材料分析方法 第3版( 周玉) 出版社配套PPT課件 第1章 機(jī)械工業(yè)出版社

材料分析方法第3版獲2002年全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材一等獎主編

哈爾濱工業(yè)大學(xué)周玉參編

漆璿范雄宋曉平孟慶昌饒建存魏大慶主審劉文西崔約賢1本教材主要內(nèi)容緒論第一篇材料X射線衍射分析第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二章X射線衍射方向第三章X射線衍射強(qiáng)度第四章多晶體分析方法第五章物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測定第六章宏觀殘余應(yīng)力的測定第七章多晶體織構(gòu)的測定2本教材主要內(nèi)容第二篇材料電子顯微分析第八章電子光學(xué)基礎(chǔ)第九章透射電子顯微鏡第十章電子衍射第十一章晶體薄膜衍襯成像分析第十二章高分辨透射電子顯微術(shù)第十三章掃描電子顯微鏡第十四章電子背散射衍射分析技術(shù)第十五章電子探針顯微分析第十六章其他顯微分析方法3緒論本課程的特點(diǎn)：以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)本課程的內(nèi)容主要包括：X射線衍射儀、電子顯微鏡等分析儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理、及與此相關(guān)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用本課程的意義在于：通過材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析，揭示材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，即組織是性能的內(nèi)在根據(jù)，性能是組織的對外表現(xiàn)；確定材料加工工藝和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)控制本課程的基本要求：了解常用的現(xiàn)代分析儀器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握常用的實(shí)驗(yàn)分析方法；能正確選用合適的分析方法解決實(shí)際工作中的問題4第一篇材料X射線衍射分析1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，隨后醫(yī)學(xué)界將其用于診斷和醫(yī)療，后來又用于金屬材料和機(jī)械零件的探傷1912年德國物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了一種嶄新的方法，后來發(fā)展成為X射線衍射學(xué)1912年英國物理學(xué)家布拉格提出了晶面“反射”X射線的概念，推導(dǎo)出至今被廣泛應(yīng)用的布拉格方程1914年莫塞來發(fā)現(xiàn)特征X射線波長和原子序數(shù)有定量的對應(yīng)關(guān)系，這一原理應(yīng)用于材料成分檢測X射線衍射分析研究內(nèi)容很廣，主要包括相分析、精細(xì)結(jié)構(gòu)研究和晶體取向測定等5第一篇材料X射線衍射分析第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二章X射線衍射方向第三章X射線衍射強(qiáng)度第四章多晶體分析方法第五章物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測定第六章宏觀殘余應(yīng)力的測定第七章多晶體織構(gòu)的測定6第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容第一節(jié)X射線的性質(zhì)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用7第一節(jié)X射線的性質(zhì)X射線是一種波長很短的電磁波X射線的波長范圍為0.01~10nm，用于衍射分析的X射線波長為0.05~0.25nmX射線一種橫波，由交替變化的電場和磁場組成X射線具有波粒二相性，因其波長較短，其粒子性較為突出，即可以把X射線看成是一束具有一定能量的光量子流，

E=h

=hc/

(1-2)式中，h是普朗克常數(shù)；c是光速；

是X射線的頻率，

是X射線的波長圖1-1電磁波譜8第一節(jié)X射線的性質(zhì)X射線穿過不同介質(zhì)時，折射系數(shù)接近1，幾乎不產(chǎn)生折射現(xiàn)象X射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質(zhì)發(fā)光、能使照相底板感光、能使一些氣體產(chǎn)生電離的現(xiàn)象X射線的穿透能力大，能穿透對可見光不透明的材料，特別是波長在0.1nm以下的硬X射線X射線照射到晶體物質(zhì)時，將產(chǎn)生散射、干涉和衍射等現(xiàn)象，與光線的繞射現(xiàn)象類似X射線具有破壞殺死生物組織細(xì)胞的作用9圖1-2所示的X射線管是產(chǎn)生X射線的裝置主要由陰極(W燈絲)和用(Cu,Cr,Fe,Mo)等純金屬制成的陽極(靶)組成陰極通電加熱，在陰、陽極之間加以直流高壓(約數(shù)萬伏)陰極發(fā)射的大量電子高速飛向陽極，與陽極碰撞產(chǎn)生X射線圖1-2X射線管結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜連續(xù)X射線和特征X射線10一、連續(xù)X射線譜

強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜，見圖1-3

圖1-3管電壓、管電流和陽極靶原子序數(shù)對連續(xù)譜的影響a)管電壓的影響b)管電流的影響c)陽極靶原子序數(shù)的影響第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜11一、連續(xù)X射線譜由圖1-3可見，連續(xù)X射線譜的特點(diǎn)是，X射線的波長存在最小值

SWL，其強(qiáng)度在

m處有最大值當(dāng)管電壓U升高時，各波長X射線的強(qiáng)度均提高，短波限

SWL和強(qiáng)度最大值對應(yīng)的波長

m減小當(dāng)管電流i

增大時，各波長X射線的強(qiáng)度均提高，但

SWL和

m保持不變隨陽極靶材的原子序數(shù)Z增大，連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度提高，但

SWL和

m保持不變第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜12一、連續(xù)X射線譜

連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下的面積即為連續(xù)X射線譜的總強(qiáng)度，其取決于X射線管U、i、Z三個因素I連=K1iZU2(1-4)式中，K1是常數(shù)。X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時的效率

=I連

/iU=K1ZU可見，X射線管的管電壓越高、陽極靶原子序數(shù)越大，X射線管的效率越高。因K1約(1.1~1.4)10-9，即使采用鎢陽極(Z=74)、管電壓100kV，

1%，效率很低。電子擊靶時大部分能量消耗使靶發(fā)熱第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜13一、連續(xù)X射線譜為什么連續(xù)X射線譜存在短波限

SWL？用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為U，則電子到達(dá)陽極靶的動能為eU，當(dāng)電子在一次碰撞中將全部能量轉(zhuǎn)化為一個光量子，可獲得最大能量hmax，其波長即為

SWL，eU=hmax=hc/

SWL

SWL=K/U(1-5)式中，K=1.24nmkV。而絕大部分電子到達(dá)陽極靶經(jīng)多次碰撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產(chǎn)生大于

SWL的不同波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)譜第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜14第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜二、特征(標(biāo)識)X射線譜當(dāng)X射線管壓高于靶材相應(yīng)的某一特征值UK時，在某些特定波長位置上，將出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識譜，見圖1-4；其波長與陽極靶材的原子序數(shù)有確定關(guān)系，見式(1-6)，故可作為靶材的標(biāo)志和特征，(1-6)式中，K2和

是常數(shù)。表明陽極靶材的原子序數(shù)越大，同一線系的特征譜波長越短圖1-4特征X射線譜15二、特征(標(biāo)識)X射線譜特征X射線的產(chǎn)生可以用圖1-5示意說明，沖向陽極的電子若具有足夠能量，將內(nèi)層電子擊出而成為自由電子，此時原子處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過渡。若L層電子躍遷到K層填補(bǔ)空位，原子由K激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為L激發(fā)態(tài)，能量差以X射線的形式釋放，這就是特征X射線，稱為K

射線圖1-5特征X射線產(chǎn)生示意圖第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜16二、特征(標(biāo)識)X射線譜由于L層內(nèi)還有能量差別很小的亞能級，不同亞能級的電子躍遷將輻射K1和K2射線。若M層電子向K層空位補(bǔ)充，則輻射波長更短的K

射線。特征X射線的頻率可由下式計算h=W2

W1=(-En2)(-En1)(1-8)式中，W2、W1分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量，En2和En1是所在殼層上的電子能量。根據(jù)經(jīng)典原子模型，原子內(nèi)電子分布在一系列的殼層上，最內(nèi)層(K層)能量最低，按L、M、N、順序遞增第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜17第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜二、特征(標(biāo)識)X射線譜在莫塞萊定律(1-6)式中，

其中R稱為里德伯常數(shù)，R=1.0974107m-1；n1和n2是電子躍遷前后殼層的主量子數(shù)，如K層n=1，L層n=2，M層n=3等，…在K激發(fā)態(tài)下，L層電子向K層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于M層躍遷的幾率，所以K

譜線的強(qiáng)度是K

的5倍；K1和K2譜線的關(guān)系為

K1

K2，IK1

2IK1。幾種元素的特征波長和K系譜線的激發(fā)電壓見表1-118二、特征(標(biāo)識)X射線譜靶材ZK系列特征譜波長/0.1nmK吸收限

K/0.1nmUK/kVU適宜/kVK1K2K

K

Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.4320~25Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.4025~30Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.4730~35Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.0435~40Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.4450~55表1-1幾種陽極靶材及其特征譜參數(shù)注：

K

=(2K1+K2)/3第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜19二、特征(標(biāo)識)X射線譜由表1-1中的數(shù)據(jù)可見，欲獲得波長更短的特征X射線，需要選用原子序數(shù)更大的物質(zhì)作為陽極。表中UK是K系特征譜的臨界激發(fā)電壓，陽極靶材原子序數(shù)越大，所需臨界激發(fā)電壓越高。特征譜的強(qiáng)度隨管電壓U和管電流i增大而提高I標(biāo)=

K3i(U–

Un)m(1-10)式中，K3為常數(shù)；Un為特征譜的臨界激發(fā)電壓，對于K系，Un=UK；m為常數(shù)(K系m=1.5，L系m=2)為了提高特征譜的強(qiáng)度，應(yīng)采用較高的管電壓，當(dāng)U/Uk=4時，I特/I連最大，所以X射線管適宜的電壓為，

U=(3~5)UK第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜20第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)如圖1-6，強(qiáng)度為I0的X射線照射厚度為t的均勻物質(zhì)上，穿過深度為x處的dx厚度時的強(qiáng)度衰減量dIx/Ix與dx成正比，

(1-11)式中，

l是常數(shù)，稱線吸收系數(shù)

(1-12)I/I0稱為透射系數(shù)，

l是X射線通過單位厚度(即單位體積)物質(zhì)的強(qiáng)度衰減量，圖1-7表示強(qiáng)度隨透入深度的指數(shù)衰減關(guān)系圖1-6X射線通過物質(zhì)后的衰減21第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)單位體積內(nèi)物質(zhì)量隨其密度而異，因此對于一確定的物質(zhì)

l并不是常量，為表達(dá)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性，采用質(zhì)量吸收系數(shù)

m=

l/

(

是吸收物質(zhì)的密度)，代入式(1-12)可得(1-14)m為單位面積厚度為t的體積中物質(zhì)的質(zhì)量。因此，

m的物理意義是X射線通過單位面積單位質(zhì)量物質(zhì)的強(qiáng)度衰減量它避開了密度的影響，可以作為反映物質(zhì)本身對X射線吸收性質(zhì)的物理量圖1-7X射線強(qiáng)度隨透入深度的變化22第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)對于多元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、化合物和混合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)僅取決于各組元的質(zhì)量系數(shù)

mi及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wi

，即

(1-15)連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù)連續(xù)X射線穿過物質(zhì)時，其質(zhì)量吸收系數(shù)相當(dāng)于一個有效波長

有效值(

有效=

1.35

SWL)所對應(yīng)的

m23一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)與波長

和原子序數(shù)Z

的關(guān)系

質(zhì)量吸收系數(shù)取決于X射線的波長

和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式如下

m

K4

3

Z3

(1-16)式中，K4為常數(shù)。上式表明，物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對X射線的吸收能力越強(qiáng)；對于一定的吸收體，X射線波越短，穿透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降。但隨波長減小，

m并非單調(diào)下降，見圖1-8第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用24一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)與波長

和原子序數(shù)Z

的關(guān)系如圖1-8所示，吸收系數(shù)在某些波長位置突然升高，所對應(yīng)的波長稱為吸收限每種物質(zhì)都有其特定的一系列吸收限，吸收限是吸收元素的特征量，將這種帶有特征吸收限的吸收系數(shù)曲線稱該物質(zhì)的吸收譜為什么會存在吸收限？圖1-8質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用25第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用二、X射線的真吸收光電效應(yīng)當(dāng)入射X射線光量子能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時，電子易獲得能量從內(nèi)層逸出，成為自由電子，稱為光電子，這種光子擊出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。將消耗大量入射能量，導(dǎo)致吸收系數(shù)突增光電效應(yīng)引起的入射能量消耗為真吸收，真吸收還包括熱效應(yīng)光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過程示意圖26第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用二、X射線的真吸收熒光效應(yīng)因光電效應(yīng)處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)的原子，將隨之發(fā)生如前所述的外層電子向內(nèi)層躍遷的過程，同時輻射出特征X射線，稱X射線激發(fā)產(chǎn)生的特征輻射為二次特征輻射，稱這種光致發(fā)光的現(xiàn)象為熒光效應(yīng)光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過程示意圖27第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用二、X射線的真吸收熒光效應(yīng)欲激發(fā)原子產(chǎn)生K、L、M等線系的熒光輻射，入射X射線光量子的能量必須大于或至少等于從原子中擊出一個K、L、M層電子所需的能量WK、WL、WM，如，

WK=

hK

=

hc

/

K

(1-17)式中，

K、

K是產(chǎn)生K系熒光輻射時，入射X射線須具有的頻率和波長的臨界值。熒光輻射將導(dǎo)致入射X射線的大量吸收，故稱

K、

L、

M等為被照射物質(zhì)的吸收限

對于同一元素，

K<

K<

K，此為同一元素的X射線發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系28第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用二、X射線的真吸收俄歇效應(yīng)原子K層電子被擊出后，L層一個電子躍入K層填補(bǔ)空位，而另一個L層電子獲得能量逸出原子成為俄歇電子，稱這