一 电磁辐射与波粒二象性
电磁辐射（光的波动性）：在空间传播的交变电 磁场（电磁波）。
特点：不依赖物质存在；横波；同一介质中波速 不变；真空光速极限(c3108m/s)。
一 原子能态极其表征
1 原子结构与电子量子数
原子结构：由原子核和绕核运动的电子组成； 每一个核外电子都具有确定的运动状态(原子 轨道)，相应地具有确定的能量；电子的运动 状态改变时，能量值发生跳变(量子化)。
能级图：按一定比例以一定高度的水平线代 表一定的能量(能级)，并把电子各个运动状 态的能量按大小顺序由下往上排列而构成的 梯级图形。
材料分析方法第二部分-PPT课件
2019/3/7
• 吸收校正：样品对X射线的吸收效应必须 校正。样品越厚，吸收效应越明显。在 样品一定深度处产生X射线光子，在样品 中出射的过程会被样品吸收，引起其强 度降低。已经定义了特征X射线的深度分 布函数，通过计算可以得到吸收校正因 子。积分函数通常用实验确定。
2019/3/7
• 荧光校正：样品中被分析元素之间和同一元素 原子内各壳层之间辐射激发，以及连续谱激发 都会对接收到的X射线强度产生影响，需要校 正。 • 如K-K荧光，被样品中另一元素K辐射所激发 的K辐射。 • fF=1/（1+（If/Ii）） • If/Ii由Castaing表达式给出，可参阅相关文献
2019/3/7
• 阻挡校正：阻挡校正来源于电子与样品的交互 作用，它影响X射线产生的效率。 • 当电子束入射样品后，电子的能量在样品中逐 渐损耗。假定这些损耗是连续的，则能量为 E 的电子经路程长度 x 时，材料的阻挡本领用下 式表示 s=–（1/ρ）•dE/dx • 其中，ρ为材料的密度，s为阻挡本领。负号表 示E随x增加而减小。在实际校正过程中，通常 采用近似公式进行校正计算。
2019/3/7
• 背景校正： • X 射线的背景由样品内产生的连续 X 射线和随 后的样品部分吸收造成，对能谱分析，连续 X 射线在探头内的损失对背景强度有影响。所以 背景校正由以上部分构成。 • X射线能谱（ EDS）与波谱（ WDS）相比，其 峰背比小一个数量级，所以背景校正就更加重 要了。 • 关于连续X射线的产生、在样品内的吸收以及 在探头内的损失，都进行了广泛的实验研究， 给出了专门的表达式，并已经程序化。
材料分析方法
2019/3/7
3 X射线能谱与波谱定量分析
• 3.1定量X射线显微分析：
材料失效分析44页PPT
8
2、应力吸附机理（氢致脆化机理）
认为[H]吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲 和力减弱，即表面能降低。
从Griffith缺口强度理论可知：
σc∝γ1/2
∵ γ↓
∴ σc↓
从而脆化金属，使材料产生早期断裂
9
三、SCC断口形貌特征
1、宏观形貌特征 ●呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹 ●裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚
材料失效分析
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
区别：
●从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程 Fe - 2e → Fe +
氢脆是阴极反应控制过程 H+ + e → [H] 2[H] → H2↑
23
●裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉 氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉
SCC裂纹
氢脆裂纹
24
五、影响氢脆的外部因素
1、温度 氢脆多发生在温度为-100℃—150℃之间，一般最敏感 的温度是室温 温度太低，氢不易扩散和聚结 温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量
不锈钢螺栓氢脆断口 螺钉氢脆断口
19
微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解 理及局部韧断。
20
在不同K值下高强钢的断裂形式
氢脆的沿晶断口
21
四、SCC与氢脆的关系
联系： ● 广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总 伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。 ●微观断口形貌也十分相似
2、应力吸附机理（氢致脆化机理）
认为[H]吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲 和力减弱，即表面能降低。
从Griffith缺口强度理论可知：
σc∝γ1/2
∵ γ↓
∴ σc↓
从而脆化金属，使材料产生早期断裂
9
三、SCC断口形貌特征
1、宏观形貌特征 ●呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹 ●裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚
材料失效分析
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
区别：
●从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程 Fe - 2e → Fe +
氢脆是阴极反应控制过程 H+ + e → [H] 2[H] → H2↑
23
●裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉 氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉
SCC裂纹
氢脆裂纹
24
五、影响氢脆的外部因素
1、温度 氢脆多发生在温度为-100℃—150℃之间，一般最敏感 的温度是室温 温度太低，氢不易扩散和聚结 温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量
不锈钢螺栓氢脆断口 螺钉氢脆断口
19
微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解 理及局部韧断。
20
在不同K值下高强钢的断裂形式
氢脆的沿晶断口
21
四、SCC与氢脆的关系
联系： ● 广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总 伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。 ●微观断口形貌也十分相似
第三章-扫描电子显微镜ppt课件
入射电子束在样品中的扩展效应：提高电子束能量在一 定条件下对提高分辨率不利；
成像方式及所用的调制信号：二次电子像的分辨率约等 于束斑直径（几个nm），背反射电子像的分辨率约为50200nm。X射线的深度和广度都远较背反射电子的发射范 围大，所以X射线图像的分辨率远低于二次电子像和背反 射电子像。
的可供采集的信号。 随着信号的有效作用深度增加，作用区范围增加，信号产生
的空间范围也增加，信号的空间分辨率降低。
入射电子束
俄歇电子（0.4~2 nm） 二次电子 (5~10 nm) 背散射电子(100 nm~1 m)
特征X射线 连续X射线
S精E品M课件的分辨率指的是二次电 子的分辨率。
3.1 扫描电镜的工作原理（重点）
T < 295 K
T 295 K
微空洞和 夹杂物
解理面
塑性断裂
精品课件
塑性和脆性断裂同时存在
脆性断裂
8.1 断口形貌分析
共聚聚丙烯(H0)、乙烯-聚丙烯嵌段共聚物(C1-C3) 薄膜在不同温度下的断口形貌
精品课件
. Ferrer-Balas et al., Polymer 43, 3083-3091 (2002)
精品课件
三种主要信号的产生过程
弹性背散 射电子
入射电子
非弹性背 散射电子
特征X射线
精品课件
二次电子
Байду номын сангаас
其他信号
俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后，外层电 子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子 挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。详细的介绍见本书第 三篇第十三章俄歇电子能谱部分。
透射电子 :电子穿透样品的部分。用于透射电镜的明场像 和透射扫描电镜的扫描图像, 以揭示样品内部微观结构的 形貌及物相特征。详细的介绍见本书第二篇第九章电子衍 射和显微技术部分。
成像方式及所用的调制信号：二次电子像的分辨率约等 于束斑直径（几个nm），背反射电子像的分辨率约为50200nm。X射线的深度和广度都远较背反射电子的发射范 围大，所以X射线图像的分辨率远低于二次电子像和背反 射电子像。
的可供采集的信号。 随着信号的有效作用深度增加，作用区范围增加，信号产生
的空间范围也增加，信号的空间分辨率降低。
入射电子束
俄歇电子（0.4~2 nm） 二次电子 (5~10 nm) 背散射电子(100 nm~1 m)
特征X射线 连续X射线
S精E品M课件的分辨率指的是二次电 子的分辨率。
3.1 扫描电镜的工作原理（重点）
T < 295 K
T 295 K
微空洞和 夹杂物
解理面
塑性断裂
精品课件
塑性和脆性断裂同时存在
脆性断裂
8.1 断口形貌分析
共聚聚丙烯(H0)、乙烯-聚丙烯嵌段共聚物(C1-C3) 薄膜在不同温度下的断口形貌
精品课件
. Ferrer-Balas et al., Polymer 43, 3083-3091 (2002)
精品课件
三种主要信号的产生过程
弹性背散 射电子
入射电子
非弹性背 散射电子
特征X射线
精品课件
二次电子
Байду номын сангаас
其他信号
俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后，外层电 子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子 挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。详细的介绍见本书第 三篇第十三章俄歇电子能谱部分。
透射电子 :电子穿透样品的部分。用于透射电镜的明场像 和透射扫描电镜的扫描图像, 以揭示样品内部微观结构的 形貌及物相特征。详细的介绍见本书第二篇第九章电子衍 射和显微技术部分。
超细粉体制备-SEM分析
制备的主要要求是：尽可能使样品的表面 结构保存好，没有变形和污染，样品干燥并且有良好导电性 能。一般为了增加样品的导电性，采取喷金操作，利用电子 溅射仪，向样品表面喷射一层导电性好的金属增加样品的导 电性提高样品的导电性，减少累计负电荷，提高成像质量。 一般对样品无影响。另外，扫描电镜生物样品制备技术大多 数生物样品都含有水分，而且比较柔软，因此，在进行扫描 电镜观察前，要对样品作相应的处理。 。
目前扫描电镜的分辨力为6~10nm，人眼能够区别荧光屏上两 个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为 0.2mm/10nm=20000X。 它是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子 轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、 特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可 见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子 -空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。 原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样 品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结 构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根 据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择 检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有 关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成 分的信息。
其他形貌分析方法:透射电镜(TEM)、扫描隧道电子显微镜 （STM）、原子力显微镜（AFM）。 透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳米粉体材 料的分析。其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形貌， 颗粒大小，分布以还可以获得特定区域的元素组成及物相结构 信息。透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析，但颗粒大 小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。对块体样品的分 析，透射电镜一般需要对样品进行减薄处理 扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分 析。可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电性的薄膜 材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不 能分析。 扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率 可以达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体样品，不 适合纳米粉体的形貌分析。
目前扫描电镜的分辨力为6~10nm，人眼能够区别荧光屏上两 个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为 0.2mm/10nm=20000X。 它是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子 轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、 特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可 见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子 -空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。 原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样 品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结 构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根 据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择 检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有 关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成 分的信息。
其他形貌分析方法:透射电镜(TEM)、扫描隧道电子显微镜 （STM）、原子力显微镜（AFM）。 透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳米粉体材 料的分析。其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形貌， 颗粒大小，分布以还可以获得特定区域的元素组成及物相结构 信息。透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析，但颗粒大 小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。对块体样品的分 析，透射电镜一般需要对样品进行减薄处理 扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分 析。可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电性的薄膜 材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不 能分析。 扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率 可以达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体样品，不 适合纳米粉体的形貌分析。