X射線衍射分析其它應(yīng)用簡介課件

1、6.2 X射線衍射分析其它應(yīng)用簡介 一、點(diǎn)陣參數(shù)的精確測定點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，它隨化學(xué)成分和外界條件(溫度和壓力等)的變化而變化。通過對某物質(zhì)的點(diǎn)陣參數(shù)的精確測定，來研究其固溶體類型、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、晶體密度、材料的應(yīng)力狀態(tài)、相變過程、膨脹系數(shù)及相圖的測定等。但是由于上述狀態(tài)的變化引起的點(diǎn)陣參數(shù)的變化（a）數(shù)值都很小，所以精確測定衍射線的2位置是及其關(guān)鍵的，通常不能小于0.1%。點(diǎn)陣參數(shù)是通過X射線衍射線的位置()的測量而獲得的。以立方晶系為例，測定后，點(diǎn)陣常數(shù)a可按下式計(jì)算：二、微晶尺寸的測定 通過某晶面的衍射線寬度，測定微晶大小、應(yīng)變，對一些金屬材料還可計(jì)算位錯(cuò)密度等。應(yīng)

2、用謝樂公式：Dhkl=K/cos式中 Dhkl：是垂直于（hkl）晶面方向上的晶粒尺寸（）；： X射線波長（）；： 衍射峰的半高寬（弧度）；： 衍射峰的布拉格角（度）K： 是常數(shù)。三、宏觀應(yīng)力的測定 內(nèi)應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素不復(fù)存在時(shí)(如外力已去除、加工已完成、溫度已均勻、相變已停止等)，由于不均勻的塑性變形或相變而使材料內(nèi)部依然存在的并自身保持平衡的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力按其平衡范圍分為三類。第一類內(nèi)應(yīng)力：在物體較大范圍(宏觀體積)內(nèi)存在并平衡的內(nèi)應(yīng)力，此類應(yīng)力的釋放，會(huì)使物體的宏觀體積或形狀發(fā)生變化。第一類內(nèi)應(yīng)力又稱“宏觀應(yīng)力”或“殘余應(yīng)力”。宏觀應(yīng)力使衍射線條位移。第二類內(nèi)應(yīng)力：在數(shù)個(gè)晶粒范圍

3、內(nèi)存在并平衡的內(nèi)應(yīng)力，一般能使衍射線條變寬，但有時(shí)也會(huì)引起線條位移。第三類內(nèi)應(yīng)力：在若干個(gè)原子范圍內(nèi)存在并平衡的內(nèi)應(yīng)力，如各種晶體缺陷(空位、間隙原子、位錯(cuò)等)周圍的應(yīng)力場、點(diǎn)陣畸變等，此類應(yīng)力的存在使衍射強(qiáng)度降低。通常把第二類和第三類應(yīng)力稱為微觀應(yīng)力。金屬材料或零件經(jīng)受各種冷熱加工或工藝處理(如切削加工、裝配、冷撥、冷軋、噴九、鑄造、焊接、熱處理、電鍍等)之后，其內(nèi)部將存有殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對材料的疲勞強(qiáng)度、靜強(qiáng)度、抗蝕性、尺寸穩(wěn)定性、相變、硬度、磁性、電阻、內(nèi)耗等均有影響。如焊接引起的殘余應(yīng)力能使構(gòu)件變形，在特殊介質(zhì)中工作構(gòu)件表面張應(yīng)力會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。熱處理或磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力往往是量具尺

4、寸穩(wěn)定性下降的原因。這些殘余應(yīng)力都是要盡量避免和設(shè)法消除的。因此測定殘余應(yīng)力對控制各類加工工藝、檢查表面強(qiáng)化或消除應(yīng)力工藝效果、預(yù)測零部件疲勞強(qiáng)度的儲(chǔ)備以及進(jìn)行失效分析等都有重要的意義。宏觀應(yīng)力在物體中較大范圍內(nèi)均勻分布，產(chǎn)生均勻應(yīng)變，表現(xiàn)為該范圍內(nèi)方位相同的各晶粒中同名(HKL)面晶面間距變化相同，從而導(dǎo)致衍射線向某方向位移(2角的變化)，這就是X射線測量宏觀應(yīng)力的基礎(chǔ)。測定宏觀應(yīng)力，就是根據(jù)衍射線條位移，求出面間距的相對變化，再應(yīng)用彈性力學(xué)中應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系求出宏觀應(yīng)力，此時(shí)，應(yīng)變是用晶面間距的相對變化表示的。 當(dāng)d1d2d3d4時(shí)是壓應(yīng)力；當(dāng)d1d2d3d4時(shí)是張應(yīng)力。人們用衍射儀測應(yīng)

5、力時(shí)通常采用045法。當(dāng)然，測定宏觀應(yīng)力的最好方法還是用X射線衍射應(yīng)力儀。 四、結(jié)晶度的測定 結(jié)晶度的大小直接影響著材料的機(jī)械、物理性能。結(jié)晶度就是部分結(jié)晶材料中結(jié)晶部分所占的重量百分?jǐn)?shù)。一般常采用如下公式計(jì)算： 式中 IC：晶相的散射強(qiáng)度；IA：非晶相的散射強(qiáng)度。六、 織構(gòu)（擇尤取向）的測定 可利用極圖附件測定各種板、絲材料的織構(gòu)。如變壓器里的硒鋼片、電容器里用的鋁箔、纖維絲及我們現(xiàn)在日常生活中常用的易拉罐材料等。人們常用下列三種方式來描述織構(gòu)：極圖（pole figure）法；反極圖（inverse pole figure）法；三維取向分布函數(shù)（three dimensional orie

6、ntation distribution）法（ODF）。 七、 非晶材料的徑向分布函數(shù)的測定（RDF） 非晶態(tài)物質(zhì)主要包括氧化物玻璃、金屬玻璃、非晶半導(dǎo)體、非晶催化劑、非晶超導(dǎo)體、非晶聚合物和非晶陶瓷等。它們具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、滋學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)及化學(xué)性質(zhì)。例如金屬玻璃強(qiáng)度、硬度高，韌性也較好；某些金屬玻璃的軟磁性與最好的晶質(zhì)材料相當(dāng)，但鐵的損耗則小得多；某些金屬玻璃其耐蝕性優(yōu)于不銹鋼。此外氧化物玻璃、非晶高聚物也有極其優(yōu)異的特殊性能。在應(yīng)用方面，非晶態(tài)物質(zhì)有著廣闊的前景。非晶態(tài)物質(zhì)的優(yōu)異性能與其特殊的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因而對其結(jié)構(gòu)的研究也就特別為人們所關(guān)注。用衍射方法測定非晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)在目

7、前還是主要的 。X射線衍射法測定非晶結(jié)構(gòu)的原理是利用相干散射現(xiàn)象，測出散射強(qiáng)度的空間分布，再計(jì)算出原子的徑向分布函數(shù)，由徑向分布函數(shù)得出最近鄰原于數(shù)、最近鄰原子間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)。通常引用以下四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來表述非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征：1 最近鄰原子的平均距離；2 最近鄰原子的配位數(shù)；3 原子的平均位移；4 有序疇尺寸。非晶物質(zhì)的散射與晶態(tài)物質(zhì)的衍射不同，呈很寬的暈狀，很難分離峰與背底。因此測定非晶態(tài)物質(zhì)時(shí)，一定要對以下三種寄生散射進(jìn)行修正：空氣散射；支架散射；電背底 八、薄膜及高分子LB膜的小角衍射分析 不管交替生長的薄膜是多晶體還是非晶體，都可用小角衍射和廣角衍射來研究。在低角度出現(xiàn)的等間距衍射峰，它

8、們都是由折射引起的，可用改進(jìn)的布拉格公式表示。其等同周期可用下式求得：式中 ：是波長； n：是反射級數(shù)。九、薄膜試樣的測定 當(dāng)在玻璃、單晶片、金屬板以及高分子膜等載體上的薄膜試樣的厚度小于1000時(shí)，在普通廣角測角儀上，按常規(guī)法測試是很困難的。通常人們是在具有平行光路的薄膜附件上進(jìn)行測試，或采取掠入射（/2非二倍關(guān)系）方式測試。十、高、低溫X射線衍射分析 在廣角測角儀上安裝高、低溫附件。為了保護(hù)樣品還可對樣品室進(jìn)行抽真空及充惰性氣體，這樣即可實(shí)現(xiàn)多晶材料動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測定。如相變、二種以上物質(zhì)混合物的化學(xué)反應(yīng)及熱膨脹系數(shù)等。 十二、小角X射線散射分析 對于1100nm的微細(xì)粒子（包括液體中的漂浮粒子）或空洞等能給出粒子的大小和分布；對于晶面間距很大的試樣（如蛋白質(zhì)晶體）還可觀察到布拉格反射峰；而對于晶態(tài)和非晶態(tài)并存的試樣（如纖維樣品）將出現(xiàn)長周期散射現(xiàn)象。一般我們用的小角X射線散射測角儀有三狹縫光路系統(tǒng)，其分辨率約為6（CuK線，能測定100nm）還有Kratky U型狹縫光路系統(tǒng)，其分辨率可達(dá)0.6（CuK線，能測定1000nm）。 十三、雙晶X射線衍射 將高度完整的參考晶體出射的布拉格反射線或勞厄透射線入射到另一塊近完整晶體上產(chǎn)生衍射的方法稱為雙晶衍射法。由于雙晶衍射儀靈敏度高，分辨率好，所以可用來研究異質(zhì)外延層或界面的錯(cuò)配應(yīng)變，包