材料分析方法0～绪论

绪论§1.材料及其学科的演变§2.各种工程材料概况§3.材料研究内容及其显微分析测试方法§4.本课程内容及要求§5.主要参考资料返回总目录历史上，人们把材料作为人类进步的里程碑，如“石器时代”、“铜器时代”和“铁器时代”等（如图）。到了20世纪60年代，人们把材料、信息与能源誉为当代文明的三大支柱；70年代又把新型材料、信息技术和生物技术认为是新技术革命的主要标志。这都说明材料的发展与社会文明的进步有着十分密切的关系。1.1材料的诞生与人类社会的进步§1.材料及其学科的演变七个时代造就材料辉煌石器时代青铜器时代铁器时代水泥时代钢时代硅时代新材料时代材料科学的重要地位材料虽然这样重要，发展也很快，但就研究材料整体来说，认为它已构成为一门学科，还是近30多年的事，那就是20世纪50年代末，60年代初，美国学者首先提出材料科学这个名词。由于材料的获得、质量的改进使材料成为人们可用的器件或构件都离不开生产工艺和制造技术等工程知识，所以人们往往把“材料科学”与“工程”相提并论，而称为“材料科学与工程”。这里的材料包括金属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）、有机高分子材料以及由几种材料组合在一起的复合材料。材料科学与工程是研究材料组成、结构、性能、合成或生产流程和材料使用效能及它们之间关系的科学与技术。广义的说，材料科学与工程（MSE）是研究材料结构/性质/工艺/性能（structure/properties/processing/performance）间关系的学科，具体主要是解释或控制以下四个方面的问题（材料科学与工程的四要素的关系图）：★材料的四要素原子排列方式

结合键原子结构显微组织性质结构/成分合成/制备效能★从材料的内部结构，可分为四个层次：材料科学与工程四要素关系★组成与结构：从宏观、微观及介观尺度上（annoy-、memo-、micro-、macro-scale）考虑原子及其排列。（金属学）★合成与制备：即原子的特定排列。★性质：由原子及其排列决定的材料特性或有用性。★使用性能：在生产实际中的有用性，包括经济、环境及社会的因素。考虑在四要素中的组成/结构并非同义词，即相同成分或组成通过不同的合成或加工方法，可以得出不同的结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。因此，我国有人提出一个五个基本要素的模型，即成分（composition）、合成/加工（synthesis/processing）、结构（structure）、性质（properties）和使用效能（performance）。

如果把它们连接起来，则形成一个六面体（hexahedron），『如下图』性质受环境影响（气氛温度受力状态）组织结构效能（使用性能）合成/制备成分理论及材料与工艺设计材料的五要素在实际应用中，材料更被分为很多不同的种类，如金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料、生物材料等等不一而足。各行业对材料的要求不尽相同，其对材料性能的关注也不相同，提出问题的角度和解决问题的思路更是不相同。由于不同国家地区技术发展水平不同，其对材料的使用要求也很不相同。正因为材料科学覆盖面广泛，又处于各传统学科交叉边缘，所以有关材料科学技术信息的分布也是很杂乱的，这就给有关材料科学技术的信息收集、整理与分析带来更大的难度。20世纪以来，学科运动中的分化与综合速度比以往任何时候都迅速，新学科层出不穷。特别是随着科学技术的发展，交叉学科作为一个新的学科增长点已成为学科增长的主流。一门新学科的建立，必须有本学科特有的定义和研究对象；必须有经过精心研究而建立起来的理论体系；必须有能回答新问题、新情况、新挑战的逻辑起点和学科方法，以及展现新的发展领域和科学层次的能力。以金属材料为例，在英、美等国，研究它的科学叫“Metallurgy”，包括两个定义:①Metallurgy是一门学科，从事于从矿石中提取金属，精炼及提纯金属，从金属制备有用物品，译为“冶金学”；②Metallurgy是一门科学，它从宏观到原子的层次研究金属结构与性能间的关系，宜译为“金属学”。1.2材料学科的形成与演变大学专业的设置，反映了学科的发展和变迁。

40年代初：矿冶专业（分）采矿和冶金两个专业；

以后：冶金（分）物理冶金（金属锭到制品）和化学冶金（矿石到金属锭）；

再以后：物理冶金（分）力学冶金（金属力学性能），正如力学从物理中分出一样。学科独立而出，它又趋向于与它密切相关的基础科学的结合，发展成为基础科学的应用部分。中文“冶金”与英文“Metallurgy”相对应，若狭义的“冶金”理解为“冶炼金属”，那么冶金学的三个分支也可命名为：化学冶金金属化学物理冶金金属物理力学冶金金属力学关于材料科学与工程（MSE），从已知“材料”定义，答复什么是“科学”，什么是“工程”？科学——对于现象的观察、描述、确认、实验研究及理论解释，叫科学。工程——将科学原理应用到实际目标，如设计、组装、运转经济而有效的结构、设备或系统，叫工程。将材料作为研究对象的材料科学和材料工程。便有如下相应的定义：材料科学——是一门科学，它从事材料本质的发现、分析和了解的研究。它的目的在于提供材料结构的统一描绘或模型以及解释这种结构与材料性能之间的关系。材料工程——是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。比较上述两个定义可知：材料科学的核心问题是结构，有什么样的结构，就有什么样的性能，“不计成本”；而材料工程则要全面考虑前述的材料的五个判据（资源、能源、环境、经济、性能）。作为MSE整体，美国MSE调查委员会（COMAT）给出如下定义：MSE是关于材料成分、结构、工艺和它们的性能与用途之间有关的知识和应用的科学。对于Metallurgy（材料学），顾名思义，可定义如下：研究材料的学科叫材料学。显然，这一定义的内涵比“材料科学、材料工程与MSE”三者均少。自然现象有“宏观”与“微观”之分，这两个概念移用于经济学，在20世纪60—70年代，美国经济学界风靡一时地将经济学分为“宏观经济学(Macro-economics)”与“微观经济学（Micro-economics）”。前者着眼于分析整个国民经济活动；后者则侧重于分析单个经济单位。“材料学的体系”及“材料的应用与发展”

1引论10展望9系统8科研6经济7选用宏观材料学材料学2失效3性能4结构5工艺微观材料学材料按空间尺度从大到小有：宇观→宏观→细观→微观→介观

材料科学与工程宏观材料学（Macro-Materialogy）——着眼于从整体上分析材料问题。即以材料的整体作为研究对象——系统,考虑它与环境（自然的及社会的）之间的交互作用；分析在环境的作用下,材料内部宏观组元（各类材料、各种材料）的自组织问题。微观材料学（Micro-Materialogy）——着眼于材料在自然环境（力、热、电、磁、光、化学等）作用下所表现出来的各种行为（即性能）,以及这些行为与材料内部结构之间的关系。“行为”——材料的性能,用于表征材料在给定外界条件下的行为。

环境[e(Enviroment)]、结构[S(Structure)]、性能[P(Property)]，从哲学角度考虑，e及S分别是事物变化的外因及内因，P是变化的结果。从这三个基础概念，可总结出两个基本方程：

P=f(e，S)

S={E，R}E——事物（或系统）内组元（Element）的集合。R——组元间关系（Relationship）的集合。微观材料学中的三个基础概念矿矿冶地质化工高分子陶瓷采矿冶金物冶化冶化学力冶物冶社会科学力学物理MSE材料学187918881937188819751986198919371966

材料学科的分化图时间(年)学科名称1865~1879地质与采矿工程1879~1884采矿工程1884~1888采矿工程(地质、采矿、冶金)1888~1890采矿与冶金1890~1927采矿工程与冶金1927~1937采矿与冶金1937~1966冶金1966~1975冶金与材料科学1975~至今材料科学与工程(MSE)美国MIT矿冶及材料学名称的演变物理金属学向金属材料系统科学转变阶段物理金属学成熟阶段物理金属学生长阶段物理金属学孕育阶段分解论向系统论转变期分解论盛期分解论初期朴素整体论时期1980~1900~198019世纪19世纪以前

化学冶金学金相学———金相电子显微镜冶金学宏观热力

材料表面与界面科学物理冶金学学及相图——合金统计热力学及相图计算粒子光学晶体学——晶体X射线衍射学多功能电子显微镜材料力学——弹性、塑性及断裂力学电子微区探针分析器金属与合金电子理论场离子发射显微镜晶体的缺陷及位错理论场电子发射显微镜固体中原子扩散及相变理论材料的物理性质理论

（电、磁、热、光等）

金属材料科学发展的阶段与人类思维方式的演变按化学组成分按应用及其功能分结构材料：多用金属材料功能材料：多用陶瓷材料、高分子材料金属材料（黑色金属、有色金属）陶瓷材料（工程陶瓷、结构陶瓷）复合材料

高分子材料（塑料、合成纤维、橡胶、涂料等）§2.各种工程材料概况

金属材料：良好的力学性能和理化性能，较好的加工工艺性能，价格便宜或适中，性能覆盖面大、广泛。但资源有限，特殊环境下，金属不能胜任。陶瓷材料：优良的理化性能，极好的耐高温性能，但脆，加工性能差，高级陶瓷材料昂贵，可靠性差。高分子材料：高弹性，耐磨性好，原料丰富。但导电导热性差，强度低，不耐高温，易老化、易燃烧。复合材料：具有单一材料的复合性能，可按需要进行人为的设计制造。但低档、高档多，缺少中挡。趋势：三足鼎立；由于科技的发展，金属材料的地位，与20世纪相比有所下降；传统材料的地位难以被取代。各种材料的特征

何为“材料”？材料是一类有用的物质。(肖纪美语)这里“有用”即指材料的某一种可为人类所利用的“性能”，而性能必然与物质的“结构”密切相关。那么，材料不言而喻就是探讨“某种材料的结构与性能之间的关系”。当然，研究之目的并非仅是揭示其关系或机制，更重要的在于控制“结构”得到人们所期望的“性能”。§3.材料研究内容及其显微分析测试方法3.1显微组织结构的主要内容及结构分析3.2显微分析3.3成分分析3.4宏观物理性质的研究分析

3.6能谱分析3.5极端条件下的性能探测

3.1显微组织结构的主要内容及结构分析(1)显微化学成分(不同相的成分，基体与析出相的成分，偏析等)(2)晶体结构与晶体缺陷(面心立方、体心立方、位错、层错等)(3)晶粒大小与形态(等轴晶、柱状晶、枝晶等)(4)相的成分、结构、形态、含量及分布(球、片、棒、沿晶界聚集或均匀分布等)(5)界面(表面、相界与晶界)(6)位向关系(惯习面、孪生面、新相与母相)(7)夹杂物(8)内应力(畸变内应力或组织应力、喷丸表面、焊缝热影响区等)结构分析方法电磁波粒子束

由于遵从布拉格衍射定律，两者一样的，即波-粒二象性如用X射线衍射分析(XRD)进行晶体结构分析,只能对毫米级、不能对微米及纳米级微区进行分析,无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来。（2）电子衍射：对薄膜.薄晶的结构分析要用电子衍射.而不能用XRD测定。

（1）(3)中子衍射：

采用中子源用于氢元素(H、Li)等的探测,但造价高。(4)高分辨率电子显微镜：

常用于测定晶格的微观分析方法。(5)场离子电子显微镜：

能清晰地显示样品表层的原子排列和缺陷,在研究原子的位置、大小方面很有优势。3.2显微分析3.2.1光学显微镜最常用的也是最简单的观察材料显微组织的工具，能直观地反映材料样品的组织形态(如晶粒大小、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)分辨率低（约200nm），放大倍率低（约1000倍即103倍）为可见光源，玻璃透镜。因此只能观察到102

nm尺寸级别的组织结构，而对于更小的组织形态与单元(如位错、原子排列)则无能为力。光学显微镜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成分分析。进行几千个原子的晶粒大小、表面形态、相的形成等分析。3.2.2X射线衍射(XRD,X-RayDiffraction)分析

XRD,是利用X-Ray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(位错等)、不同结构相的含量以及内应力的方法。这种方法是建立在一定的晶体结构模型基础上的间接方法。即根据与晶体样品产生衍射X-Ray信号的特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数，并可以达到很高的精度。然而,由于它不是像显微镜那样直接可见的观察，因此也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来。由于X-Ray聚焦的困难，所能分析样品的最小区域(光斑)在“毫米”数量级，因此对微米、纳米级微观区域的选择性分析也是无能为力的。EM是用高能电子束作光源，用磁场做透镜制造的具有高分辨率和高放大倍数的电子光学显微镜。(1).透射电子显微镜(TEM，TransmissionElectronMicroscope)TEM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态与结构的。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——同位分析。TEM最早由德国发明。其分辨率为10-1nm，放大率106倍(100万)，但制样困难。3.2.3电子显微镜(EM,ElectronMicroscope)(2).扫描电子显微镜(SEM，ScanningElectronMicroscope)SEM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。最常用来观察样品表面形貌（断口等），还可观察样品表面的成分分布情况。法国最早，60年代开始。分辨率可达1nm，放大倍数可达2×105倍(10万倍)。（3）.电子探针显微分析(EPMA，ElectronProbeMicro-Analysis)EMPA是利用聚焦的超细的电子束打在样品的微观区域，激发出样品该微区的特征X-Ray，分析其X-Ray的波长和强度来确定样品的微观区域的化学成分。将扫描电镜（SEM）与电子探针显微分析（EPMA）结合起来，则可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。(4).扫描透射电子显微镜(STEM，ScanningTransmissionElectronMicroscope)STEM同时具有SEM和TEM的双重功能。若配上电子探针附件(分析电镜)则可实现对微观区域的组织形貌观察，晶体结构鉴定和化学成分测试“三位一体”的同位分析。(5).超高压透射电子显微镜

可用于较厚的样品。(6).场离子电子显微镜包括扫描隧道显微镜STM(在1981年由Dr.GerdBinnig发明，垂直方向分辨率达0.01nm，水平方向分辨率达0.1nm,由此于1986年获诺贝尔物理奖）、扫描探针(SPM)、扫描近场光学显微镜。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。3.2.4扫描探针显微技术3.2.5原子力显微镜(AFM)1986年由Dr.GerdBinnig发明原子力显微镜。可测量表面原子间的力，测量表面的弹性、塑性、硬度、摩擦力等性质。3.3

成分分析(1)

X射线荧光分析(2)

原子吸收光谱(3)

质谱分析(4)

中子活化分析(5)

电子探针和质子探针(6)

俄歇电子谱AES(7)

光电子谱仪(8)

二次粒子质谱化学分析与光谱分析

化学分析只能给出一块试样材料的平均成分(所含每种元素的平均含量)，并可以达到很高的分析精度，但不能给出所含元素的分布情况(如偏析，同一元素在不同相中的含量等)。光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。实际上，微区成分不均匀性（元素在钢中的微观不均匀性）微观结构不均匀性微区性能不均匀性决定材料宏观性能。3.4宏观物理性质的研究分析

如力学性能、物理性能的测定。3.5极端条件下的性能探测