材料分析方法

1、XRF1基本原理X射線管產(chǎn)生入射X射線（一次射線），照射到被測(cè)樣品上。樣品中的每一種元素會(huì)放射出具有特定能量特征的二次X射線（熒光X射線）。二次X射線投射到分光晶體的表面，按照布拉格定律產(chǎn)生衍射，不同波長(zhǎng)的熒光X射線按波長(zhǎng)順序排列成光譜。這些譜線由檢測(cè)器在不同的衍射角上檢測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，經(jīng)電路放大，最后由計(jì)算機(jī)處理輸出。2XRF樣品制備 理想待測(cè)試樣應(yīng)滿足的條件有足夠的代表性（因?yàn)闊晒夥治鰳悠返挠行Ш穸纫话阒?有10100；試樣均勻；表面平整、光潔、無裂紋；試樣在射線照射及真空條件下應(yīng)該穩(wěn)定、不變型、不引起化學(xué)變化；組織結(jié)構(gòu)一致!3特點(diǎn)，應(yīng)用范圍X射線光譜分析技術(shù)是一種化學(xué)成分分析，相對(duì)于

2、傳統(tǒng)的化學(xué)分析，最大的優(yōu)點(diǎn)就是無損檢測(cè)，應(yīng)用領(lǐng)域及其廣泛，如：冶金、材料、地質(zhì)、環(huán)境及工業(yè)等。它具有分析速度快、樣品前處理簡(jiǎn)單、可分析元素范圍廣、譜線簡(jiǎn)單，光譜干擾少等優(yōu)點(diǎn)。X射線熒光光譜分析不僅可以分析塊狀、粉末還可以分析液體樣品。4. XRF與傳統(tǒng)化學(xué)分析相比無損檢測(cè)、重復(fù)性高、分析速度快、測(cè)試過程簡(jiǎn)單5. XRF與ICP儀器法相比ICP需要融掉樣品，相對(duì)于XRF樣品前處理較復(fù)雜ICP的基體效應(yīng)小，微含量元素測(cè)量占優(yōu)勢(shì)，而XRF對(duì)高含量元素測(cè)量準(zhǔn)確度更高第一章 X射線內(nèi)應(yīng)力的測(cè)定1第I類應(yīng)力（）：在物體宏觀較大體積或多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力。此類應(yīng)力釋放會(huì)使物體宏觀體積或形狀發(fā)生變

3、化，稱之為“宏觀應(yīng)力”或“殘余應(yīng)力”。衍射效應(yīng)：能使衍射線產(chǎn)生位移。第II類內(nèi)應(yīng)力（）：在一個(gè)或少數(shù)個(gè)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。衍射效應(yīng)：引起線形變化（峰寬化）。第III類應(yīng)力（）：在若干原子范圍存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。衍射效應(yīng)：能使衍射強(qiáng)度減弱。2. X射線應(yīng)力測(cè)定的基本原理通過測(cè)定彈性應(yīng)變量推算應(yīng)力（=E）。通過晶面間距的變化來表征應(yīng)變 （=E=Ed/d0）晶面間距的變化與衍射角2的變化有關(guān)。因此，只要知道試樣表面上某個(gè)衍射方向上某個(gè)晶面的衍射線位移量，即可計(jì)算出晶面間距的變化量d/d，進(jìn)一步通過胡克定律計(jì)算出該方向上的應(yīng)力數(shù)值。3. 式中K稱為射線彈性常數(shù)或射線應(yīng)力常數(shù)，簡(jiǎn)稱應(yīng)力

4、常數(shù)。4. 宏觀應(yīng)力測(cè)定方法由應(yīng)力測(cè)定的基本公式： 可知，若測(cè)得M，根據(jù)測(cè)試條件取應(yīng)力常數(shù)K，即可求得測(cè)定方向平面內(nèi)的宏觀應(yīng)力值，因此關(guān)鍵是M的測(cè)定。一般步驟如下： （1）使X射線從幾個(gè)不同的角入射（ 角已知），并分別測(cè)取各自的2 （衍射角）。（2）作出2 - sin2 的曲線，求出斜率M，求出。M0 材料表面為壓應(yīng)力； M0 材料表面為拉應(yīng)力 5. 衍射儀法測(cè)定2- sin2曲線常用方法有兩種1， sin2法為盡量避免測(cè)量時(shí)的誤差，多取 方位進(jìn)行測(cè)量，用最小二乘法求出2 - sin2 直線的最佳斜率。 一般=0、15、30、 45, 測(cè)量對(duì)應(yīng)的2角，繪制2 - sin2關(guān)系圖。2， 045法

5、（兩點(diǎn)法）?。?) 為0和45（或其他兩個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌龋?，分別測(cè)量2，作直線求M值；適用范圍： 已知2-sin2關(guān)系呈良好線性或測(cè)量精度要求不高的工件。6. 根據(jù)平面與測(cè)角儀2掃描平面的幾何關(guān)系，可分為同傾法與側(cè)傾法兩種測(cè)量方式。 同傾法的衍射幾何特點(diǎn)，是平面與測(cè)角儀2掃描平面重合。同傾法中設(shè)定角的方法有兩種，即固定0法和固定法。側(cè)傾法的衍射幾何特點(diǎn)是平面與測(cè)角儀2掃描平面垂直7、為何選高角區(qū)為減小測(cè)量誤差，在應(yīng)力測(cè)試過程中盡可能選擇高角衍射。選擇高角衍射還可以有效減小儀器的機(jī)械調(diào)整誤差等。第二章 材料X射線宏觀織構(gòu)測(cè)定1. 織構(gòu)的基本概念具有擇優(yōu)取向的結(jié)構(gòu)狀態(tài)稱為織構(gòu)（1）絲織構(gòu)：金屬材料中的

6、晶粒以某一結(jié)晶學(xué)方向平行于（或接近平行于）線軸方向的擇優(yōu)取向。 絲織構(gòu)存在于拉、軋或擠壓成形的絲、棒材及各種鍍層。 特點(diǎn)：多晶體中各晶粒的某晶向與絲軸或鍍層表面法線平行，則絲織構(gòu)指數(shù)表示為。（2）板織構(gòu)：存在于軋制、旋壓等成形的板、片狀構(gòu)件內(nèi)。在變形過程中，多數(shù)晶粒不僅傾向于以某一晶向平行于材料的某一特定外觀方向，同時(shí)還以某一晶面（hkl）平行于材料的特定外觀平面（板材表面），這種類型的擇優(yōu)取向稱為板織構(gòu)，一般以(hkl)uvw表示特點(diǎn)：各晶粒的某晶向與軋向（RD）平行；各晶粒的某晶面 hkl 與軋面平行。2. 取向描述了物體從初始取向出發(fā)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)取向的表征(1) 密勒指數(shù)

7、(2) 歐拉角(3) 旋轉(zhuǎn)矩陣(4) 旋轉(zhuǎn)軸角立方金屬軋板常見取向的歐拉角及其晶面晶向指數(shù)的換算3. 極圖 多晶材料中各個(gè)晶粒的某類hkl晶面族法線的極射赤面投影，也就是各個(gè)晶粒的某類hkl晶面在試樣坐標(biāo)系中幾率分布的極射赤面投影圖以多晶體材料的特征外觀方向（軋制平面法向ND、軋制方向RD及橫向TD）作為宏觀參考系的三個(gè)坐標(biāo)軸，取軋制平面為投影面，將多晶材料中每個(gè)晶粒的某一低指數(shù)晶面（hkl）法線用極射赤道平面投影的方法投影在此平面上得到多晶材料的（hkl）極圖。主要用來描述板織構(gòu)hkl反極圖 把多晶材料中垂直于軋面法線（和軋向、橫向）所有晶面的極點(diǎn)全部投影到同一極射赤面投影的基本三角形中，也

8、就是某一樣品的參考方向（ND，RD，TD）在晶體坐標(biāo)系中的幾率分布的極射赤面投影。以晶體的三個(gè)主要晶軸（或低指數(shù)晶向）為參照坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，取與晶體主要晶軸垂直的平面作投影面，將與某一外觀方向平行的晶向的空間分布用極射赤道平面投影的方法投影在此平面上，得到多晶體材料的此特征方向的反極圖。一般描述絲織構(gòu)。4. 取向線分析: 并不需要分析取向分布函數(shù)所能提供的全部數(shù)據(jù)，而只需分析在某一過程中取向空間內(nèi)一些特定取向線上取向分布函數(shù)值的變化過程5. 極圖、反極圖和ODF比較：被測(cè)材料的HKL極圖只表明了材料中hkl晶面的分布情況，并沒有直接得到晶粒取向的分布。反極圖比較直觀全面地表達(dá)了織構(gòu)的情況。

9、優(yōu)點(diǎn)是便于定量處理，可直接將織構(gòu)與物理量變化聯(lián)系起來，測(cè)繪手續(xù)方便，不需特殊的測(cè)角頭。缺點(diǎn)是不能從一張極圖上同時(shí)反映出軋面和軋向的關(guān)系，一般需測(cè)定軋向、法向和橫向三張反極圖?？棙?gòu)的極圖只提供了二維空間，不足以表示三維空間的取向分布問題。三維取向分布函數(shù)能提供三維取向分布信息，用于精確表示織構(gòu)。6. 材料宏觀織構(gòu)測(cè)量方法 反射法 透射法 背散射電子衍射（EBSD技術(shù)）第三章 材料EBSD織構(gòu)分析1. 電子背散射衍射原理電子束轟擊至樣品表面，撞擊晶體中原子產(chǎn)生散射，這些散射電子由于撞擊的晶面類型(指數(shù)、原子密度)不同在某些特定角度產(chǎn)生衍射效應(yīng)，在空間產(chǎn)生衍射圓錐。2. Ge EBSP每一線對(duì)即菊池

10、線，代表晶體中一組平面，線對(duì)間距反比于晶面間距，所有不同晶面產(chǎn)生菊池衍射構(gòu)成一張電子背散射衍射譜(EBSP)，菊池線交叉處代表一個(gè)結(jié)晶學(xué)方向。2. EBSD產(chǎn)生條件固體材料，且具有一定的微觀結(jié)構(gòu)特征晶體(電子束下無損壞變質(zhì)，金屬、礦物、陶瓷，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體)試樣表面平整，無制樣引入的應(yīng)變層足夠強(qiáng)度的束流0.5-10nA高靈敏度CCD相機(jī)樣品傾斜至一定角度(70度)3. 影響EBSD分辨率的因素材料影響-原子序數(shù)高，背散射信號(hào)強(qiáng)，分辨率高樣品的位置-小的工作距離，高分辨率，工作距離15-25mm加速電壓-低加速電壓高分辨率束流-5nA為最佳值4. EBSD樣品制備要求樣品表面平整，沒有樣品

11、制作過程中沒有被破壞避免破壞晶粒之間的晶界樣品表面不能有應(yīng)力層5. EBSD可獲得的信息：晶粒尺寸、形狀晶界特性（晶界類型、錯(cuò)位角）相分布、相鑒定斷面殘余應(yīng)變分布織構(gòu)分布及定量統(tǒng)計(jì)再結(jié)晶形核的分布6.第四章 聚焦離子束技術(shù)（FIB）1. 液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子具有高亮度、極小的源尺寸等一系列優(yōu)點(diǎn)，使之成為目前所有聚焦離子束系統(tǒng)的離子源。液態(tài)金屬離子源是利用液態(tài)金屬在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生場(chǎng)致離子發(fā)射所形成的離子源2. FIB工作原理在離子柱頂端外加電場(chǎng)（Suppressor）于液態(tài)金屬離子源，可使液態(tài)金屬形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)（Extractor）牽引尖端的金屬，從而導(dǎo)出離子束，然后通過靜電透

12、鏡聚焦，經(jīng)過一連串可變化孔徑（Automatic Variable Aperture，AVA）可決定離子束的大小，而后通過八極偏轉(zhuǎn)裝置及物鏡將離子束聚焦在樣品上并掃描，離子束轟擊樣品，產(chǎn)生的二次電子和離子被收集并成像或利用物理碰撞來實(shí)現(xiàn)切割。3. 離子束與材料的相互作用產(chǎn)生的信號(hào)4. 二次離子成像工作原理離子光學(xué)柱將離子束聚焦到樣品表面，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)使離子束在樣品表面做光柵式掃描，同時(shí)控制器作同步掃描。電子信號(hào)檢測(cè)器接收產(chǎn)生的二次電子或二次離子信號(hào)去調(diào)制顯示器的亮度，在顯示器上得到反映樣品形貌的圖像。優(yōu)勢(shì)：二次離子成像與電子成像相比，可以獲得良好的對(duì)比度，而后者可以提供較高的分辨率。第五章1. 襯

13、度傳遞函數(shù)（CTF）具有復(fù)函數(shù)形式襯度傳遞函數(shù)表述了成像系統(tǒng)對(duì)各空間頻率信息的響應(yīng)。襯度傳遞函數(shù)表征了電子顯微鏡的固有性能，它與具體的實(shí)驗(yàn)以及試樣無關(guān)。2. 對(duì)于一個(gè)確定的電子顯微成像系統(tǒng)（加速電壓確定、球差系數(shù)CS確定），總是可以選擇到一個(gè)最佳的欠焦值，使得|sin(u, v)1|的平臺(tái)展開最寬，稱這個(gè)欠焦條件為Scherzer 最佳欠焦條件。3. 點(diǎn)分辨率規(guī)定在 Scherzer 欠焦條件下的sin(u, v)曲線與橫坐標(biāo)的第一交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間頻率的倒數(shù)為電子顯微鏡的點(diǎn)分辨率。信息分辨率將振幅衰減到37的分辨極限標(biāo)線與衰減包絡(luò)函數(shù)曲線的最遠(yuǎn)交點(diǎn)，規(guī)定為電子顯微鏡的信息分辨本領(lǐng)。二維像分類：二

14、維點(diǎn)陣像 二維結(jié)構(gòu)像4實(shí)驗(yàn)高分辨像可直接解釋為結(jié)構(gòu)的條件 試樣足夠?。簼M足弱相位物近似或投影電荷密度近似 成像系統(tǒng)：應(yīng)選擇Scherzer欠焦條件5. STEM工作原理STEM成像不同于一般的平行電子束TEM成像，它是利用會(huì)聚的電子束在樣品上掃描來完成的。在掃描模式下，場(chǎng)發(fā)射電子源發(fā)射出電子，通過在樣品前磁透鏡以及光闌把電子束會(huì)聚成原子尺度的束斑。電子束斑聚焦在試樣表面后，通過線圈控制逐點(diǎn)掃描樣品的一個(gè)區(qū)域。在每掃描一點(diǎn)的同時(shí)，樣品下面的探測(cè)器同步接收被散射的電子。對(duì)應(yīng)于每個(gè)掃描位置的探測(cè)器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流強(qiáng)度顯示在熒光屏或計(jì)算機(jī)顯示器上。樣品上的每一點(diǎn)與所產(chǎn)生的像點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。6. 從探

15、測(cè)器中間孔洞通過的電子可以利用明場(chǎng)探測(cè)器形成一般高分辨的明場(chǎng)像。環(huán)形探測(cè)器接受的電子形成暗場(chǎng)像。7為什么叫原子序數(shù)襯度像HAADF像的強(qiáng)度正比于原子序數(shù)的平方-Z襯度像第六章熱分析1. 熱分析定義：是測(cè)量在受控程序溫度條件下，物質(zhì)的物理性質(zhì)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系的技術(shù)。2. 差熱分析：是在程序控溫條件下，測(cè)量試樣與參比的基準(zhǔn)物質(zhì)之間的溫度差與環(huán)境溫度的函數(shù)關(guān)系。參比物的選取原則：在測(cè)定條件下不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)的惰性物質(zhì)，如剛玉、MgO等。3. 差熱曲線能提供的信息峰的個(gè)數(shù)：吸熱和放熱過程的個(gè)數(shù)。峰的位置：吸熱和放熱過程發(fā)生的溫度。峰的性質(zhì)：向上，放熱；向下，吸熱。峰的形狀：熱反應(yīng)的速率。峰的面積：

16、吸收或釋放的熱量的多少。基線的位置：樣品與參比物的比熱關(guān)系。基線的長(zhǎng)度：物質(zhì)穩(wěn)定存在的溫度區(qū)間。試樣與參比物的溫度差達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值(T)a后，差熱曲線上就出現(xiàn)一段接近平行的直線段，這種直線段稱為基線4. 影響差熱曲線特征的因素試樣粒度的影響：試樣顆粒越大，峰形趨于扁而寬；反之，顆粒越小，熱效應(yīng)溫度偏低，峰形變窄。粒度變化會(huì)引起反應(yīng)速率的變化，從而影響差熱曲線的特征。試樣粒度細(xì)化，會(huì)使結(jié)晶度下降和缺陷增多，導(dǎo)致內(nèi)能增加，反應(yīng)溫度下降，吸熱量減少，造成差熱曲線峰位向低溫方向漂移和峰面積減小。升溫速率的影響：升溫速率會(huì)影響峰的形狀、位置和相鄰峰的分辨率。升溫速率大，峰的形狀陡，峰頂溫度高。升溫速率大

17、，相鄰峰分辨率下降，但對(duì)小峰的檢測(cè)靈敏度提高。5. 示差掃描量熱分析法（DSC）通過對(duì)試樣因熱效應(yīng)而發(fā)生的能量變化進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償，保持試樣與參比物之間溫度始終保持相同，無溫差、無熱傳遞，使熱損失小，檢測(cè)信號(hào)大。靈敏度和精度大有提高，可進(jìn)行定量分析。6. 熱重法是在程序控制溫度下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的技術(shù)7. 微商熱重曲線的優(yōu)點(diǎn)與熱重曲線相比，微商熱重曲線不僅能清楚地反映熱反應(yīng)的起始溫度、終止溫度和達(dá)到最大反應(yīng)速率的溫度，而且提高了分辨兩個(gè)相繼發(fā)生的熱反應(yīng)過程的能力8. 熱重曲線能提供的信息斜坡個(gè)數(shù):熱反應(yīng)的個(gè)數(shù)斜坡高差:試樣的質(zhì)量變化大小斜坡陡緩:熱反應(yīng)速率平臺(tái)長(zhǎng)度:質(zhì)量穩(wěn)定的溫度范圍起始溫

18、度質(zhì)量開始變化時(shí)的溫度Ti終止溫度質(zhì)量變化終止時(shí)的溫度Tf反應(yīng)區(qū)間起始溫度與終止溫度之間的溫度間隔Tf Ti9. 第七章 材料表面分析1. 系列是以受激產(chǎn)生的空穴在哪一個(gè)主殼層來劃分 群是在系列下以填補(bǔ)電子與發(fā)射電子在基態(tài)時(shí)的位置來劃分。2. 對(duì)于K層電離的初始激發(fā)狀態(tài)，其后的躍遷過程中既可能發(fā)射各種不同能量的K系X射線光(K1, K2, K 等)，也可能發(fā)射各種不同能量的K系俄歇電子(KL1L1, KL1L2, 3 等)，這是兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的不同躍遷方式，它們的相對(duì)發(fā)射幾率，即熒光產(chǎn)額K和俄歇電子產(chǎn)額K滿足3.為什么俄歇電子測(cè)表面：這是因?yàn)榇笥诒韺右韵?30的深度范圍處發(fā)射的俄歇電子，在到達(dá)表

19、面以前將由于與樣品原子的非彈性散射而被吸收，或者部分地?fù)p失能量而混同于大量二次電子信號(hào)的背景?？梢杂脕龛b別和分析不同的元素及化學(xué)結(jié)構(gòu)：由于俄歇電子的能量與原子的種類有關(guān)，也與原子所處的化學(xué)狀態(tài)有關(guān)。因此，它是又一種特征能量，具有類似指紋鑒定的效果。5. 俄歇電子能譜儀(AES)基本原理用一定能量的電子束轟擊樣品，使樣品內(nèi)電子電離，產(chǎn)生俄歇電子，俄歇電子從樣品表面逸出進(jìn)入真空，被收集和進(jìn)行分析。6. 俄歇電子能譜分析的特點(diǎn)分析層薄可分析元素范圍廣可進(jìn)行成分的深度剖析或薄膜及界面分析分析區(qū)域小能對(duì)元素的化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析7. 俄歇電子能譜分析的局限性不能分析H和He定量分析精度較低對(duì)多數(shù)元素的探測(cè)靈敏

20、度為原子摩爾分?jǐn)?shù)0.11.0%電子束轟擊損傷和電荷積累限制了其在有機(jī)材料、生物樣品和某些陶瓷材料中的應(yīng)用8. 結(jié)合能指的是固體樣品中電子從某軌道躍遷到Fermi能級(jí)所需要的能量。固體樣品中的電子由Fermi能級(jí)躍遷為真空靜止電子所需要的能量稱為功函數(shù)。9X射線光電子能譜分析特點(diǎn)（XPS）分析層薄分析元素范圍廣具有測(cè)試深度-成分分布曲線的能力空間分辨率差數(shù)據(jù)收集速度慢10. XPS和AES特點(diǎn)對(duì)比分析元素能力:XPS可以測(cè)氫以外的其他元素，AES可以測(cè)氫、氦以外的各種元素定量分析:都可以利用靈敏度因子直接從峰高得到半定量信息可測(cè)定最低濃度:AES和XPS的實(shí)際靈敏度僅為0.1%（原子摩爾分?jǐn)?shù)）化學(xué)態(tài)測(cè)定:XPS的主要優(yōu)