材料科学与研究测试方法-前言.ppt

材料科学研究与测试方法,中北大学 材料科学与工程学院,前言,一、材料科学研究与测试方法课程的性质 二、材料科学研究与测试方法课程的主要内容 三、材料科学研究与测试方法与本专业其它课程的关系 四、教材及主要参考书 五、本门课程的考核,一、课程的性质,本课程是为材料科学与工程专业本科生开设的专业课。 其目的在于使学生系统地了解现代主要分析测试方法的基本原理、仪器设备、样品制备及应用，掌握常见测试技术所获信息的解释和分析方法，最终使学生能够独立地进行材料的分析和研究工作。,低碳板条状马氏体 0.03C-2Mn,TEM 45钢马氏体位错亚结构,Fe-1.9C马氏体,Fe-Ni-C合金马氏体马氏体孪晶,Fe-M系合金马氏体的晶体学参数、亚结构及形貌,二、课程的主要内容,材料现代分析测试方法是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论基础的科学。 材料现代分析测试方法涉及材料成分、结构、形貌、热学性质及表面物理化学性质与状态等方面的分析测试技术和研究方法。 材料现代分析测试不仅包括材料（整体的）成分、结构分析，也包括材料表面与界面分析、微区分析、形貌分析等诸多内容；也不仅是以材料成分、结构等分析测试为唯一目的，而是成为材料科学的重要研究手段，广泛应用于研究和解决材料理论和工程实际问题。,微结构决定了材料的性能,结构和组分物理、化学、力学性能 使役性能,结构的多层性：决定了材料性能的复杂性,物质结构的多层次性,亚原子层次：毫米 零件、构件 力学,主要内容,材料现代分析测试方法涉及的分析测试技术和方法种类繁多，内容极其广泛。 对于传统方法、近代方法和现代方法的划分问题，不同的专家学者认识不同，且随科学技术的发展而变化。 因此，相近内容的教材或专著的名称多种多样，比如，“材料分析测试方法”、“材料现代分析方法”、“材料近代分析测试方法”、“材料分析测试技术”、“现代分析技术”、“现代仪器分析原理与技术”等等。 材料分析是通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化（称为测量信号或特征信息）的检测实现的。 换言之，材料分析的基本原理（或称技术基础）是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。 采用各种不同的测量信号（相应地具有与材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。,一、 微观结构分析基本原理 用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。 所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。 电子、光子和中子是最常见的束源。,入射束,出射束,物质,一、 分析方法的种类及功能,1、 按照束源分类： （1） 电子显微术： 同时获得结构（衍射）、形貌（成象）和成分（X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱等）信息； 电子束的波长很小，可覆盖从微观到宏观的所有结构尺度； 高分辨率。 缺点主要是电子穿透能力弱（穿透能力为十分之一微米量级），带来样品制备和实验等方面的困难；电子与物质的作用十分强烈，致使结果分析较复杂。,第一章微观结构分析基本原理,一、 分析方法的种类及功能,（2） X光衍射： 属于利用光子进行物质分析的一种。 X光的波长在0.01 0.1nm范围，正适合于分析物质的原子结构。 X光与被辐射物质的电子云相互作用，但相互作用弱于电子束，穿透能力在多数金属里达数十个微米 测量结果精确，实验简便， 最常用的有效分析手段。 缺点是只能给出平均的结构信息， 与轻原子作用很弱，不适于研究生物样品； 不适合成像。,X 光衍射仪,一、 分析方法的种类及功能,（3） 中子衍射： 没有电荷，因此直接与原子核和原子磁矩作用，相互作用比起电子和X光要弱很多。 因此中子衍射的第一个优点是强的穿透能力，可研究厘米量级的块状样品，避免了多重散射，样品的表面效应可忽略，数据处理变得很简便（衍射峰为高斯分部）。第二个优点是中子对不同种类的原子很敏感，可进行同位素互换、磁场影响等研究。 中子衍射的缺点与X光衍射类似，并且费用高昂，实验场所只限于有原子反应堆的地方。随着核技术的发展，中子衍射在法国、美国等已成为一种广泛应用的研究手段。,第一章微观结构分析基本原理,主要内容,基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已成为材料现代分析方法的重要组成部分，大体可分为光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析等四大类方法。 此外，基于其它物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。 尽管不同方法的分析原理（检测信号及其与材料的特征关系）不同及具体的检测操作过程和相应的检测分析仪器不同，但各种方法的分析、检测过程均可大体分为信号发生、信号检测、信号处理及信号读出等几个步骤。 相应的分析仪器则由信号发生器、检测器、信号处理器与读出装置等几部分组成。,一、 分析方法的种类及功能,2、按照物质结构的分析模式分类： 晶体结构（各类衍射仪）、 成像（主要透射电镜、扫描电镜）、 成分（X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱）、 综合类（分析型电镜）。,第一章微观结构分析基本原理,主要内容,信号发生器使样品产生（原始）分析信号。 检测器则将原始分析信号转换为更易于测量的信号（如光电管将光信号转换为电信号）并加以检测。 被检测信号经信号处理器放大、运算、比较等后由读出装置转变为可被人读出的信号被记录或显示出来。 依据检测信号与材料的特征关系，分析、处理读出信号，即可实现材料分析的目的。,三、与本专业其它课程的关系,本门课程是以高等数学、大学物理、无机及分析化学、有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础的，因此，学好这些前期课程是学好材料现代分析测试方法的前提。同时，材料现代分析测试方法又为后续专业课程如材料合成与制备方法、陶瓷、功能材料、高分子材料等打下基础。,四、教材及主要参考书,教材： 朱和国，王恒志.材料科学研究与测试方法 主要参考书： 1. 常铁军，祁欣. 材料近代分析测试方法. 哈尔滨工业大学出版社，2003 2. 周玉等. 材料分析测试技术材料X射线衍射与电子显微分析. 哈尔滨工业大学出版社，1998 3. 万朴等. 非金属矿产物相及性能测试与研究. 武汉工业大学出版社，1992 4 .左演声等. 材料现代分析方法. 北京工业大学出版社，2000,五、本门课程的考核,考查：以上课、回答问题、作业完成和出勤等情况为依据进行考查，考