冶金工程實驗4物相分析

1、第四章 冶金物相分析（1）爐渣物相的分析 例如：轉(zhuǎn)爐渣隨堿度的增加，渣中物相的生成次序為 CaO.MgO.SiO2（鈣鎂橄欖石，簡寫為CMS） 2CaO.MgO.2SiO2(鎂薔薇輝石，簡寫為C3MS2） 2CaO.SiO2(硅酸二鈣，簡寫為C2S） 3CaO.SiO2(硅酸三鈣，簡寫為C3S） 析出CaO 4.1 物相分析在鋼鐵冶金中的應(yīng)用(2) 鋼中夾雜物 例如：氧化物夾雜 Al2O3, SiO2, 12CaO.7Al2O3, MnO.SiO2 硫化物夾雜 MnS, FeS，CaS 氮化物夾雜 AlN，TiN (3) 耐火材料 例如：鎂質(zhì)耐火材料 MgO, 膠結(jié)相 C2S，C3S，C2F等

2、 (4) 燒結(jié)礦 例如：Fe3O4, FeO, Fe2O3, 膠結(jié)相 CF，C2F，CFS （鈣鐵橄欖石)，如生成C2S，C2SC2S體積膨脹 10%，會造成燒結(jié)礦冷卻后粉化 觀察透明樣品使用透射式顯微鏡, 稱為巖相顯微鏡。 觀察不透明樣品使用反射式顯微鏡，稱為金相顯微鏡；4.2 光學(xué)顯微鏡圖4-1 透反兩用顯微鏡系統(tǒng)光路圖1.光源；2聚光鏡；3濾光片；4聚光鏡；5孔鏡光欄；6第透鏡；7視場光欄；8第二透鏡；9半透半反射鏡；10第三透鏡；11物鏡；12.補償透鏡；13轉(zhuǎn)向棱鏡；14雙目棱鏡；15目鏡；16反射鏡；17第四透鏡；18.第五透鏡；19孔徑光欄；20.聚光鏡組；21試樣或標本切片；2

3、2暗場錐形反射鏡；23暗場反射鏡；24小透鏡；25玻璃屏；26檢偏鏡；27起偏鏡；27攝影門鏡；29快門；30投影屏；31反射鏡；32暗盒 巖相顯微鏡是在透射光下測定透明礦物的物理光學(xué)性質(zhì)，以鑒定和研究物相的一種方法。 偏光是在光路中加入起偏振鏡和檢偏振鏡構(gòu)成的。自然光（燈光）通過偏振鏡可變?yōu)槠窆?，在偏光下可觀察到透明礦物的物理光學(xué)性質(zhì)，以作為鑒別礦物的依據(jù)。薄片的制作：將樣品粘附在載玻璃片上，磨到0.03mm厚度，至透明，放在巖相顯微鏡觀察。 4.2.1 巖相顯微鏡（偏光顯微鏡）()單偏光觀察 在光路中僅插入下偏光鏡(起偏鏡)， 得到單偏光。 在單偏光下可觀察到物相的形狀、大小、數(shù)量、分布

4、、透明度、 顏色、 多色性及解理。 在單偏光下旋轉(zhuǎn)樣品、礦物顏色發(fā)生變化，稱為多色性。 例如： 鉻硅酸鹽的多色性為 黃一綠一深綠， 錳橄欖石的多色性為 棕紅 一 淡紅 一 蘭綠色。巖相顯微鏡鑒別分析物相的方法： ()正交偏光觀察 在單偏光光路的基礎(chǔ)上，加入上偏光鏡(檢偏鏡)，即構(gòu)成正交偏光光路，可對礦物的消光性，干涉色等光學(xué)性質(zhì)進行測定。 偏光通過均質(zhì)體礦物后， 振動方向不發(fā)生變化， 所以光不能 通過上偏光鏡， 視場呈黑暗消光現(xiàn)象。 正交偏光鏡的裝置及光學(xué)特點 ()正交偏光觀察 非均質(zhì)體礦物因光學(xué)性質(zhì)各向異性，旋轉(zhuǎn)載物臺一周，出現(xiàn)四 明四暗，即出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。 在正交偏光下觀察到有四次消光現(xiàn)

5、 象的礦物，一定是非均質(zhì)礦物。 非均質(zhì)礦物在不發(fā)生消光的位置上發(fā)生另一種光學(xué)現(xiàn)象 干 涉現(xiàn)象。各種非均質(zhì)礦物具有不同的干涉色，可作為鑒別礦物的標志。 正交偏光鏡間光通過晶體切片的情況 (3)錐光觀察 在正交偏光的基礎(chǔ)上再加上聚光鏡， 轉(zhuǎn)入勃氏鏡于光路中， 便 構(gòu)成錐光系統(tǒng) ，以便測定礦物的干涉圖、軸性、光性正負等光學(xué)性質(zhì)。 由于不同礦物的干涉圖形不一樣，可作為鑒定礦物的依據(jù)。 通過在單偏光、正交偏光、錐光下測定礦物的物理光學(xué)性質(zhì)，對照已知礦物物理光學(xué)性質(zhì)手冊，可達到鑒定樣品中物相的目的。 4.2.2 金相顯微鏡(反光顯微鏡)原理：利用經(jīng)過聚焦的可見光照射到樣品表面，依據(jù)樣品表面上物相的光學(xué)性質(zhì)

6、，對其進行定性和定量分析的一種方法。研究范圍：觀察、分析和研究金屬及合金材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)，確定金屬及合金材料的宏觀性質(zhì)、性能與其微觀組織形態(tài)的關(guān)系。應(yīng)用：根據(jù)夾雜物的光學(xué)、力學(xué)及化學(xué)性質(zhì)的不同，通過觀察其在金屬材料中的分布、形狀、大小及數(shù)量，對夾雜物做出定性及半定量的結(jié)論。缺點：分辨率不高, 僅能觀察金相組織中幾十微米尺度的細節(jié)。優(yōu)點：簡單方便光片的制作：將試樣粗磨、細磨、拋光后，在金相顯微鏡下觀察。分類： 從光路形式看 正置式 倒置式 試樣觀察面向上放置，不易損傷試樣觀察面必須與底面平行，才能保證與物鏡光軸垂直操作方便，實用于快速檢驗試樣受高度、形狀的限制照相時防震要求高試樣觀察面向下放

7、置，與載物臺表面重合，易損傷試樣觀察面始終與物鏡光軸垂直調(diào)換物鏡不方便，操作不迅速，不實用于快速檢驗試樣不受高度、形狀的限制照相時防震性能要求不高 從外形看：臺式、立式、臥式 從性能及用途看：初級型、中級型（明場、暗場、偏光）、 高級型 金相顯微鏡成像原理顯微鏡是經(jīng)過二次成像的光學(xué)儀器，先經(jīng)過物鏡第一次放大，所成的像通過目鏡再一次放大。圖 金相顯微鏡成像原理示意圖 金相顯微鏡的基本組成光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)機械系統(tǒng) 照明系統(tǒng)中的幾個主要附件及作用孔徑光闌在光路系統(tǒng)中，靠近光源的光欄稱孔徑光闌，后一個成為視場光闌?？讖焦怅@可以控制入射光束的大?。〝?shù)值孔徑），對某些象差的大?。▓D像質(zhì)量）有重要影響?？s小

8、孔徑光闌可減少球差和軸外象差（近軸），加大景深和襯 度，使映像清晰；但會使物鏡分辨能力降低。 孔徑光闌對成像質(zhì)量的影響孔徑光闌 4 mm孔徑光闌 12 mm視場光闌調(diào)節(jié)視場光闌大小可以改變視場的大小，但不影響物鏡的分辨率。視場光闌越小，映像襯度愈佳。為了增加襯度可將視場光闌縮小到最低限度，即觀察時調(diào)至與目鏡內(nèi)視域同樣大?。ㄏ嗲校虮饶跨R稍大；攝影時調(diào)節(jié)至畫面尺寸為限。視場光闌全開視場光闌半開視場光闌最小視場光闌對成像質(zhì)量的影響濾色片作用：吸收光源發(fā)出的白色光中波長不符合需要的部分，從而得到一定波長的光線。目的： 增加映像襯度或者提高某種彩色組織的微細部分的鑒別能力； 校正殘余象差； 得到較短

9、的單色光以提高分辨率。 明視場1、原理 入射光垂直地或近似垂直地照射在試樣表面上，利用試 樣表面反射光線進入物鏡成像。如果試樣是一個鏡面，在視場內(nèi)是明亮的一片，試樣上的組織將呈色影像襯映在明亮的視場內(nèi)，稱之“明場”照明。在高倍觀察時，采用平面玻璃作為垂直照明器。此時，光線可充滿物鏡的孔徑角，使物鏡的分辨能力得到最好的發(fā)揮。但由于光線透過平面玻璃損失較大，故映像襯度稍差。平面玻璃 明視場1、原理 入射光垂直地或近似垂直地照射在試樣表面上，利用試 樣表面反射光線進入物鏡成像。如果試樣是一個鏡面，在視場內(nèi)是明亮的一片，試樣上的組織將呈色影像襯映在明亮的視場內(nèi)，稱之“明場”照明。在低倍觀察時，采用全反

10、射棱鏡作為垂直照明器。此時，物鏡內(nèi)只有一半充滿光線，降低了物鏡的數(shù)值孔徑，使分辨能力減小。但成像的襯度高，富有立體感。全反射棱鏡 暗視場1、原理 通過物鏡的外周照明試樣，照明光線不入射到物鏡內(nèi)，則可以得到試樣表面繞射光而形成的象。如果試樣是一個鏡面，由試樣反射的光線仍以極大的傾斜角反方向反射，不可能進入物鏡，在視場內(nèi)漆黑一片，只有試樣中凹洼的地方才能有光線反射進入物鏡，試樣上的組織將以亮白影像映襯在漆黑的視場內(nèi)，如同星星的夜空，稱之為“暗場”照明。暗場照明光路圖入射光以極大傾角射入樣品表面入射光沒有經(jīng)過物鏡2、特點在明場基礎(chǔ)上增加兩個附件（環(huán)形光闌、曲面反射鏡）照明光束以極大傾角投射在樣品表面

11、，物鏡不是照明系統(tǒng)的組成部分視場內(nèi)漆黑一片，能看到樣品表面凹凸部分、樣品透明物相或邊界。暗場適用于觀察平滑視野上細小的浮雕微粒，故常用于鑒定非金屬夾雜物。優(yōu)點 提高圖像的襯度 提高物鏡的鑒別能力 能觀察到物相的透明度和真實顏色自然光和偏振光自然光：具有一切可能的振動方向，且各方向振動矢量的大小相等。偏振光：光矢量在一個固定平面內(nèi)只沿一個固定方向作振動。偏振光的獲得：尼科爾棱鏡（偏振棱鏡）和人造偏振片。正交偏光及消光現(xiàn)象： 兩個偏光鏡獲得的偏振光振動方向互相垂直稱為正交偏光。 在正交位置時，自然光不能通過，呈現(xiàn)完全黑暗的現(xiàn)象，稱為消光現(xiàn)象。 偏振光1、偏光顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)特點：在明場基礎(chǔ)上，插入

12、兩個偏振片，其中：起偏鏡位于孔徑光闌之后，檢偏鏡位于目鏡之前。載物臺能沿機械中心在水平面內(nèi)做360o旋轉(zhuǎn)。起偏器：將自然光變?yōu)槠窆獾钠骷z偏器：檢驗光線是否為偏振光的器件偏振光顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)節(jié)起偏鏡，達到視場最亮的位置調(diào)節(jié)插入的檢偏器，達到視場最暗位置（正交位置）校正載物臺中心位置樣品制備：在偏振光下研究的金相磨面要光滑無痕，且要求樣品表面無氧化皮及非晶質(zhì)層存在，由于機械拋光很難達到要求，所以用于研究的試樣多采用電解拋光或腐蝕拋光。2、使用調(diào)節(jié)方法及樣品制備3、偏光顯微鏡的工作原理偏振光在金屬磨面上的反射 a) 各向同性：不改變振動面，在正交偏振光下不能通過檢偏鏡（始終一片黑暗）。 b)

13、各向異性：反射光的振動面發(fā)生轉(zhuǎn)動，部分光線能通過檢偏鏡。轉(zhuǎn)動載物臺一周，將會觀察到四次明亮和四次黑暗。利用偏光原理，對某些物質(zhì)所具有的偏光性質(zhì)進行觀察。區(qū)別各向同性和各向異性的物相各向同性：轉(zhuǎn)動樣品始終只能看到一片黑暗。各向異性：轉(zhuǎn)動樣品一周會觀察到四次明暗變化。 4、偏光顯微鏡在金相分析中的應(yīng)用在偏光下研究金相組織，一般只需偏光而不需浸蝕便可獲得清晰、真實的圖象。組織與晶粒的顯示 各向異性金屬的多晶體，其晶粒在正交偏光下可以看到不同亮度。亮度不同，表征晶粒位相的差別。具有相同亮度的兩個晶粒，有相同的位向。亮度不同，位向也不同。多相合金的相分析兩相合金中一相為各向同性，另一相為各向異性，極易由

14、偏振光鑒別。兩相都屬各向同性。利用選擇性化學(xué)浸蝕。使其中一相備浸蝕后具有光學(xué)各相異性，而對另一相不發(fā)生浸蝕現(xiàn)象。各向同性不透明夾雜物： 正交偏振光下呈黑暗一片，轉(zhuǎn)動載物臺一周無明暗變化，如FeO夾雜各向異性不透明夾雜物： 轉(zhuǎn)動一周，可看到四次明暗交替，如FeS夾雜非金屬夾雜物的鑒別在正交偏振光下各類夾雜物有不同的反射規(guī)律：各向同性透明夾雜物： 可觀察到與暗場相同的顏色（體色）。如MnO夾雜（綠色）各向異性透明夾雜物： 觀察到體色和表色組成的色彩。如FeOTiO2，暗場下薄層時透明，呈玫瑰色或褐色；偏光下呈閃耀明亮的玫瑰紅色。透明球形夾雜物： 顯示透明度及色彩外，還可以看到黑十字效應(yīng)及等色環(huán)。

15、如玻璃質(zhì)SiO2、鐵硅酸鹽（2FeOSiO2)非金屬夾雜物的鑒別在正交偏振光下各類夾雜物有不同的反射規(guī)律：范性變形、擇優(yōu)取向及晶粒位向測定 多晶體金屬受外界條件的影響，范性變形后晶粒以一定位向排列起來，在同一金屬磨面上有一致的光軸位向，在正交偏光下將產(chǎn)生類似于單晶體的偏振效果：或整個視域明亮，或整個視域黑暗。光片的浸蝕鑒定 用化學(xué)試劑浸蝕樣品表面，不同試劑與不同礦物反應(yīng)，則呈現(xiàn)不同顏色，一定時間后在明視場下觀察，以鑒定礦物。 例如：用1%NH4Cl水溶液，20，浸蝕轉(zhuǎn)爐爐渣光片8秒， C3S呈藍色，C2S呈淺棕色，游離CaO呈彩色麻點面。4.3 X射線衍射分析 X射線照射到晶體上，和晶體發(fā)生相

16、互作用，產(chǎn)生一定的衍射花樣，它可反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。因此，X射線衍射分析是通過衍射現(xiàn)象來分析晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 4.3.1 布拉格方程 布拉格方程描述了X射線在晶體上衍射的方向問題，即衍射幾何的基本規(guī)律，如下式： 2dsin n 式中n：整數(shù)，稱為反射級數(shù)； ：入射線或反射線與反射面的夾角，2稱為衍射角。 ：x射線波長 d：一組平行原子的晶面間距 布拉格方程表明了X射線在晶體中產(chǎn)生衍射必須滿足的基本條件，它反映了衍射線方向與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 4.3.2 X射線衍射物相分析 X射線物相分析的任務(wù)是：利用X射線衍射方法，對試樣中由各種元素形成的具有固定結(jié)構(gòu)的化合物進行定性和定量分析，其

17、結(jié)果不是試樣的化學(xué)成分，而是由各種元素形成的具有固定結(jié)構(gòu)的化合物的組成和含量。 (1)原理 任何一種晶體物質(zhì)（包括單質(zhì)元素、固溶體和化合物）都有其對應(yīng)的特定衍射花樣，可根據(jù)衍射花樣來鑒別晶體物質(zhì)。 因為由衍射花樣上各線條的角度位置所確定的晶面間距d，以及它們的相對強度II1，是物質(zhì)的固有特性，所以一旦未知物質(zhì)衍射花樣的d值和II1 ，與已知物質(zhì)PDF卡片相符，便可確定被測物的相組成。 圖 4-5 晶體衍射圖譜 圖4-6 非晶體衍射圖譜(2)PDF卡片 自1942年,“美國材料試驗協(xié)會”出版了衍射數(shù)據(jù)卡片，稱為ASTM卡片。1969年成立了“粉末衍射標準聯(lián)合會”,由它負責編輯出版了粉末衍射卡片,

18、簡稱PDF卡片。用這些卡片，作為被測試樣dI數(shù)據(jù)組的對比依據(jù), 從而鑒定出試樣中存在的物相。PDF卡片如下圖4-7所示 (4)定性分析方法 1) 用照相法或衍射儀法獲得衍射花樣。 2）計算各衍射線對應(yīng)的晶面間距d值，記錄各線條的相對強 度，按d值順序列成表格。 3）當已知被測樣品的主要化學(xué)成分時，在包含主元素的 各物質(zhì)中找出三強線符合的卡片號，取出卡片，核對全 部衍射線，一旦符合，便可定性。 4）檢索PDF卡片可以用人工檢索，也可以用計算機自動檢 索。 4.4 電子顯微分析 4.4.1掃描電子顯微鏡（微區(qū)成分分析） 掃描電鏡是一種多分析功能的組合型儀器。它借助于掃描裝置提供的細聚焦電子束，不但

19、可以使樣品被輻照的區(qū)域直徑小于0.1m，而且，可以掃描成像方式獲得圖像。這樣在獲得樣品表面形貌放大像后，能同時進行指定微區(qū)的化學(xué)成分分析。 (1)微區(qū)成分分析原理 當具有足夠能量的細電子束轟擊試樣表面時，由于電子和物質(zhì)的相互作用，試樣中原子被電離。當外層電子向內(nèi)層軌道躍遷時，原子能量降低，所降低的能量有可能以X射線的形式輻射出來。 每一種元素都有它自己特定波長的X射線，叫特征X射線或標識X射線。根據(jù)特征X射線的波長和強度，就能得出微區(qū)化學(xué)成分定性及定量分析的結(jié)果。 掃描電鏡分析樣品的微區(qū)化學(xué)成分時，需要配備X光能譜儀或波譜儀。譜儀是把不同波長（或能量）的X射線分開的裝置。 (2) 能譜儀 能譜

20、儀可同時接收樣品中所有元素發(fā)出的特征射線, 然后對樣品成分進行定性定量分析。 能譜儀可以在一次實驗中同時測定試樣中所有元素的X光量子，幾分鐘內(nèi)就可以得到分析的結(jié)果。 而能譜儀的Si(Li)探測器的鈹窗口限制了超輕元素X光的測量，只能分析原子序數(shù)在11(Na)以上的元素。 (3)波譜儀 波譜儀只能一個元素一個元素地測定波長，所以做一個全分析要幾個小時。但是，波譜儀可以測量 4 Be92 U之間的所有元素。 4.4.2 透射電鏡 透射電鏡主要包括電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)三部分。由電子槍發(fā)出的電子束經(jīng)過會聚透鏡后，形成電子光源照射在試樣上。試樣放在照明系統(tǒng)和成像透鏡之間。電子穿過試樣后經(jīng)物鏡成像，再經(jīng)中間鏡和投影鏡進一步放大，最后在熒光屏上得到電子顯微像。 （1）樣品的制備方法 透射電鏡的應(yīng)用一定程度上取決于試樣的制備技術(shù)。一般透射電鏡的試樣置于23mm的銅網(wǎng)上，試樣厚度在100nm左右。 粉末試樣的制備 先在銅網(wǎng)上制備一層支持膜，如，火棉膠膜、碳膜等。然后，將粉末試樣與蒸餾水混成懸浮液滴到支持膜上，再用濾紙