材料分析方法

1、XRF1基本原理X射线管产生入射X射线（一次射线），照射到被测样品上。样品中的每一种元素会放射出具有特定能量特征的二次X射线（荧光X射线）。二次X射线投射到分光晶体的表面，按照布拉格定律产生衍射，不同波长的荧光X射线按波长顺序排列成光谱。这些谱线由检测器在不同的衍射角上检测，转变为脉冲信号，经电路放大，最后由计算机处理输出。2XRF样品制备 理想待测试样应满足的条件有足够的代表性（因为荧光分析样品的有效厚度一般只 有10100；试样均匀；表面平整、光洁、无裂纹；试样在射线照射及真空条件下应该稳定、不变型、不引起化学变化；组织结构一致!3特点，应用范围X射线光谱分析技术是一种化学成分分析，相对于

2、传统的化学分析，最大的优点就是无损检测，应用领域及其广泛，如：冶金、材料、地质、环境及工业等。它具有分析速度快、样品前处理简单、可分析元素范围广、谱线简单，光谱干扰少等优点。X射线荧光光谱分析不仅可以分析块状、粉末还可以分析液体样品。4. XRF与传统化学分析相比无损检测、重复性高、分析速度快、测试过程简单5. XRF与ICP仪器法相比ICP需要融掉样品，相对于XRF样品前处理较复杂ICP的基体效应小，微含量元素测量占优势，而XRF对高含量元素测量准确度更高第一章 X射线内应力的测定1第I类应力（）：在物体宏观较大体积或多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。此类应力释放会使物体宏观体积或形状发生变

3、化，称之为“宏观应力”或“残余应力”。衍射效应：能使衍射线产生位移。第II类内应力（）：在一个或少数个晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。衍射效应：引起线形变化（峰宽化）。第III类应力（）：在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。衍射效应：能使衍射强度减弱。2. X射线应力测定的基本原理通过测定弹性应变量推算应力（=E）。通过晶面间距的变化来表征应变 （=E=Ed/d0）晶面间距的变化与衍射角2的变化有关。因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面的衍射线位移量，即可计算出晶面间距的变化量d/d，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应力数值。3. 式中K称为射线弹性常数或射线应力常数，简称应力

4、常数。4. 宏观应力测定方法由应力测定的基本公式： 可知，若测得M，根据测试条件取应力常数K，即可求得测定方向平面内的宏观应力值，因此关键是M的测定。一般步骤如下： （1）使X射线从几个不同的角入射（ 角已知），并分别测取各自的2 （衍射角）。（2）作出2 - sin2 的曲线，求出斜率M，求出。M0 材料表面为压应力； M0 材料表面为拉应力 5. 衍射仪法测定2- sin2曲线常用方法有两种1， sin2法为尽量避免测量时的误差，多取 方位进行测量，用最小二乘法求出2 - sin2 直线的最佳斜率。 一般=0、15、30、 45, 测量对应的2角，绘制2 - sin2关系图。2， 045法

5、（两点法）取（0) 为0和45（或其他两个适当的角度），分别测量2，作直线求M值；适用范围： 已知2-sin2关系呈良好线性或测量精度要求不高的工件。6. 根据平面与测角仪2扫描平面的几何关系，可分为同倾法与侧倾法两种测量方式。 同倾法的衍射几何特点，是平面与测角仪2扫描平面重合。同倾法中设定角的方法有两种，即固定0法和固定法。侧倾法的衍射几何特点是平面与测角仪2扫描平面垂直7、为何选高角区为减小测量误差，在应力测试过程中尽可能选择高角衍射。选择高角衍射还可以有效减小仪器的机械调整误差等。第二章 材料X射线宏观织构测定1. 织构的基本概念具有择优取向的结构状态称为织构（1）丝织构：金属材料中的

6、晶粒以某一结晶学方向平行于（或接近平行于）线轴方向的择优取向。 丝织构存在于拉、轧或挤压成形的丝、棒材及各种镀层。 特点：多晶体中各晶粒的某晶向与丝轴或镀层表面法线平行，则丝织构指数表示为。（2）板织构：存在于轧制、旋压等成形的板、片状构件内。在变形过程中，多数晶粒不仅倾向于以某一晶向平行于材料的某一特定外观方向，同时还以某一晶面（hkl）平行于材料的特定外观平面（板材表面），这种类型的择优取向称为板织构，一般以(hkl)uvw表示特点：各晶粒的某晶向与轧向（RD）平行；各晶粒的某晶面 hkl 与轧面平行。2. 取向描述了物体从初始取向出发相对于参考坐标系的转动状态取向的表征(1) 密勒指数

7、(2) 欧拉角(3) 旋转矩阵(4) 旋转轴角立方金属轧板常见取向的欧拉角及其晶面晶向指数的换算3. 极图 多晶材料中各个晶粒的某类hkl晶面族法线的极射赤面投影，也就是各个晶粒的某类hkl晶面在试样坐标系中几率分布的极射赤面投影图以多晶体材料的特征外观方向（轧制平面法向ND、轧制方向RD及横向TD）作为宏观参考系的三个坐标轴，取轧制平面为投影面，将多晶材料中每个晶粒的某一低指数晶面（hkl）法线用极射赤道平面投影的方法投影在此平面上得到多晶材料的（hkl）极图。主要用来描述板织构hkl反极图 把多晶材料中垂直于轧面法线（和轧向、横向）所有晶面的极点全部投影到同一极射赤面投影的基本三角形中，也

8、就是某一样品的参考方向（ND，RD，TD）在晶体坐标系中的几率分布的极射赤面投影。以晶体的三个主要晶轴（或低指数晶向）为参照坐标系的三个坐标轴，取与晶体主要晶轴垂直的平面作投影面，将与某一外观方向平行的晶向的空间分布用极射赤道平面投影的方法投影在此平面上，得到多晶体材料的此特征方向的反极图。一般描述丝织构。4. 取向线分析: 并不需要分析取向分布函数所能提供的全部数据，而只需分析在某一过程中取向空间内一些特定取向线上取向分布函数值的变化过程5. 极图、反极图和ODF比较：被测材料的HKL极图只表明了材料中hkl晶面的分布情况，并没有直接得到晶粒取向的分布。反极图比较直观全面地表达了织构的情况。

9、优点是便于定量处理，可直接将织构与物理量变化联系起来，测绘手续方便，不需特殊的测角头。缺点是不能从一张极图上同时反映出轧面和轧向的关系，一般需测定轧向、法向和横向三张反极图。织构的极图只提供了二维空间，不足以表示三维空间的取向分布问题。三维取向分布函数能提供三维取向分布信息，用于精确表示织构。6. 材料宏观织构测量方法 反射法 透射法 背散射电子衍射（EBSD技术）第三章 材料EBSD织构分析1. 电子背散射衍射原理电子束轰击至样品表面，撞击晶体中原子产生散射，这些散射电子由于撞击的晶面类型(指数、原子密度)不同在某些特定角度产生衍射效应，在空间产生衍射圆锥。2. Ge EBSP每一线对即菊池

10、线，代表晶体中一组平面，线对间距反比于晶面间距，所有不同晶面产生菊池衍射构成一张电子背散射衍射谱(EBSP)，菊池线交叉处代表一个结晶学方向。2. EBSD产生条件固体材料，且具有一定的微观结构特征晶体(电子束下无损坏变质，金属、矿物、陶瓷，导体、半导体、绝缘体)试样表面平整，无制样引入的应变层足够强度的束流0.5-10nA高灵敏度CCD相机样品倾斜至一定角度(70度)3. 影响EBSD分辨率的因素材料影响-原子序数高，背散射信号强，分辨率高样品的位置-小的工作距离，高分辨率，工作距离15-25mm加速电压-低加速电压高分辨率束流-5nA为最佳值4. EBSD样品制备要求样品表面平整，没有样品

11、制作过程中没有被破坏避免破坏晶粒之间的晶界样品表面不能有应力层5. EBSD可获得的信息：晶粒尺寸、形状晶界特性（晶界类型、错位角）相分布、相鉴定断面残余应变分布织构分布及定量统计再结晶形核的分布6.第四章 聚焦离子束技术（FIB）1. 液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点，使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源2. FIB工作原理在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属，从而导出离子束，然后通过静电透

12、镜聚焦，经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，而后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割。3. 离子束与材料的相互作用产生的信号4. 二次离子成像工作原理离子光学柱将离子束聚焦到样品表面，偏转系统使离子束在样品表面做光栅式扫描，同时控制器作同步扫描。电子信号检测器接收产生的二次电子或二次离子信号去调制显示器的亮度，在显示器上得到反映样品形貌的图像。优势：二次离子成像与电子成像相比，可以获得良好的对比度，而后者可以提供较高的分辨率。第五章1. 衬

13、度传递函数（CTF）具有复函数形式衬度传递函数表述了成像系统对各空间频率信息的响应。衬度传递函数表征了电子显微镜的固有性能，它与具体的实验以及试样无关。2. 对于一个确定的电子显微成像系统（加速电压确定、球差系数CS确定），总是可以选择到一个最佳的欠焦值，使得|sin(u, v)1|的平台展开最宽，称这个欠焦条件为Scherzer 最佳欠焦条件。3. 点分辨率规定在 Scherzer 欠焦条件下的sin(u, v)曲线与横坐标的第一交点对应的空间频率的倒数为电子显微镜的点分辨率。信息分辨率将振幅衰减到37的分辨极限标线与衰减包络函数曲线的最远交点，规定为电子显微镜的信息分辨本领。二维像分类：二

14、维点阵像 二维结构像4实验高分辨像可直接解释为结构的条件 试样足够薄：满足弱相位物近似或投影电荷密度近似 成像系统：应选择Scherzer欠焦条件5. STEM工作原理STEM成像不同于一般的平行电子束TEM成像，它是利用会聚的电子束在样品上扫描来完成的。在扫描模式下，场发射电子源发射出电子，通过在样品前磁透镜以及光阑把电子束会聚成原子尺度的束斑。电子束斑聚焦在试样表面后，通过线圈控制逐点扫描样品的一个区域。在每扫描一点的同时，样品下面的探测器同步接收被散射的电子。对应于每个扫描位置的探测器接收到的信号转换成电流强度显示在荧光屏或计算机显示器上。样品上的每一点与所产生的像点一一对应。6. 从探

15、测器中间孔洞通过的电子可以利用明场探测器形成一般高分辨的明场像。环形探测器接受的电子形成暗场像。7为什么叫原子序数衬度像HAADF像的强度正比于原子序数的平方-Z衬度像第六章热分析1. 热分析定义：是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。2. 差热分析：是在程序控温条件下，测量试样与参比的基准物质之间的温度差与环境温度的函数关系。参比物的选取原则：在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质，如刚玉、MgO等。3. 差热曲线能提供的信息峰的个数：吸热和放热过程的个数。峰的位置：吸热和放热过程发生的温度。峰的性质：向上，放热；向下，吸热。峰的形状：热反应的速率。峰的面积：

16、吸收或释放的热量的多少。基线的位置：样品与参比物的比热关系。基线的长度：物质稳定存在的温度区间。试样与参比物的温度差达到一个稳定值(T)a后，差热曲线上就出现一段接近平行的直线段，这种直线段称为基线4. 影响差热曲线特征的因素试样粒度的影响：试样颗粒越大，峰形趋于扁而宽；反之，颗粒越小，热效应温度偏低，峰形变窄。粒度变化会引起反应速率的变化，从而影响差热曲线的特征。试样粒度细化，会使结晶度下降和缺陷增多，导致内能增加，反应温度下降，吸热量减少，造成差热曲线峰位向低温方向漂移和峰面积减小。升温速率的影响：升温速率会影响峰的形状、位置和相邻峰的分辨率。升温速率大，峰的形状陡，峰顶温度高。升温速率大

17、，相邻峰分辨率下降，但对小峰的检测灵敏度提高。5. 示差扫描量热分析法（DSC）通过对试样因热效应而发生的能量变化进行及时补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。灵敏度和精度大有提高，可进行定量分析。6. 热重法是在程序控制温度下测量物质的质量与温度关系的技术7. 微商热重曲线的优点与热重曲线相比，微商热重曲线不仅能清楚地反映热反应的起始温度、终止温度和达到最大反应速率的温度，而且提高了分辨两个相继发生的热反应过程的能力8. 热重曲线能提供的信息斜坡个数:热反应的个数斜坡高差:试样的质量变化大小斜坡陡缓:热反应速率平台长度:质量稳定的温度范围起始温

18、度质量开始变化时的温度Ti终止温度质量变化终止时的温度Tf反应区间起始温度与终止温度之间的温度间隔Tf Ti9. 第七章 材料表面分析1. 系列是以受激产生的空穴在哪一个主壳层来划分 群是在系列下以填补电子与发射电子在基态时的位置来划分。2. 对于K层电离的初始激发状态，其后的跃迁过程中既可能发射各种不同能量的K系X射线光(K1, K2, K 等)，也可能发射各种不同能量的K系俄歇电子(KL1L1, KL1L2, 3 等)，这是两个互相竞争的不同跃迁方式，它们的相对发射几率，即荧光产额K和俄歇电子产额K满足3.为什么俄歇电子测表面：这是因为大于表层以下030的深度范围处发射的俄歇电子，在到达表

19、面以前将由于与样品原子的非弹性散射而被吸收，或者部分地损失能量而混同于大量二次电子信号的背景。可以用来鉴别和分析不同的元素及化学结构：由于俄歇电子的能量与原子的种类有关，也与原子所处的化学状态有关。因此，它是又一种特征能量，具有类似指纹鉴定的效果。5. 俄歇电子能谱仪(AES)基本原理用一定能量的电子束轰击样品，使样品内电子电离，产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出进入真空，被收集和进行分析。6. 俄歇电子能谱分析的特点分析层薄可分析元素范围广可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析分析区域小能对元素的化学态进行分析7. 俄歇电子能谱分析的局限性不能分析H和He定量分析精度较低对多数元素的探测灵敏

20、度为原子摩尔分数0.11.0%电子束轰击损伤和电荷积累限制了其在有机材料、生物样品和某些陶瓷材料中的应用8. 结合能指的是固体样品中电子从某轨道跃迁到Fermi能级所需要的能量。固体样品中的电子由Fermi能级跃迁为真空静止电子所需要的能量称为功函数。9X射线光电子能谱分析特点（XPS）分析层薄分析元素范围广具有测试深度-成分分布曲线的能力空间分辨率差数据收集速度慢10. XPS和AES特点对比分析元素能力:XPS可以测氢以外的其他元素，AES可以测氢、氦以外的各种元素定量分析:都可以利用灵敏度因子直接从峰高得到半定量信息可测定最低浓度:AES和XPS的实际灵敏度仅为0.1%（原子摩尔分数）化学态测定:XPS的主要优