材料分析方法绪论PPT课件

1、材料分析方法绪论 材料分析方法 材料分析方法绪论 绪绪 论论 一、材料的组织结构与性能一、材料的组织结构与性能 二、显微组织结构的内容二、显微组织结构的内容 三、材料分析方法的基本原理和分类三、材料分析方法的基本原理和分类 四、显微组织结构与成分的传统分析测试方法四、显微组织结构与成分的传统分析测试方法 五、显微组织结构与成分的现代分析测试方法五、显微组织结构与成分的现代分析测试方法 六、本课程内容及要求六、本课程内容及要求 材料分析方法绪论 材料科学与工程材料科学与工程? 是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性 能和使用性能间相互关系的知识及这些

2、知识的应能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应 用。用。 材料科学与工程对生产、使用和发展材料具有指材料科学与工程对生产、使用和发展材料具有指 导意义。导意义。 材料分析方法绪论 材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素： 材料的成分和结构、材料的成分和结构、 制造工艺、制造工艺、 性能性能、 使用性能。使用性能。 材料分析方法绪论 一、材料的组织结构与性能一、材料的组织结构与性能 1、组织结构与性能的关系、组织结构与性能的关系 结构决定性能。结构决定性能。 即材料的性能即材料的性能(包括力学性能与物理性能包括力学性能与物理性能)是由其是由其 内部的微观组织结构所决定的。

3、内部的微观组织结构所决定的。不同种类材料固不同种类材料固 然具有不同的性能，即使是同一种材料经不同工然具有不同的性能，即使是同一种材料经不同工 艺处理后得到不同的组织结构时，则具有不同的艺处理后得到不同的组织结构时，则具有不同的 性能。性能。 （结构是理解和控制性能的中心环节！结构是理解和控制性能的中心环节！） 材料分析方法绪论 2、微观组织结构控制、微观组织结构控制 通过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其通过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其 形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。 必须具备两个基础条件：必须具备两个基础条件： 认识了材料

4、的组织结构与性能之间的关系；认识了材料的组织结构与性能之间的关系； 认识了显微组织结构形成的条件与过程机理。认识了显微组织结构形成的条件与过程机理。 例如：在加工齿轮时，预先将钢材进行退火处理，使其硬例如：在加工齿轮时，预先将钢材进行退火处理，使其硬 度降低，以满足容易车、铣等加工工艺性能要求；加工好度降低，以满足容易车、铣等加工工艺性能要求；加工好 后再进行渗碳淬火处理，使其强度、硬度提高，以满足耐后再进行渗碳淬火处理，使其强度、硬度提高，以满足耐 磨损等使用性能要求。磨损等使用性能要求。 材料分析方法绪论 二、显微组织结构的内容二、显微组织结构的内容 材料的显微组织结构所涉及的内容大致如下

5、：材料的显微组织结构所涉及的内容大致如下： 显微化学成分显微化学成分(不同相的成分，基体与析出相的成分，不同相的成分，基体与析出相的成分， 偏析等偏析等)； 晶体结构与晶体缺陷晶体结构与晶体缺陷(面心立方、体心立方、位错、层面心立方、体心立方、位错、层 错等错等)： 晶粒大小与形态晶粒大小与形态(等轴晶、柱状晶、枝晶等等轴晶、柱状晶、枝晶等)； 相的成分、结构、形态、含量及分布相的成分、结构、形态、含量及分布(球、片、棒、沿球、片、棒、沿 晶界聚集或均匀分布等晶界聚集或均匀分布等)； 界面界面(表面、相界与晶界表面、相界与晶界)； 位向关系位向关系(惯习面、孪生面、新相与母相惯习面、孪生面、新

6、相与母相)； 夹杂物；夹杂物； 内应力内应力(喷丸表面，焊缝热影响区等喷丸表面，焊缝热影响区等)。 材料分析方法绪论 三、材料分析方法的理论依据和分类三、材料分析方法的理论依据和分类 材料分析方法？材料分析方法？ 是关于材料是关于材料成分、结构、微观形貌与成分、结构、微观形貌与 缺陷缺陷等的现代分析、测试技术及其有等的现代分析、测试技术及其有 关理论基础的科学。关理论基础的科学。 材料分析方法绪论 1、材料分析方法的理论依据材料分析方法的理论依据 除了个别研究手段除了个别研究手段(如扫描如扫描 探针显微镜探针显微镜)以外，基本上以外，基本上 是利用入射电磁波或物质波是利用入射电磁波或物质波 (

7、x射线、电子束、可见光等射线、电子束、可见光等) 与材料作用，产生携带样品与材料作用，产生携带样品 信息的各种出射电磁波或物信息的各种出射电磁波或物 质波质波(x射线、电子束、可见射线、电子束、可见 光等光等)，探测这些出射的信，探测这些出射的信 号，进行分析处理，即可获号，进行分析处理，即可获 得材料的组织、结构、成分、得材料的组织、结构、成分、 价键等信息。价键等信息。 样样 品品 入射信号入射信号 （X射线、电子、离子、可见光）射线、电子、离子、可见光） 反射信息反射信息 （X射线、电子、射线、电子、 可见光）可见光） 透射信息透射信息 （X射线、电子、可见光）射线、电子、可见光） 吸收

8、信息吸收信息 （电子）（电子） 样品特征物理信息示意图样品特征物理信息示意图 材料分析方法绪论 2、材料分析方法的分类、材料分析方法的分类 按用途分为三类：按用途分为三类： 组织形貌分析组织形貌分析； 物相分析物相分析； 成分和价键分析成分和价键分析。 (1) 组织形貌分析：组织形貌分析： 借助各种显微技术，认识材料的微观结构。借助各种显微技术，认识材料的微观结构。 表面形貌分析技术经历了光学显微镜表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、电子、电子 显微镜显微镜(SEM)、扫描探针显微镜、扫描探针显微镜(SPM)的发展过的发展过 程程。 材料分析方法绪论 （2）物相分析）物相分析 物相分析是

9、指利用衍射的方法探测晶格类型和晶物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶 胞常数，确定物质的相结构。胞常数，确定物质的相结构。 原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材 料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得 材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结 构。构。 主要的物相分析手段有三种：主要的物相分析手段有三种：x射线衍射射线衍射(XRD)、 电子衍射及中子衍射电子衍射及中子衍射。 材料分析方法绪论 （3）成分和价键分析）成分和价键分析 原理：核外电子的能级分

10、布反应了原子的特征信息。原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息。 利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃 迁，在此过程中产生元素的特征信息。迁，在此过程中产生元素的特征信息。 按照出射信号的不同，按照出射信号的不同， 成分分析手段可以分成分分析手段可以分 为两类：为两类：x光谱和电子光谱和电子 能谱，出射信号分别能谱，出射信号分别 是是x射线和电子。射线和电子。 材料分析方法绪论 四、显微组织结构与成分的四、显微组织结构与成分的 传统分析测试方法传统分析测试方法 1、光学显微镜、光学显微镜 优点：优点： 是最常用的也是最简单的观察材料显微

11、组织的是最常用的也是最简单的观察材料显微组织的 工具。工具。 能直观地反映材料样品的微观组织形态能直观地反映材料样品的微观组织形态(如晶如晶 粒大小，珠光体还是马氏体，焊接热影响区的组粒大小，珠光体还是马氏体，焊接热影响区的组 织形态，铸造组织的晶粒形态等织形态，铸造组织的晶粒形态等)。 材料分析方法绪论 材料分析方法绪论 缺点：缺点： 分辨率低分辨率低(约约200nm)和放大倍率低和放大倍率低(约约103倍倍)。 只能观察到只能观察到100nm尺寸级别的组织结构，而对于更小尺寸级别的组织结构，而对于更小 的组织形态与单元的组织形态与单元(如位错，原子排列等如位错，原子排列等)则无能为力。则无

12、能为力。 只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织 结构，更不能对所观察的显微组织进行同位微区结构，更不能对所观察的显微组织进行同位微区 成分分析。成分分析。 目前目前, ,光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要! ! 材料分析方法绪论 2、化学分析、化学分析 分析材料平均化学成分的常规方法：湿化学法和光谱分析材料平均化学成分的常规方法：湿化学法和光谱 分析法等分析法等。 优缺点：优缺点： 采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均 成分成分(所含每种

13、元素的平均含量所含每种元素的平均含量)，并可以达到很高的精度，并可以达到很高的精度， 但不能给出所含元素分布情况但不能给出所含元素分布情况(如偏析，同一元素在不同如偏析，同一元素在不同 相中的含量不同等相中的含量不同等)。 光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。 材料分析方法绪论 材料的整体的成分分析也不能满足材料研究的需要！材料的整体的成分分析也不能满足材料研究的需要！ 元素在钢中的分布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀元素在钢中的分布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀 的。的。 由于微区成分的不均匀性造成了微观组织结构的不均匀性，由于微区成分的不均匀性

14、造成了微观组织结构的不均匀性， 以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均匀性对材料以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均匀性对材料 的宏观性能有重要的影响作用。的宏观性能有重要的影响作用。 例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区形成硬脆的片例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区形成硬脆的片 状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏 体。片状马氏体在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐体。片状马氏体在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐 扩展而造成断裂。扩展而造成断裂。 材料分析方法绪论 五、显微组织结构与成分的五、显微组织结构与成分的

15、现代分析测试方法介绍现代分析测试方法介绍 1、X射线衍射射线衍射 X射线衍射是利用射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分射线在晶体中的衍射现象来分 析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷(位错位错 等等)、不同结构相的含量及内应力的方法。、不同结构相的含量及内应力的方法。 是最常用的物相定性分析方法是最常用的物相定性分析方法！ 根据根据X射线与晶体样品产生衍射后的射线与晶体样品产生衍射后的X射线信号的射线信号的 特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数。特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数。 材料分析方法绪论 材料分析方法绪论 优点：优点： 计算出样品

16、的晶格参数可以达到很高的精度。计算出样品的晶格参数可以达到很高的精度。 缺点：缺点： 不不能直观地观察晶体结构，必须进行分析；能直观地观察晶体结构，必须进行分析； 无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合 起来起来； 常用的常用的X射线衍射仪能分析样品的最小区域在毫射线衍射仪能分析样品的最小区域在毫 米数量级米数量级（由于由于X射线聚焦的困难射线聚焦的困难）。）。 材料分析方法绪论 2、电子显微分析、电子显微分析 电子显微技术就是应用电子显微镜和其它电子束电子显微技术就是应用电子显微镜和其它电子束 仪器来研究微观世界中的物质的组织形态、结构、仪器来研

17、究微观世界中的物质的组织形态、结构、 组成及变化规律的学科。组成及变化规律的学科。 电子显微分析包括：电子显微分析包括： 透射电子显微分析透射电子显微分析 扫描电子显微分析扫描电子显微分析 电子探针显微分析电子探针显微分析 材料分析方法绪论 (1) 透射电子显微镜透射电子显微镜（简称透射电镜）（简称透射电镜） 透射电镜是采用透过薄膜样品的电子束成像来显透射电镜是采用透过薄膜样品的电子束成像来显 示样品内部组织形貌与结构的。示样品内部组织形貌与结构的。 特点：特点： 可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察 的区域进行晶体结构鉴定的区域进行晶体结构鉴定

18、(同位分析同位分析)； 分辨率可达分辨率可达10-1nm，放大倍数可达，放大倍数可达106倍。倍。 材料分析方法绪论 材料分析方法绪论 (2) 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（简称扫描电镜）（简称扫描电镜） 扫描电镜是利用电子束在样品表面扫描激发出来扫描电镜是利用电子束在样品表面扫描激发出来 代表样品表面特征的信号成像的。代表样品表面特征的信号成像的。 最常用来观察样品表面形貌最常用来观察样品表面形貌(断口等断口等)。 SEM的分辨率可达到的分辨率可达到1nm，放大倍数可达，放大倍数可达2l05 倍。倍。 材料分析方法绪论 材料分析方法绪论 (3) 电子探针显微分析电子探针显微分析 电子探针显微

19、分析是利用聚焦得很细的电子束打电子探针显微分析是利用聚焦得很细的电子束打 在样品的微观区域，激发出样品该区域的特征在样品的微观区域，激发出样品该区域的特征X 射线，分析射线，分析特征特征X射线来确定样品微观区域的化射线来确定样品微观区域的化 学成分。学成分。 将扫描电镜与能谱仪结合来，则可以在观察微观将扫描电镜与能谱仪结合来，则可以在观察微观 形貌的同时对该微观区域进行化学成分同位分析。形貌的同时对该微观区域进行化学成分同位分析。 材料分析方法绪论 3、表面分析技术、表面分析技术 (1) 电子能谱分析电子能谱分析 电子能谱分析是一种研究物质电子能谱分析是一种研究物质表面元素组成与离表面元素组成

20、与离 子状态子状态的表面分析技术。的表面分析技术。 基本原理：用一定的激发源照射样品，使样品中基本原理：用一定的激发源照射样品，使样品中 原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子 的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不 同壳层电子的能量相比较，就可确定未知样品表同壳层电子的能量相比较，就可确定未知样品表 层中原子或离子的组成和状态。层中原子或离子的组成和状态。 常用的两种分析方法：常用的两种分析方法：X射线光电子能谱射线光电子能谱、俄歇俄歇 电子能谱电子能谱。 材料分析方法绪论 (2) 扫描隧道显微镜扫描

21、隧道显微镜 是一种表面形貌与结构测试仪器。是一种表面形貌与结构测试仪器。 与扫描电镜、透射电镜相比，扫描隧道显微镜具与扫描电镜、透射电镜相比，扫描隧道显微镜具 有结构简单、分辨本领高等特点，可在真空、大有结构简单、分辨本领高等特点，可在真空、大 气或液体环境下以及在实空间内进行原位动态观气或液体环境下以及在实空间内进行原位动态观 察样品表面的原子组态，并可直接用于观察样品察样品表面的原子组态，并可直接用于观察样品 表面发生的物理或化学反应的动态过程及反应中表面发生的物理或化学反应的动态过程及反应中 原子的迁移过程等。原子的迁移过程等。 材料分析方法绪论 光谱分析方法：是基光谱分析方法：是基 于于电磁辐射电磁辐射与材料相与材料相 互作用产生的特征光互作用产生的特征光 谱波长与强度进行材谱波长与强度进行材 料分析的方法。料分析的方法。 如如X X射线荧光光谱、红射线荧光光谱、红 外光谱等。前者可用外光谱等。前者可用 于材料的成分分析，于材料的成分分析， 后者可用于分子结构后者可用于分子结构 的分析。的分析。 4、光谱分析、光谱分析 材料分析方法绪论 六、本课程内容及要求六、本课程内容及要求 1、内容、内容 材料分析方法绪论 2、学习要求、学习要求 （1）掌握）掌握X射线衍射仪、射线衍射仪、X射线应力测定仪、透射电镜、射线应力测定仪、透射电镜、 扫描电镜、电子探