材料現(xiàn)代研究方法第一章組織形貌分析概論

（優(yōu)選）材料現(xiàn)代研究方法第一章組織形貌分析概論第一頁(yè)，共五十四頁(yè)。參考書(shū)目杜希文，原續(xù)波主編，材料分析方法，天津大學(xué)出版社(教材)劉文西等著，材料結(jié)構(gòu)電子顯微分析，天津大學(xué)出版社李潤(rùn)卿，范國(guó)梁，渠榮遴編著，有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析，天津大學(xué)出版社范雄主編，X射線金屬學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社

第二頁(yè)，共五十四頁(yè)。課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析第二篇晶體物相分析第三篇成分和價(jià)鍵（電子）結(jié)構(gòu)分析第四篇分子結(jié)構(gòu)分析第三頁(yè)，共五十四頁(yè)。

第1篇組織形貌分析

第一章組織形貌分析概論

第四頁(yè)，共五十四頁(yè)。第一章組織形貌分析概論1.組織形貌分析的含義和發(fā)展階段2.光學(xué)顯微鏡3.電子顯微鏡4.掃描探針顯微鏡第五頁(yè)，共五十四頁(yè)。1.1組織形貌分析的含義什么是組織形貌分析？性能加工結(jié)構(gòu)成分材料科學(xué)與工程結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)

原子排列

相結(jié)構(gòu)

顯微組織

結(jié)構(gòu)缺陷

第六頁(yè)，共五十四頁(yè)。1.1組織形貌分析的含義組織形貌或微觀結(jié)構(gòu)，包括材料的外觀形貌、晶粒大小與形態(tài)、各種相的尺寸與形態(tài)（含量與分布）、界面（表面、相界、晶界）、位向關(guān)系（新相與母相、孿生相）、晶體缺陷（點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)）、夾雜物、內(nèi)應(yīng)力。微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析對(duì)于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要。下一標(biāo)題頁(yè)第七頁(yè)，共五十四頁(yè)。鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號(hào)鋼的斷口——塑性斷裂金納米線韌窩狀形貌和夾雜物回標(biāo)題頁(yè)高分子聚合物薄膜斷口第八頁(yè)，共五十四頁(yè)。鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織灰色：鐵素體相，含量40～50%；白色：奧氏體相回標(biāo)題頁(yè)第九頁(yè)，共五十四頁(yè)。Si表面（111）原子圖像—Si原子空位PbMoO4（001）面的位錯(cuò)蝕坑

PbMoO4垂直于（001）面的位錯(cuò)蝕坑

回標(biāo)題頁(yè)第十頁(yè)，共五十四頁(yè)。1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個(gè)發(fā)展階段組織形貌分析借助各種顯微技術(shù)認(rèn)識(shí)材料的微觀結(jié)構(gòu)。人們對(duì)微觀世界的探索，就是建立在不斷發(fā)展的顯微技術(shù)之上的。組織形貌分析的顯微技術(shù)經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡(OM)、電子顯微鏡(SEM)、掃描探針顯微鏡(SPM)的發(fā)展過(guò)程。觀測(cè)顯微組織的能力不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀測(cè)到原子的圖像。第十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。0.11101001000×10×100×1,000×10,000×100,000×1,000,000×10,000,000放大倍率掃描電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡分辨率10-710-910-1010-1110-12掃描探針顯微鏡0.010.00110-810-6nmm1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個(gè)發(fā)展階段第十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。它的最高分辨率為0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。2.1光學(xué)顯微鏡簡(jiǎn)介光學(xué)顯微鏡最先用于在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)方面，直接導(dǎo)致了細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上形成了19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一——細(xì)胞學(xué)說(shuō)。應(yīng)用：觀察金屬或合金的晶粒大小和特點(diǎn)等；無(wú)機(jī)非金屬材料的巖相分析等；研究高聚物的結(jié)晶形態(tài)、取向過(guò)程等。第十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織灰色：鐵素體相，含量40～50%；白色：奧氏體相Ni-Cr合金的鑄造組織第十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率分辨率是可分辨的兩點(diǎn)間的最小距離，制約光學(xué)顯微鏡分辨率的因素是光的衍射。衍射使物體上的一個(gè)點(diǎn)在成像的時(shí)候不會(huì)是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)衍射光斑。如果兩個(gè)衍射光斑靠得太近，它們將無(wú)法被區(qū)分開(kāi)來(lái)。分辨率與照明源的波長(zhǎng)直接相關(guān)，若要提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是要有短波長(zhǎng)的照明源。紫外線波長(zhǎng)和X射線雖然波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短，但用作顯微鏡照明源存在局限性。第十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率絕大多數(shù)物質(zhì)都強(qiáng)烈地吸收紫外線，因此，可供照明使用的紫外線限于波長(zhǎng)200～250nm的范圍。用紫外線作照明源，用石英玻璃透鏡聚焦成像的紫外線顯微鏡分辨本領(lǐng)可達(dá)l00nm左右，比可見(jiàn)光顯微鏡提高了一倍。X射線波長(zhǎng)在10～0.05nm范圍，γ射線的波長(zhǎng)更短，但是由于它們直線傳播且具有很強(qiáng)的穿透能力，不能直接被聚焦，不適用于顯微鏡的照明源。波長(zhǎng)短，又能聚焦成像的新型照明源成為迫切需要。第十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。3.1電子顯微鏡發(fā)展歷程1924年，德布羅意提出，運(yùn)動(dòng)的實(shí)物粒子（電子、質(zhì)子、中子等）都具有波動(dòng)性質(zhì)，后來(lái)被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1926年布施提出用軸對(duì)稱(chēng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)聚焦電子束。在這兩個(gè)理論基礎(chǔ)上，1931～1933年魯斯卡等設(shè)計(jì)并制造了世界第一臺(tái)透射電子顯微鏡，目前分辨率可達(dá)0.2nm。（利用電子的波動(dòng)性）用于組織形貌分析的掃描電子顯微鏡是在1952年由英國(guó)工程師CharlesOatley發(fā)明的，分辨率達(dá)1.0nm。（利用電子的粒子性）物質(zhì)波的波長(zhǎng)與其動(dòng)量關(guān)系=h/p，200-300kV加速電壓下，電子束波長(zhǎng)為0.025nm。第十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。3.2掃描電子顯微鏡簡(jiǎn)介掃描電子顯微鏡是將電子槍發(fā)射出來(lái)的電子聚焦成很細(xì)的電子束，用此電子束在樣品表面進(jìn)行逐行掃描，電子束激發(fā)樣品表面發(fā)射二次電子，二次電子被收集并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在熒光屏上同步掃描成像。由于樣品表面形貌各異，發(fā)射二次電子強(qiáng)度不同。對(duì)應(yīng)在屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。目前掃描電子顯微鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到了1nm左右。掃描電鏡與X射線能譜配合使用，使得我們?cè)诳吹綐悠返奈⒂^結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能分析樣品的元素成分及在相應(yīng)視野內(nèi)的元素分布。

第十八頁(yè)，共五十四頁(yè)。鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號(hào)鋼的斷口——塑性斷裂金納米線韌窩狀形貌和夾雜物高分子聚合物薄膜斷口第十九頁(yè)，共五十四頁(yè)。頭發(fā)分叉處紅血球腦神經(jīng)元~100m6~9m~100m~10m白血球第二十頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.1掃描探針顯微鏡簡(jiǎn)介1981年，IBM公司的兩位科學(xué)家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了所謂的掃描隧道顯微鏡，完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應(yīng)”工作，它沒(méi)有鏡頭，使用一根金屬探針，在探針和物體之間加上一定偏壓（幾十mV），當(dāng)探針距離物體表面很近（納米級(jí)）隧道效應(yīng)就會(huì)起作用。電子會(huì)穿過(guò)物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，電流會(huì)呈指數(shù)級(jí)改變。這樣，通過(guò)測(cè)量電流可以探測(cè)物體表面的形狀，分辨率可以達(dá)到原子的級(jí)別(埃，10-10m)。第二十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.2掃描隧道顯微鏡圖像

1981年，硅原子像（7X7）

硅(111)–(7X7)原子圖像第二十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。圖中的“IBM”是由單個(gè)氙（Xe)原子構(gòu)成的4.3STM對(duì)單原子和分子的操縱

第二十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者從左至右依次是ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer分別因?yàn)榘l(fā)明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第二十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。

第1篇組織形貌分析

第二章光學(xué)顯微技術(shù)

第二十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。第二章光學(xué)顯微技術(shù)1.光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷程2.光學(xué)顯微鏡的成像原理3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖4.顯微鏡的重要光學(xué)參數(shù)5.樣品制備第二十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。1.1光學(xué)顯微鏡的四個(gè)發(fā)展階段1590年，荷蘭的詹森父子(HansandzachriasJanssen)制造出第一臺(tái)原始的、放大倍數(shù)約為20倍的顯微鏡。1610年，意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo)制造了具有物鏡、目鏡及鏡筒的復(fù)式顯微鏡（左圖）。1665年，英國(guó)物理學(xué)家羅伯特·胡克(RobertHooke)用這臺(tái)復(fù)式顯微鏡觀察軟木塞時(shí)發(fā)現(xiàn)了小的蜂房狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為“細(xì)胞”，由此引起了細(xì)胞研究的熱潮。1684年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯(Huygens)設(shè)計(jì)并制造出雙透鏡目鏡－惠更斯目鏡，是現(xiàn)代多種目鏡的原型。這時(shí)的光學(xué)顯微鏡已初具現(xiàn)代顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)(右圖)。第二十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。1.2恩斯特·阿貝在顯微鏡的發(fā)展史中，貢獻(xiàn)最為卓著的是德國(guó)的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和光學(xué)大師恩斯特·阿貝(ErnstAbbe)。他提出了顯微鏡的完善理論，闡明了成像原理、數(shù)值孔徑等問(wèn)題，在1870年發(fā)表了有關(guān)放大理論的重要文章。兩年后．又發(fā)明了油浸物鏡，并在光學(xué)玻璃、顯微鏡的設(shè)計(jì)和改進(jìn)等方向取得了光輝的業(yè)績(jī)。第二十八頁(yè)，共五十四頁(yè)。2.光學(xué)顯微鏡的成像原理2.1衍射的形成2.2阿貝成像原理（重點(diǎn)）第二十九頁(yè)，共五十四頁(yè)。2.1.1什么是波的衍射？光即電磁波，具有波動(dòng)性質(zhì)。光波在遇到尺寸可與光波波長(zhǎng)相比或更小的障礙物或孔時(shí)，將偏離直線傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射。障礙物線度越小，衍射現(xiàn)象越明顯。衍射現(xiàn)象可以用“子波相干疊加”的原理來(lái)解釋。水波的衍射第三十頁(yè)，共五十四頁(yè)。光強(qiáng)狹縫衍射實(shí)驗(yàn)狹縫中間連線b上每一點(diǎn)可以看成一個(gè)“點(diǎn)光源”，向四面八方發(fā)射子波，子波之間相互干涉（疊加），在屏幕上形成衍射花樣。整個(gè)狹縫內(nèi)發(fā)出的光波在P0點(diǎn)的波程差為零，相干增強(qiáng)，形成中央亮斑。在P1處發(fā)生相干抵消，形成光強(qiáng)的低谷。在P2點(diǎn)處，從狹縫上緣和下緣發(fā)出的光波的波程差1?個(gè)波長(zhǎng)，P2成為相干增強(qiáng)區(qū)的中心，稱(chēng)為第一級(jí)衍射極大值。第三十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。由于衍射效應(yīng)，物體上每個(gè)物點(diǎn)通過(guò)透鏡成像后不會(huì)是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)衍射斑——埃利斑。如果兩個(gè)衍射光斑靠得太近，它們將無(wú)法被區(qū)分開(kāi)來(lái)。埃利斑第一暗環(huán)半徑其中，n為物方介質(zhì)折射率，光源波長(zhǎng)，透鏡孔徑半角，M透鏡放大倍數(shù)，nsin數(shù)值孔徑。埃利斑半徑與照明光源波長(zhǎng)成正比，與透鏡數(shù)值孔徑成反比。2.1.3

衍射斑由斑點(diǎn)光源衍射形成的埃利斑

埃利斑光強(qiáng)分布圖R0第三十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。2.2.1阿貝成像原理（重點(diǎn)）透射光顯微鏡的成像過(guò)程。光源：準(zhǔn)平行相干光，物體：具有周期性結(jié)構(gòu)。光通過(guò)細(xì)小的網(wǎng)孔時(shí)發(fā)生衍射，同一方向的衍射光成為平行光束，在后焦面上匯聚。凡是光程差滿足，k=0,1,2,…的，互相加強(qiáng)，形成0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)衍射斑點(diǎn)。某個(gè)衍射斑點(diǎn)是由不同物點(diǎn)的同級(jí)衍射光相干加強(qiáng)形成的；同一物點(diǎn)上的光由于衍射分解，對(duì)許多衍射斑點(diǎn)有貢獻(xiàn)。從同一物點(diǎn)發(fā)出的各級(jí)衍射光，在產(chǎn)生相應(yīng)的衍射斑點(diǎn)后繼續(xù)傳播，在像平面上又相互干涉，形成物像。第三十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。1.不同物點(diǎn)的同級(jí)衍射波在后焦面的干涉——形成衍射譜；2.同一物點(diǎn)的各級(jí)衍射波在像面的干涉——形成反映物的特征的物像。2.2.1阿貝成像原理（重點(diǎn)）阿貝成像原理可以簡(jiǎn)單地描述為兩次干涉作用。當(dāng)平行光束通過(guò)有周期性結(jié)構(gòu)的物體時(shí)，第三十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。2.2.2物與像之間的相似性

物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的。不讓衍射光通過(guò)就不能成像，參與成像的衍射斑點(diǎn)愈多，則物像與物體的相似性愈好。像面后焦面第三十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖目鏡物鏡聚光鏡和光闌反光鏡光學(xué)顯微鏡包括光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械裝置兩大部分：第三十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)4.1數(shù)值孔徑4.2分辨率（重點(diǎn)）4.3放大率和有效放大率4.4光學(xué)透鏡的像差

第三十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和半孔徑角（α）的正弦之乘積，NA=nsinα。表示物鏡分辨細(xì)節(jié)的能力?？讖浇鞘俏镧R光軸上的物點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇桥c物鏡的有效直徑成正比，與焦點(diǎn)的距離成反比。F物鏡物點(diǎn)第三十八頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.1數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑和分辨率成正比：1.如果全部接收一級(jí)衍射光線，則圖像基本不會(huì)失去細(xì)節(jié)。細(xì)節(jié)越微小，形成各級(jí)衍射斑點(diǎn)的衍射角越大。因此，物鏡口徑越大，即衍射角越大，則分辨率就越高。2.由于光的折射，物鏡接收衍射光線的能力也強(qiáng)烈的依賴(lài)于在樣品與鏡頭之間的介質(zhì)。因此，數(shù)值孔徑的概念更加能夠有效的描述物鏡的成像能力。

F物鏡油浸物鏡物點(diǎn)第三十九頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.2.1瑞利判據(jù)R0分辨兩埃利斑的判據(jù)——瑞利判據(jù)：兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0。此時(shí),兩中央峰之間疊加強(qiáng)度比中央峰最大強(qiáng)度低19％，肉眼剛剛能分辨是兩個(gè)物點(diǎn)的像。第四十頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.2.2透鏡的分辨率兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0時(shí)

,樣品上相應(yīng)的兩個(gè)物點(diǎn)間距離?r0

定義為透鏡能分辨的最小距離，也就是透鏡的分辨本領(lǐng)，或分辨率。透鏡的分辨率由數(shù)值孔徑和照明光源的波長(zhǎng)兩個(gè)因素決定。數(shù)值孔徑越大，照明光線波長(zhǎng)越短，分辨率就越高。第四十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.3.1放大率和有效放大率顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率1的乘積：=1無(wú)效放大倍率：有效放大倍率：當(dāng)選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時(shí)，顯微鏡不能分清物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，此時(shí)即使過(guò)度地增大放大倍率，得到的也只能是一個(gè)輪廓雖大但細(xì)節(jié)不清的圖像。光學(xué)顯微鏡提供足夠的放大倍數(shù)，把它能分辨的最小距離放大到人眼能分辨的程度。第四十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.3.2光學(xué)顯微鏡的有效放大率人眼的分辨本領(lǐng)?r大約為0.2mm，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)極限?r0大約為0.2m，因此，光學(xué)顯微鏡的有效放大倍率為1000倍。為使人眼感到輕松，光學(xué)顯微鏡的最高放大倍數(shù)是1000~1500倍。有效放大倍數(shù)由下式確定：M有效=?r

/?r0

第四十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。4.4光學(xué)透鏡的像差（1）球面像差（簡(jiǎn)稱(chēng)球差）邊緣與中心部分的折射光不能通過(guò)會(huì)聚相交于一點(diǎn)第四十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。（2）色像差

由于組成白光的各色光波長(zhǎng)不同，折射率不同，因而成像的位置也不同

。4.4光學(xué)透鏡的像差第四十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。（3）像域彎曲垂直于光軸的直立的物體經(jīng)過(guò)透鏡后會(huì)形成一彎曲的像面，稱(chēng)為像域彎曲，像域彎曲是幾種像差綜合作用的結(jié)果。

4.4光學(xué)透鏡的像差第四十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。5.樣品制備5.1取樣5.2鑲樣5.3磨光5.4拋光5.5腐蝕金相顯微鏡觀察試樣組織第四十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。5.1取樣取樣應(yīng)選擇有代表性的部位；對(duì)于軟材料，可以用鋸、車(chē)、刨等加工方法；對(duì)于硬材料，可以用砂輪切片機(jī)切割或電火花切割等方法；對(duì)于硬而脆的材料，如白口鑄鐵，可以用錘擊方法；在大工件上取樣，可用氧