材料测试分析技术课程教学大纲

材料测试分析技术课程教学大纲课程编号：09011150课程名称：材料测试分析技术/MeasurementandAnalysisforMaterials学时：48学时学分：3学分适用专业：材料物理开课学期：5开课部门：理工学院物理系先修课程：大学物理、材料科学基础。考核要求：考试使用教材及主要参考书：周玉等编，《材料分析方法》,机械工业出版社,2011周玉，《材料分析测试技术》，哈尔滨工业大学出版社，2007黄新民，《材料分析测试方法》，国防工业出版社，2011一、课程的性质和任务《材料分析基础》是材料物理专业的四年制本科生必修的一门专业基础课。通过本课程的学习，学生将掌握常用材料结构分析的基本原理、仪器结构及实验方法，在实际工作中能根据不同显微结构分析内容，熟练准确地选用材料结构分析手段开展相关科学研究，并能够与专门从事X射线、电子显微分析等材料结构分析工作的实验人员共同设计试验方案，正确解析试验结果。二、教学目的与要求本课程的内容主要包括晶体学原理的一些基础知识、X射线衍射学和电子显微学等内容。其中晶体学原理基础知识主要包括：晶体和点阵的定义，晶体中的对称元素和晶体学点群的概念，空间点阵的概念与分类方法，倒易点阵的概念以及倒易点阵在晶体几何学中的应用。X射线衍射学主要包括：X射线的产生和性质，衍射几何理论和强度理论，衍射仪的工作原理和操作方法，材料的物相分析和应用等几部分。电子显微学主要包括：透射电镜的电子光学基础，透射电镜的结构与成像原理，透射电镜样品制备技术，电子衍射，衍射衬度、扫描电子显微镜和电子探针等几部分。通过本课程的学习，使学生了解X射线及电子束与物质相互作用的规律，了解晶体X射线衍射和电子衍射的几何原理、强度理论，掌握多晶体X射线衍射的基本实验技术、分析方法及其应用，掌握透射电子显微分析、扫描电子显微分析技术的原理和方法，学会分析电子衍射和衍衬照片，能够根据不同材料结构分析方法的要求及所研究材料的特性制备待检样品等等。三、学时分配章节课程内容学时第一章晶体学基础4第二章X射线的产生和性质2第三章X射线衍射的几何原理2第四章X射线衍射束的强度6第五章X射线衍射仪4第六章X射线物相分析6第七章宏观应力的测定2第八章多晶体织构的测定2第九章透射电镜的结构与成像原理2第十章TEM样品制备技术2第十一章电子衍射2第十二章衍射衬度2第十三章扫描电子显微电镜6第十四章电子探针X射线微区分析(EPMA)6共计48四、教学中应注意的问题本课程主要采用理论讲授为主的教学方法，要理论联系实际，辅以多媒体课件手段教学。五、教学内容第一章晶体学基础1.基本内容：（1）晶体和点阵的定义。（2）晶体中的对称元素与晶体学点群。（3）空间点阵。（4）倒易点阵及其在晶体几何中的应用2.教学基本要求：主要介绍晶体的概念，晶体中的对称元素及晶体学点群，在此基础上探讨空间点阵的划分方法和类型，了解晶体为什么倾向于具有规则的外形。重点探讨倒易点阵的概念及其在晶体几何中的应用3.教学重点难点：晶体和点阵的定义，晶体中的对称元素和晶体学点群的概念，空间点阵的概念与分类方法，倒易点阵的概念以及倒易点阵在晶体几何学中的应用。4.教学建议：注意一些基本概念的讲解第二章X射线的产生和性质1.基本内容：（1）X射线的本质和产生。（2）X射线的产生和设备。（3）X射线谱。（4）X射线与物质的相互作用。2.教学基本要求：掌握X射线的产生条件、X射线管的工作原理及结构、射线的防护；掌握电离杂质散射，晶格振动散射；明确什么是X射线谱，两种X射线谱的实验规律及形成机制；掌握X射线的衰减规律，X射线的散射（相干散射，非相干散射），X射线吸收（光电效应，俄歇效应），吸收现象的应用（选择滤波片，选择阳极）3.教学重点难点：着重阐明X射线的本质和X射线谱的成因以及X射线与物质相互作用的规律，引出X射线衍射的概念。第三章X射线衍射的几何原理1.基本内容：（1）布拉格方程。（2）衍射矢量方程。（3）厄瓦尔德（Ewald）作图。（4）劳埃方程组。2.教学基本要求：掌握布拉格定律的推证、布拉格方程；掌握由布拉格方程结合倒易点阵导出表示衍射线方向的矢量表达形式——衍射矢量方程；掌握厄瓦尔德作图的原理及作图方法；掌握由衍射矢量方程推出劳埃方程组。3.教学重点难点：衍射线方向的四种表达形式（布拉格方程，衍射矢量方程，厄瓦尔德图解，劳埃方程组）第四章X射线衍射束的强度1.基本内容：（1）一个电子对X射线的散射（2）一个原子对X射线的散射。（3）一个晶胞对X射线的散射。（4）一个小晶体对X射线的散射。（5）粉末多晶体衍射的积分强度2.教学基本要求：掌握一个电子、原子、晶胞、小晶体、粉末多晶体对X射线的散射强度；了解干涉函数图像及晶体大小、选择反射区形态、衍射花样对应关系；掌握一个小晶体衍射的积分强度。3.教学重点难点：根据由简单到复杂的认知规律，依照电子，原子，晶胞，小晶体，粉末多晶体的顺序得出积分强度表达式，重点讲清原子散射因子，结构因子，干涉函数等概念。第五章X射线衍射仪1.基本内容：（1）粉末照相法的几种方法：德拜照相法，聚焦照相法，平面底片照相法。（2）衍射仪法：X射线发生器、测角仪、晶体单色器、辐射探测器、主要测量电路、计数测量方法和实验参数的选择（3）衍射花样的指数化：立方晶系衍射花样的指数化、正方和六方晶系的指数化2.教学基本要求：介绍立方晶系衍射花样的指数化，正方和六立晶系衍射花样的指数化。介绍X射线衍射仪的工作原理及基本构造；X射线发生器，测角仪的构造及工作原理，晶体单色器，辐射探测器（正比计数管，闪烁计数器），主要测量电路（线性脉冲放大器，脉冲高度分析器，定标器和计数率器），计数测量方法和实验参数的选择。3.教学重点难点：重点讲述X射线衍射仪的基本结构，工作原理，采集数据的两种工作方式以及操作方法。第六章X射线物相分析1.基本内容：（1）定性相分析：原理、卡片索引、分析方法（2）定量相分析：基本原理、定量相分析方法、定量相分析应注意的问题2.教学基本要求：掌握定性相分析的原理及其分析方法、定量相分析的原理及几种分析方法（内标法，K值法，绝热法，直接比较法）。3.教学重点难点：重点讲述物相分析（定性，定量）的原理和实验方法第七章宏观应力的测定1.基本内容：（1）应力的基本概念。（2）应力的分类与分布。（3）残余应力：残余应力的分类、残余应力的产生原因。（4）X射线测定表面应力的原理分析。2.教学基本要求：掌握残余应力的分类及产生原因，残余应力测试方法，晶体弹性应变的微观模型，表面任意点任意方向正应力的计算模型，X射线测定表面应力的公式推导。3.教学重点难点：重点讲述应力的概念，分类和产生原因，以及应力测定的原理及方法第八章织构的测定1.基本内容：（1）织构的定义、织构类型、织构的表示方法。（2）极射赤面投影、单晶标准投影图（3）丝织构及其测绘方法。（4）板织构及其测绘方法。2.教学基本要求：掌握织构的定义、织构类型、织构的表示方法；了解晶体学指数表示法，极图，三维空间取向分布函数法；掌握丝织构，无织构材料与有织构材料的X射线衍射花样特征，照像法确定丝织构轴，衍射法确定丝织构轴。3.教学重点难点：重点讲述晶体投影和极图，利用照相法和衍射仪法分析丝织构类型和利用极图分析板织构类型等内容。第九章电子光学基础1.基本内容：（1）电子显微镜的发展。（2）电磁透镜。（3）电磁透镜的像差及对分辨率的影响。（4）电磁透镜的景深和焦长2.教学基本要求：掌握电子光学的一些基本概念。3.教学重点难点：简单介绍显微镜的概念，引入影响显微镜的分辨率的因素，然后讨论电子显微镜的分辨能力与波长的关系。接着介绍电磁透镜的特点，讨论影响电磁透镜分辨率的因素。最后讨论电磁透镜的影深和焦长。第十章透射电镜的结构与成像原理1.基本内容：（1）照明系统。（2）成像系统（3）观察记录、真空与供电系统。（4）主要部件的结构和工作原理。（5）目前常用的生产厂家、型号及性能2.教学基本要求：掌握透射电镜的主要组成部分；掌握主要部件的结构和工作原理要有所了解。3.教学重点难点：介绍透射电镜的主要组成部分，透射电镜主要由照明系统、成像系统、观察记录系统、真空和供电系统组成。其中需要重点介绍成像系统中各种透镜的作用和特点，对于主要部件的结构和工作原理要有所了解。介绍目前常用的电镜的性能特点以及探讨电镜发展的趋势。第十一章TEM样品制备技术1.基本内容：（1）复型技术（2）粉末样品的制备。（3）薄膜样品的制备2.教学基本要求：掌握样品的制备方法，对复型样品和粉末样品的制备要求有所了解，重点掌握透射电镜样品中薄膜样品的制备。3.教学重点难点：透射电镜样品中薄膜样品的制备，样品制备的工艺要求。第十二章电子衍射1.基本内容：（1）电子衍射原理。（2）电子衍射花样的标定与分析（3）复杂电子衍射花样。2.教学基本要求：掌握电子衍射花样与X射线衍射结果差别的原因，了解电子衍射谱形成原理与种类，熟悉电子衍射谱获取的一般方法。3.教学重点难点：重点是电子衍射谱的标定，分为多晶电子衍射谱的标定和单晶电子衍射谱的标定，重点是单晶电子衍射谱的标定。对于复杂电子衍射谱，应该了解其形成原理和特点。第十三章衍射衬度1.基本内容：（1）衍射衬度的类型及其特点（3）衍射衬度的成像方式。（4）衍射衬度的运动学公式的推导。（5）完整晶体的衍衬运动学分析。（6）非完整晶体的衍衬运动学分析。2.教学基本要求：了解衍射衬度的来源和特点，熟悉衍射衬度的成像方式及各种衍衬像的特点和应用。3.教学重点难点：对于衍射衬度的运动学理论，要充分理解其理论基础，应该知道从运动学理论公式的基础上来解释完整晶体中的等厚条纹和等倾系统的