材料測試技術(shù)第2版分析

1、光學(xué)顯微鏡 : 分辨率 200nm 放大倍數(shù)約 1000 倍 觀察尺寸級別為 10 的平方 nm 觀察 不到位錯和原子排列化學(xué)分析：得到樣品的平均成分，卻不可知所含元素分布情況（淬火剛中未溶碳化物附 近的高碳區(qū)形成硬脆的片狀馬氏體，含碳量較低的區(qū)域形成強(qiáng)而韌的板條馬氏體）X 射線 （ XRD） 毫米數(shù)量級（看不到微米及納米級）分析材料晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、 晶體缺陷、不同結(jié)構(gòu)相含量、內(nèi)應(yīng)力電子顯微鏡（ EM）：（1）TEM 投射電子顯微鏡分辨率 0.1nm 放大倍數(shù) 10的 6次方倍 樣品內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與形態(tài) 晶體結(jié)構(gòu)鑒定 （ 2）SEM 掃描電子顯微鏡 分辨率 1nm 放大倍數(shù) 2乘10的5次方

2、倍表面形貌（斷口）、表面成分分布情況（3） EPMA電子探針 掃描電鏡與電子探針相結(jié)合 觀察微觀形貌同時進(jìn)行化學(xué)成分分析（ 4） STEM掃描透鏡 （三位一體）圍觀區(qū)域組織形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)鑒定、化學(xué)成分分析X射線本質(zhì)：屬電磁波或電磁輻射同時具有波動性和粒子性波粒二象性可見光波長 390-760nm X 射線波長范圍 0.01-10nm 用于衍射分析 0.05-0.25nm用于金屬探傷 0.005-0.1nm描述 X 射線的頻率 、波長與參量能量、動量關(guān)系 關(guān)系式X射線強(qiáng)度（用波動性定義）：單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量的大小I由光子能量和粒子數(shù)目兩個因素決定強(qiáng)度與波振幅 A的

3、平方成正比X射線的波動性：反映在一物質(zhì)運動的連續(xù)性和在傳播過程中發(fā)生的干涉、衍射過程 粒子性：表現(xiàn)在與物質(zhì)相互作用和能量交換的時候X射線的產(chǎn)生及X射線管：高速運動著的帶電或不帶電粒子與某種相撞擊且與該物質(zhì)中 的內(nèi)層電子相作用而產(chǎn)生的X射線產(chǎn)生的基本條件：產(chǎn)生自由電子、使電子做定向高速運動、在電子的運動路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物陰極：發(fā)射電子（鎢絲）陽極：靶，使電子減速并發(fā)射X射線（常用靶材 Cr Fe Co Ni Cu Mo Ag W 軟X射線:Al 靶）窗口： X 射線射出通道（材料：金屬鈹 硼酸鈹鋰（林德曼玻璃）理想狀態(tài)：較小焦點-提升分辨率；較強(qiáng) X射線強(qiáng)度-縮短曝光時間連續(xù)X射線譜

4、：產(chǎn)生的兩種解釋：（ 1）經(jīng)典電動力學(xué)：一個高速運動的電子到達(dá)靶面上時，因突然減 速產(chǎn)生很大的負(fù)加速度，這種負(fù)加速度一定會引起周圍電磁場的急劇變化，產(chǎn)生電磁 波（2）量子理論：當(dāng)能量為 eu的電子與靶的原子整體相碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，而每碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv 的光子光子能量極限情況 關(guān)系式X管射線連續(xù)x射線的效率連續(xù)x射線總強(qiáng)度/X管功率K l m eUk>=Wk（ 逸出功 ） Uk 為臨界激發(fā)電壓K層電子被擊出一k系激發(fā)-引起的電子躍遷-k系輻射問：為什么 Ka 線比 Kb 線的波長長而強(qiáng)度高？ 不僅各能及能量不同，各能及之間的能量差也是不一

5、樣的，越靠近原子核的相鄰能及 間能量差越大前者能量差小于后者能量差又能量差與波長成反比所以問：為什么 Ka 線比 Kb 線的強(qiáng)度大 5 倍左右？躍遷幾率決定譜線強(qiáng)度，電子有 l-k層躍遷的幾率比從 m-k層躍遷的幾率大5倍左右 特征 x 射線的頻率或波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能及結(jié)構(gòu)，而與其他外界因素?zé)o 關(guān)莫塞萊定律：根號下頻率 =k （z-表他） 是x射線熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分 分析的理論基礎(chǔ)X射線與物質(zhì)的相互作用：散射能量、吸收能量、透過物質(zhì)X射線的散射：（1）相干散射：物質(zhì)對 x射線散射的實質(zhì)是物質(zhì)中的電子與x射線光子的相互作用，當(dāng)入射光子碰撞電子后，若電子能牢固的保持在原來位

6、置上，則光子將產(chǎn)生剛性碰撞，其作用效果是輻射出電磁波散射波。這種散射波的波長和頻率與 入射波完全相同，新的散射波之間可以發(fā)生相互干涉（ 2 ）非相干散射：當(dāng) X 光量子沖擊舒服較松的外層電子或價電子或金屬晶體中的自由 電子，該電子將被撞離遠(yuǎn)還行方向同時帶走光子的一部分動能成為反沖電子，同時在 a 角度下產(chǎn)生一個新光子，由于入射光子一部分能量轉(zhuǎn)化為電子的動能，因此能量較碰 撞前要小，散射輻射的波長應(yīng)比入射波長長，波長增量取決去散射角 a 散射相位與入 射波相位之間不存在固定關(guān)系，故這種散射是不相干的二次特征輻射：由 x 射線激發(fā)所產(chǎn)生的特征 x 射線為二次特征 x 射線或熒光 x 射線 靶材料的

7、選擇（原子序數(shù)）當(dāng)Z靶<40時，貝y Z片=Z靶-1 Z靶>=40時，貝y Z片=Z靶-2若試樣的K系吸收限為 欄目他k應(yīng)選擇靶的Ka波長稍大于欄目他 kZ 靶 <=Z 試樣 +1三：單包節(jié)點數(shù)數(shù)： N=Ni+Nf/2+Nc/8晶向指數(shù)：化整 晶面指數(shù)：取倒數(shù)晶帶定律：hu+kv+lw=0 屬于（uvw）晶帶的晶面指數(shù)（hkl ）都符合定律立方晶系的面間距公式：d=a/根號下h平方+k平方+1平方<4>布拉格方程：2dsin 0 =入（d :晶面間距；B: x射線入射角；入：x射線波長） <5>布拉格方程應(yīng)用：1. 結(jié)構(gòu)分析：利用已知波長的 x 射線，

8、通過測量0角，可計算出晶面間距 d2. x 射線光譜學(xué)：利用已知晶面間距d的晶體，通過測量0角，從而計算出未知x射線的波長<6>x 衍射方法勞埃法 單晶體 入變化（連續(xù)x射線作光源） 0不變 周轉(zhuǎn)晶體法單晶體入不變化0（部分）變化確定未知晶體的晶體結(jié)構(gòu)粉末法多晶體 入不變化0變化試樣獲得容易，衍射花樣反映晶體的方面，可以進(jìn)行 物相定性分析和定量分析平面底面照相法 透射和背射 背射計算公式： tan2 0 =L/D, 分析整個圓環(huán)上的衍射特征， 適用于研究晶體大小，擇優(yōu)取向以及點陣常數(shù)的精確測定四 <1>晶體結(jié)構(gòu)分析把握哪兩方面信息？此信息如何獲知？答：衍射方向，即0角

9、利用布拉格方程衍射強(qiáng)度 x 射線衍射強(qiáng)度<2> 原子散射因子： f=Aa/Ae=（Ia/Ie） ?（Aa 原子散射波振幅；Ae 電子散射波振幅 ）Fhkl=刀fj=e2 n i (hu+kv+lw )當(dāng)sin 0 /入減小時，f增大，sin 0 =0時，f=Z, 般情況下f w Z<3> 結(jié)構(gòu)因子（與晶胞的形狀和大小無關(guān)）<4> 系統(tǒng)消光規(guī)律簡單無全部底心h+k為奇數(shù)h+k為偶數(shù)體心h+k+l奇數(shù)h+k+l偶數(shù)面心h,k,l異性數(shù)h,k,l同性數(shù)不存在的譜線指數(shù) hkl存在的譜線指數(shù) hkl產(chǎn)生衍射的充要條件：2dsin 0 =入；消光規(guī)律<5>

10、 粉末法中影響 x 射線強(qiáng)度的因子結(jié)構(gòu)因子；角因子（包括極化因子和洛倫茲因子）；多重性因子；吸收因子；溫度因 子洛： cos/(sin2 0 sin2 0 )=cos 0 /(sin2 0 sin2 0 )=1/(4sin0 sin 0 cos 0 )角：(1+cos2 0 cos2 0) /sin 0 sin 0 cos 0 = ® ( 0 )<6>洛倫茲因子有幾個組成？各代表什么含義？第一幾何因子（晶粒大?。篒 x入3 /Vcsin2 0 （反映出參加衍射的晶粒體積即Vc即晶粒大小對衍射強(qiáng)度的影響規(guī)律 ）第二幾何因子（晶粒數(shù)目） S/S= A0 cos 0 b/2（

11、在晶粒完全混亂分布條件下，粉末多晶 粒的衍射強(qiáng)度與參加衍射晶粒數(shù)目成正比，而這一衍射數(shù)目與衍射角有關(guān)，即I *0 ）第三幾何因子（衍射線位置）I * 1/sin2 0因衍射線所處位置不同對衍射強(qiáng)度的影響7粉末法衍射強(qiáng)度公式:1=10（入 3/32 n R）（e 2/mc2） 2（V/Vc 2）PF2 ® （ 0 ）A（ 0 ）e- 2MI0：入射XRD射線；入：入射 X波長；R與試樣觀測距離；V:晶體被照射體積；Vc:單位晶胞體積；P:多重性因子；F2:晶胞衍射強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)因數(shù)）；（0）:角因子；A（ 0 ）:吸收因子；e-2M 溫度因子；e-電子電荷 1.602 x 10-19C ；

12、 m-電子質(zhì)量 9.1 x 10-31kg ； c-光速五1粉末法：分為照相法，衍射儀法照相法：德拜謝樂法：底片位于相機(jī)圓通內(nèi)表面，試樣位于中心軸上聚焦照相法：底片，試樣X射線源均位于圓周上針孔法：底片為平板形與X射線束垂直放置試樣形狀試樣尺寸粒度接收方式吸收項德拜圓筒直徑0.5mm, 長 10mm10-5103cm底片感光（同 時性）A( 0 )衍射儀平板孔框：20mmx 15mm微米至幾十 微米輻射探測器 （延測角儀連續(xù)吸收）1/2 x2德拜謝樂法和衍射儀試樣3粉末法中，粉末顆粒過大或過小會使結(jié)果有何影響？ 答：尺寸大，參加衍射晶粒數(shù)減小，會使衍射線條不連續(xù)；尺寸太小，會使衍射線條變寬 試

13、樣中不能存在內(nèi)應(yīng)力，會使衍射線條變寬，須將其在真空或保護(hù)性氣體中退火 4X衍射儀：X-Ray發(fā)生裝置；測角儀；輻射探測器；記錄單元5德拜相機(jī)：光闌：限制 X射線的不平行度和固定 X射線的尺寸和位置承光管：監(jiān)視X射線和試樣的相對位置，同時吸收透射的X射線底片的安裝：正裝法：物相分析，俯角的弧線接近中心孔，高角線線靠近端部反裝法：適用于點陣常數(shù)的測定 偏裝法：消除由于底片收縮，試樣偏小以及相機(jī)半徑不準(zhǔn)確所產(chǎn)生的誤差 相機(jī)半徑越大，0角越大，X射線波長越長，那么分辨率越高；面間距越大，分辨率越小德拜法：用于點陣常數(shù)的測定。誤差來源：相機(jī)半徑誤差；底片收縮；試樣的偏心；吸收 誤差；X射線的折射誤差六1

14、氣體：正比計數(shù)器，蓋革計數(shù)器；固體：半導(dǎo)體計數(shù)器，閃爍計數(shù)器（利用X射線激發(fā)某種物質(zhì)會產(chǎn)生可見的熒光）技術(shù)測量裝置：定標(biāo)器（間歇式，定時計數(shù)法和定數(shù)計時法）；計數(shù)率儀（連續(xù)測量，計 數(shù)與計時的組合）2衍射儀的技術(shù)測量方法：連續(xù)掃描測量法（將計數(shù)器連接到計數(shù)率儀上，速度快）階梯掃描測量法（計數(shù)器與定標(biāo)器，速度慢）實驗參數(shù)的選擇：小的狹縫光闌，可以提高精確度，如果主要為測量衍射強(qiáng)度，加大光闌；小的時間常數(shù)，小的掃描速度，可以提高精確度定量分析中最大障礙：測定強(qiáng)度與理論強(qiáng)度不一致。原因：擇優(yōu)取向；碳化物干擾；消光 效應(yīng)；微吸收效應(yīng)。3識別Ka和KB衍射線的依據(jù)？答：根據(jù)布拉格方程，sin 0與波長成

15、正比，由于 K3 d的波長比Ka短，所以0B小于0a,并且 Ka線和KB線之間存在著如下固定關(guān)系：sin 0 a /sin 03 =入久/入B =常數(shù)入射線中 Ka的強(qiáng)度比K3大3-5倍，因此在衍射花樣中的 Ka線強(qiáng)度比 K3大得多，這一點是區(qū)分二者的重要依據(jù)。（1）定性分析：X射線在某種晶體上的衍射必然反映出帶有晶體特征的特定衍射花樣（0I ）根據(jù)衍射線條的位置經(jīng)過一定的處理便可確定物相是什么，為定量：根據(jù)眼涉嫌以奧德位置和強(qiáng)度就可以確定物相是什么(2) 單相物質(zhì)定性分析當(dāng)以求出 d 和 I/I ( 1)后，1. 根據(jù)待測相的衍射數(shù)據(jù)，的出三強(qiáng)線的晶面間距d(1)、 d(2)、 d( 3)2

16、. 根據(jù)d (1)(或d (2)、d (3)在數(shù)值索引中檢索適當(dāng)?shù)膁值，找出d、d、d值復(fù)合較好的一些卡片。3. 把待測相的三強(qiáng)線的 d與1/1(1)與卡片上各物質(zhì)比較，淘汰不符合的卡片，最后獲得與實驗數(shù)據(jù)一一符合的卡片。( 3)定量分析1. 內(nèi)標(biāo)法(僅限用于粉末式樣)：在待測試樣中參入一定含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，把試樣中 待測相的某根衍射線條強(qiáng)度與摻入試樣中含量一致的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的某根衍射條強(qiáng)度相比較， 從而獲得待測含量。2. 外標(biāo)法(單線條法)：將所需物相的純物質(zhì)另外單獨標(biāo)定，然后與多相混合物中待測相的相應(yīng)衍射強(qiáng)度相比較而進(jìn)行的。第九章(1) 分辨率：成像物體上能分辨出來的兩個物點間的最小距離厶r (

17、0) =1/2入=0.61入/nsin a(2) 像差：幾何像差：球差：來源：遠(yuǎn)軸電子比近軸電子被折射程度過大r (s) =1/4C(s) a A3減小措施：減小球差系數(shù)減小孔徑半角a 加極靴像散：來源：透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱、極靴孔不圓、上下極靴錯位、 極靴受污染 措施：引入一個強(qiáng)度和方位都可以改變的矯正磁場(消像散 器)來進(jìn)項補償色差：來源：入射電子的波長(能量)的非單一性措施：(樣品薄)采用穩(wěn)定加速電壓(3) 分辨率：由衍射效應(yīng)和球面像差決定物鏡的球差直接限制了電鏡的分辨率衍射效應(yīng)： r (0) =1/2入=0.61入/nsin a a上升入下降導(dǎo)致厶r下降分辨率上升像差：(球差為主要限制

18、因素)同時考慮衍射和球差對分辨率影響，需求一個最佳 孔徑半角(4) 景深：透鏡物平面允許的軸向偏差D(f)(5) 焦長：透鏡物平面允許的軸向偏差D(L)透射電鏡：電子光學(xué)系統(tǒng)(核心) ：照明系統(tǒng)，成像系統(tǒng)，觀察記錄系統(tǒng)電源與控制系統(tǒng)真空系統(tǒng)光闌：聚光鏡光闌：位置：第二聚光鏡下作用：閑置照明孔徑角(20-400卩m)范圍物鏡光闌(襯度光闌)：位置：物鏡的后焦面上(20-1200卩m作用：使物鏡孔徑角減小，降低像差 在后焦面上套取衍射束的斑點成像選區(qū)光闌：物鏡像平面位置作用是電子束只能通過光闌孔的限定微區(qū)(20-400卩m)(1) XRD與電子衍射的異同點相同點：是以滿足布拉格方程作為產(chǎn)生衍射的必

19、要條件；衍射花樣在幾何圖形上也相似不同點：電子波波長比 X-Ray 短得多，衍射角小電子衍射時采用薄晶樣品，使略微偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射 電子波波長短，采用愛瓦爾德球圖解是給分析帶來方便 原子對電子的散射能力遠(yuǎn)高于它對 X-Ray 的散射能力，攝取衍射花樣的曝光時間短。 倒易點陣a*=b*c/v b*=c*a/v c*=a*b/vV=a（ b* c）= b（ c* a）= c（a*b） 某一倒易基矢垂直于正點陣中和自己異名的二基矢所成平面 性質(zhì)（ 1）正倒點陣異名基矢點乘為 0，同名基矢點乘為 1. （ a*b=0 a*a=1 ）（ 2） 0*-（hkl） g（hkl）=h a*+

20、kb*+l c*1. 倒易矢量 g（hkl） 垂直于正點陣中相應(yīng)的（ hkl ）晶面，或平行于它們的法向N（ hkl ）2. 倒易點陣中的一個點代表的是正點陣中的一組晶面（3）倒易矢量的長度等于正點陣中相應(yīng)晶面間距的倒數(shù)，即g（hkl ） =1/d （ hkl ）（ 4）對正交點陣有： a*/a b*/b c*/c a*=1/a b*=1/b c*=1/c （5）只有在立方點陣中，晶面法向和同指數(shù)的晶相是重合（平行）的。用埃瓦爾德球解釋布拉格方程1以倒易原點0*為端點作入射波的波矢量k, k平行于入射束方向且k=1/入2以0為中心，1/入為半徑作一個球，若有倒易陣G （指數(shù)為hkl ）正好落在

21、球面上，則衍射束方向為 0G即則此的O*G=g=k' -k3由0向0*G作垂線垂足為D,因為g平行于（hkl ）晶面法向N （ hkl ）所以0D是正 空間中（hkl ）晶面方位，若其與入射束方向夾角為則0*D=00*sin 0,1 卩 g/2=ksin B 且 g=1/d , k=1/ 入，所以 2dsin 0 =入相對于某一特定晶帶軸【uvw】的零層倒易截面內(nèi)各倒易陣點的指數(shù)受到兩個條件的約 束。各倒易陣點和晶帶軸指數(shù)間必須滿足晶帶定理，即hu+kv+lw=O只有不產(chǎn)生消光的晶面才能在零層倒易面上出現(xiàn)倒易陣點電子衍射基本公式：R=X Lg（hkl）= Kg（hkl） R :正空間中

22、矢量入L：電子衍射相機(jī)常數(shù)L :相機(jī)長度K：協(xié)調(diào)正倒空間的比例常數(shù)也為比例系數(shù)或放大倍數(shù)電子衍射花樣標(biāo)定（單晶體）1.嘗試校核法2.RA2比值法3.標(biāo)準(zhǔn)花樣對照法4.未知晶體結(jié)構(gòu)，相機(jī)常數(shù)已知的衍射花樣標(biāo)定步驟：1.測量 R1 R2 R3 R4 2. 根據(jù) R=X L/d，可求 di, d2, d3, d4.3. 由d值定出相應(yīng)晶面族指數(shù)hkl，即由d1查出h1k1l1.4. 量角儀測定各衍射斑點之間夾角”5.決定離開中心斑點最近衍射斑點的指數(shù)。第一個斑點的指數(shù)可以是等價晶面中的任意一個6. 決定第二斑點的指數(shù) ，對于立方晶系夾角公式，cos 2 =h1h2+k1k2+l1l2/ V（初人2+

23、陽人2+11人2 ）（ h2A2+k2A2+02 ）7. 一旦決定兩個斑點，那么其他斑點可以根據(jù)矢量運算求得，由圖R1+R2=R3h1+h2=h3 k1+k2=k3 l1+l2=l38. 根據(jù)晶帶定理求晶帶軸指數(shù)【uvw】 =g（h1k1l1 ） *g（h2k2l2 ）9. 整理數(shù)據(jù)驗證結(jié)果復(fù)雜電子衍射花樣1 高階勞埃斑點 2 超點陣斑點 3 二次衍射斑點 4 孿晶斑點 5 菊池衍射花樣 （高階勞埃）增加與埃瓦爾德球接觸幾率1 晶格常數(shù)大 2晶格很薄 3當(dāng)電子衍射花樣不正 4電子波波長越大 r*g=N N=0 ， +-1 廣義晶帶定理 二次衍射斑點為一次衍射束和晶面組之間再次產(chǎn)生布拉格衍射時形

24、成的 菊池來源為非彈性散射第十四章 掃描電子顯微鏡 關(guān)于電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的各種信號1 背散射電子 作用：不僅能用做形貌分析而且還可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性的 用作成分分析2 二次電子作用：非常有效的顯示樣品的表面形貌（不能用作成分分析）3 吸收電子作用：吸收電子能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度同樣可以用來進(jìn)行定性的微區(qū)成分分析4 透射電子作用：微區(qū)成分分析5 特征 X 射線 作用：根據(jù)樣品微區(qū)中存在某一種特征波長，就可以判定這個微區(qū)中 存在著相應(yīng)的元素6 俄歇電子 作用：表面層成分分析 掃描電鏡的構(gòu)造及原理 電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）電子槍 電磁透鏡 掃描線圈 樣品室 信號收集處理 圖像顯示和記錄系

25、統(tǒng) 真空系統(tǒng)掃描電鏡的主要性能1 分辨率 即二次電子像的分辨率與檢測信號的種類有關(guān) 二次電子（或俄歇電子）的分辨率最高。而特征 x 射線調(diào)制成顯微圖像的分辨率最低 2 放大倍數(shù)M=AL/AS AL 熒光屏上陰極射線同步掃描速度 AS 電子束在樣品表面的掃描速度減小鏡筒中電子束的掃描速度就可以得到高的放大倍數(shù)即AS增大M減小AS減小M增大應(yīng)用 二次電子成像 背散射電子襯度相干散射：當(dāng)X射線通過物質(zhì)時，物質(zhì)原子的電子在電磁場的作用下將發(fā)生受迫振動，受迫振動產(chǎn)生交變電磁場，頻率與 x 射線的頻率相同，這種由于散射線與 x 射線的波長和頻 率一致，位相固定，在相同位相上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。非相干散射 ：當(dāng) x 射線經(jīng)束縛大的電子或自由電子散射后可以得到波長比入射x 射線長的射線，且波長隨散射方向不同而改變，稱為非相干散射。熒光輻射：一個具有足夠能量的 x射線光子從原子內(nèi)部打擊一個 K電子，當(dāng)外層電子來填 充K空位時，將向外輻射 k系x射線，這種由x射線光子激發(fā)原子所發(fā)生的輻射過程。 吸收限:x射線通過物質(zhì)時光子能量 或=使物質(zhì)原子激發(fā)的能量。如入射光子的能