材料测试与分析技术

材料测试与分析技术材料工程学院材料教研室朱鼎E-mail：zd-教学邮箱：第1页，共82页。绪论

一.材料测试分析的地位与作用不同材料具有各自不同的使用性能材料的宏观性能是由其微观组织、结构、成分所决定以不锈钢为例：结构：Fcc

组织：单相奥氏体成分：1Cr18Ni8优良的耐蚀性《材料测试与分析技术》第2页，共82页。材料测试分析的地位与作用Compositions成分Structure结构Processes制备PropertiesPerformance性能《材料测试与分析技术》第3页，共82页。二.材料测试分析方法显微组织分析——OM、TEM、SEM、STEM化学成分分析——化学分析、光谱、EPMA晶体结构分析——X射线衍射、电子衍射

《材料测试与分析技术》第4页，共82页。三.本课程内容X射线衍射分析电子显微分析《材料测试与分析技术》第5页，共82页。1.X射线衍射分析利用X射线在晶体中的衍射现象对材料的结构（物相）进行定性、定量分析，并对与材料结构相关的晶体学参数（晶格参数、晶体取向、晶体缺陷等）进行分析测定的方法。分析仪器

X射线衍射仪《材料测试与分析技术》第6页，共82页。X射线衍射仪物相定性物相定量结晶度、晶粒尺寸测定织构测定点阵参数测定残余应力《材料测试与分析技术》第7页，共82页。2.电子显微分析以高能电子束作为照明源，利用电子束与样品物质交互作用产生的物理信息，分析材料组织、结构和成分的方法。电子显微分析仪器

透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱仪等。《材料测试与分析技术》第8页，共82页。透射电子显微镜分辨率：0.1~0.2nm放大倍数：0.4~150万倍主要功能：材料微观组织形貌观察、晶体缺陷分析、晶体特征参量测定、物相分析等《材料测试与分析技术》第9页，共82页。扫描电子显微镜分辨率：1nm放大倍数：10~20万倍主要功能：材料表面形貌观察、断口分析等《材料测试与分析技术》第10页，共82页。电子探针分辨率：1nm元素范围：Z=4~92主要功能：材料微区化学成分分析《材料测试与分析技术》第11页，共82页。俄歇电子能谱分辨率：1nm元素范围：Z≥3主要功能：材料浅表面微区化学成分分析《材料测试与分析技术》第12页，共82页。四.课程特点与要求理论性与实践性强涉及物理学、晶体学、电子光学、量子力学等理论，概念抽象。需要实验密切支撑要求掌握各种分析方法的基本原理、特点与应用能够针对测试分析要求选择适当的测试方法，涉及测试方案，并能对基本的测试结果进行分析解释。《材料测试与分析技术》第13页，共82页。五.教学安排总学时：48学时其中课堂教学44学时，实验4学时成绩考核：作业（10%）、考勤（10%）、实验（10%）、期末考试（70%）《材料测试与分析技术》第14页，共82页。第一章X射线物理基础X射线的性质X射线的产生及X射线谱X射线与物质的相互作用《材料测试与分析技术》第15页，共82页。1.1引言X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。

《材料测试与分析技术》第16页，共82页。发现X射线1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的高压放电现象时，发现了能使荧光屏发光的一种新的射线。1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。

《材料测试与分析技术》第17页，共82页。X射线的性质X射线的主要特征：肉眼不可见具有与可见光类似的性质（沿直线传播、使胶片感光、使荧光物质发光）具有自身的特点（很高的穿透能力、可被物质吸收和减弱、可使空气电离、对生物细胞有杀伤作用等）《材料测试与分析技术》第18页，共82页。贡献几个月后被用于医学诊断，后来又用于金属材料和机械零件的探伤。1901年获第一次诺贝尔物理学奖金。1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性。1912年11月，布拉格提出著名的布拉格方程，成功解释劳厄的实验。《材料测试与分析技术》第19页，共82页。图为2001年3月27日，在澳大利亚悉尼大学，一名工作人员在审视手中的X射线照片。

《材料测试与分析技术》第20页，共82页。1.2X射线的本质一、X射线的本质

X射线与可见光、紫外线、宇宙射线一样也是电磁波的一种，具有波粒二象性，波长在10－8cm左右，与晶格常数为同一数量级。

《材料测试与分析技术》第21页，共82页。二、电磁波谱X射线的波长在10－6cm~10－10cm之间，在电磁波谱中与紫外线和γ射线相搭接。《材料测试与分析技术》第22页，共82页。二、电磁波谱软X射线：波长较长，用于医学透视硬X射线：波长较短，用于材料分析《材料测试与分析技术》第23页，共82页。三、X射线的波粒二象性波动性：X射线以一定的波长和频率在空间传播，反映了物质运动的连续性。粒子性：X射线以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，反映了物质运动的分立性。

——λ越小，p和ε越大，X射线穿透能力越强。《材料测试与分析技术》第24页，共82页。波粒二象性的表现：波粒二象性是X射线的客观属性，在一定条件下，可能只有某一方面的属性表现得比较明显，而当条件改变时，另一方面的属性表现得比较明显。例如，当X射线在空间传播过程中发生干涉、衍射现象，就突出地表现出它的波动性；而在与物质相互作用交换能量时，就突出地表现出它的粒子性。《材料测试与分析技术》第25页，共82页。1.3X射线的产生及X射线管一、X射线产生的基本条件

X射线是由高速运动着的带电粒子（电子）与某种物质撞击突然被阻止时，伴随电子动能的消失或转化而产生的。产生自由电子热阴极基本条件：使电子作定向高速运动加速电场在电子运动路径上设置障碍物阳极(靶)《材料测试与分析技术》第26页，共82页。二、X射线管1、X射线管即X射线的发生装置，是有阴阳极的真空封闭管。

《材料测试与分析技术》第27页，共82页。2、X射线管的结构：

《材料测试与分析技术》第28页，共82页。阴极（灯丝）：钨丝制成，通电加热后热辐射电子阳极（靶）：金属制成，使电子突然减速发射X射线窗口：金属铍制成，是X射线射出的通道，要求既要由足够的强度维持高真空，又要对X射线吸收小。通常由四个或两个窗口。《材料测试与分析技术》第29页，共82页。3、X射线管工作原理

灯丝变压器高压变压器灯丝靶窗口X射线《材料测试与分析技术》第30页，共82页。4、X射线管的焦点kc

焦点是阳极靶表面被电子束轰击的一块面积，X射线就从这块面积上发出。焦点的形状和尺寸是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝形状，螺线形灯丝产生长方形焦点。为提高X射线衍射的分辨本领，要求焦点小、强度高。缩小焦点途径——在与靶面成一定角度位置接受X射线。《材料测试与分析技术》第31页，共82页。1.4X射线谱X射线谱：用适当的方法测量X射线管发出的X射线的波长和强度，在强度—波长坐标上得到X射线强度随波长的变化曲线即X射线谱。连续X射线谱特征（标识）X射线谱两类《材料测试与分析技术》第32页，共82页。一、连续X射线谱1.定义在一定的管电压（如20KV）以下，X射线强度随波长连续变化，称这种谱线为连续X射线谱，即连续谱。《材料测试与分析技术》第33页，共82页。2.连续谱的特点jc在短波方向上有短波限λ0每条谱线都有一个强度最大值，最大值出现在1.5λ0处随管电压增大，强度相应增高，谱线的短波限和强度最大值均相短波方向移动。《材料测试与分析技术》第34页，共82页。3.分析解释X射线光子的产生量子力学概念，当能量为eU的电子与靶原子碰撞时，电子失去能量，其中一部分以光子形式辐射出去。每碰撞一次，产生一个能量为hν的光子，即“韧致辐射”。连续谱的形成大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。《材料测试与分析技术》第35页，共82页。

关于短波限

极限情况下，能量为eU的电子在碰撞中一次把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量并具有最短波长，即短波限λ0

——短波限只与管电压有关，并随管电压增大减小《材料测试与分析技术》第36页，共82页。

关于强度最大值X射线的强度定义为单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面的能量大小，即通过单位面积的光量子流率，取决于光子能量hν和光子数目n。

——强度最大值不出现在光子能量最大值λ0处，而是大约1.5λ0处《材料测试与分析技术》第37页，共82页。X射线的总强度

连续X射线谱线下的面积表示连续X射线的总强度Ig，即阳极靶发射出的X射线的总能量：

经验公式：

i—管电流，U—管电压，Z—阳极靶原子序数，α，mi——常数（α

≈(1.1~1.4)×10-9，mi≈2

）《材料测试与分析技术》第38页，共82页。X射线管的效率

对于W靶，Z=74，当U=100kV时，η≈1%

——其余能量在靶上转化为热能。《材料测试与分析技术》第39页，共82页。二、特征X射线谱1.定义：在连续X射线谱的基础上产生。当管电压继续升高，大于某个临界值时，在连续谱线的某个波长处出现强度峰，成为特征X射线。将这一临界电压称为激发电压。《材料测试与分析技术》第40页，共82页。2.特点在连续谱上出现特征谱线，常见Kα，Kβ两条。靶材一定，随管电压增高，只是强度相应增加，但特征谱线的位置（波长）不变——由此称为标识谱。《材料测试与分析技术》第41页，共82页。3.分析解释——特征X射线的产生特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。

原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。如果K层电子被击出K层，称K系激发，L层电子被击出L层，称L系激发，其余各层依此类推。《材料测试与分析技术》第42页，共82页。3.分析解释——特征X射线的产生处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即《材料测试与分析技术》第43页，共82页。3.分析解释——特征X射线的产生《材料测试与分析技术》第44页，共82页。3.分析解释——特征X射线的命名同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光子的能量大于一个Kα光子的能量；但因L→K层跃迁的几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强度大五倍左右。显然，当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。《材料测试与分析技术》第45页，共82页。3.分析解释——临界激发电压产生特征辐射前提是将内层电子轰击出来，即要求阴极射来的电子的动能必须大于等于该内层电子与原子核的结合能。eU≥WK，才能产生K激发。其临界值为eUK＝WK

，UK称之临界激发电压。WK为K层电子的逸出功。《材料测试与分析技术》第46页，共82页。特征X射线的波长只取决于靶材物质波长与靶材原子序数关系——莫塞莱定律根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的基本依据。《材料测试与分析技术》第47页，共82页。1.5X射线与物质的相互作用

X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的复杂过程，但从能量转换来看，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来方向传播。《材料测试与分析技术》第48页，共82页。一、X射线的散射X射线散射——沿一定方向运动的X射线光子流与物质的电子相互碰撞后，向周围发散开来的过程。相干散射（弹性散射）非相干散射（非弹性散射）两类《材料测试与分析技术》第49页，共82页。1.相干散射当X射线通过物质时，物质原子的内层电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线的频率相同。任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相差固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。《材料测试与分析技术》第50页，共82页。2.非相干散射X射线与物质原子中受束缚弱的电子碰撞时（如外层电子），可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为非相干散射。由于散射线分布于各个方向，波波长各不相等，不能产生干涉现象。《材料测试与分析技术》第51页，共82页。非相干散射机理入射X射线遇到约束松的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部分后，剩余部分以X射线向外辐射。散射X射线的波长（λ‘）比入射X射线的波长（λ）长，其差值与角度α之间存在如下关系：《材料测试与分析技术》第52页，共82页。小结相干散射因为是相干波所以可以干涉加强.只有相干散射才能产生衍射,所以相干散射是X射线衍射的基础非相干散射因为非相干散射不能干涉加强产生衍射,所以非相干散射只是形成衍射的背底《材料测试与分析技术》第53页，共82页。二、X射线的吸收

X射线的吸收是指X射线的能量在通过物质时转变为其他形式的能量。即发生了能量损耗。吸收主要由原子内部的电子跃迁引起，这个过程发生X射线的光电效应及俄歇效应，使X射线的部分能量转变为光电子、荧光X射线及俄歇电子的能量。《材料测试与分析技术》第54页，共82页。1、光电效应与荧光辐射

光电效应——入射X射线光子的能量足够大时，可将内层电子击出，产生光电效应。《材料测试与分析技术》第55页，共82页。

荧光辐射——失去内层电子的原子处于激发态，将发生外层电子向内层跃迁同时释放波长一定的特征X射线。称为二次特征X射线或荧光X射线。jc《材料测试与分析技术》第56页，共82页。

激发K系光电效应时，入射光子的能量必须大于或等于将电子从K层移至无穷远时所作的逸出功WK，即而入射光子能量取决于加速电压所以称λk为激发限，或吸收限，只有当入射X射线的波长λ≤λk时，才能产生光电效应。激发限《材料测试与分析技术》第57页，共82页。

在X射线衍射分析中，荧光X射线是有害的，它会增加衍射谱的背底，使衍射花样变得复杂。但是在元素分析方面，荧光X射线又可作为X射线荧光光谱分析的基础。《材料测试与分析技术》第58页，共82页。2、俄歇效应原子的K层电子被X射线击出后，处于激发态，当L层的电子向K层跃迁时，将释放出ΔW=WK-WL能量，这个能量可以用荧光X射线的形式释放，也可以被原子内部的某个电子（内层或者外层）所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子，这就是俄歇效应，这个电子就是俄歇电子。KLL俄歇电子的能量为：ΔW=WK-WL-WL《材料测试与分析技术》第59页，共82页。俄歇电子的能量与入射X射线的波长无关，仅与产生俄歇效应的物质的元素种类有关。俄歇电子的能量很低，一般只有几百电子伏，因此，只有表面几层原子所产生的俄歇电子才能逸出表面被探测，所以俄歇电子可以带来物质表层化学成分信息，俄歇电子能谱仪是表面物理研究的重要工具之一。《材料测试与分析技术》第60页，共82页。光电效应----俄歇效应示意图《材料测试与分析技术》第61页，共82页。X射线与物质作用小结《材料测试与分析技术》第62页，共82页。三、X射线的衰减

1.X射线的衰减规律与线吸收系数实验证明，一单色X射线透过一层均匀物质时，其强度将随穿透的距离呈指数规律减弱，即——透射束强度——入射束强度——线吸收系数——透过物质的厚度线吸收系数μl表示沿穿透方向单位长度X射线的衰减程度，与X射线的波长、吸收物质、吸收物质物理状态有关《材料测试与分析技术》第63页，共82页。2.质量吸收系数为避开线吸收系数随吸收物质物理状态不同而改变的问题，令——质量吸收系数质量吸收系数μm表示单位质量物质对X射线的吸收程度，只与X射线的波长和吸收物质有关。《材料测试与分析技术》第64页，共82页。2.质量吸收系数实验表明：对于非单质元素组成的复杂物质，

——某元素的质量分数——相应元素的质量吸收系数《材料测试与分析技术》第65页，共82页。3.吸收限对于选定的物质（Z一定），作曲线。曲线中某几处出现值突增，其原因是在该波长处产生光电效应，X射线大量被吸收，该波长即为吸收限《材料测试与分析技术》第66页，共82页。四、吸收限的应用1.滤波片的选择

X射线衍射实验是利用K系特征辐射源，K系谱线包括和两条线，它们将在晶体衍射时产生两套花样，使得分析复杂化。解决方法——滤掉《材料测试与分析技术》第67页，共82页。滤波片选择方法《材料测试与分析技术》选择一种合适的材料，使其吸收限正好位于和线波长之间，且尽量靠近线波长。将这种材料制成薄片——滤波片，置于入射束或衍射束光路中，强烈吸收线，而对吸收很少，得到单色辐射。第68页，共82页。《材料测试与分析技术》第69页，共82页。滤波片选择原则滤波片根据阳极靶来选，滤波片原子序数比靶材小1~2例如，对于Co（27）、Cu（29）、Mo（42）靶，分别选Fe（26）、Ni（28）、Zr（40）滤波片《材料测试与分析技术》第70页，共82页。阳极靶的选择阳极靶根据试样来选，靶材原子序数比试样大0~1

X射线衍射实验中，入射X射线在与试样作用过程中产生荧光辐射，只能增加衍射花样的背景，为消除干扰，可通过适当的靶材来避免荧光辐射。原则：或例如：对于Fe（26）试样，应选用Co（27）靶或Fe（26）靶。《材料测试与分析技术》第71页，共82页。1.6X射线的防护过量X射线辐射对人体的伤害：局部组织灼伤或坏死，毛发脱落，血液病变，影响生育等防护措施：不要将手及身体的任何部位直接暴露在X射线光束下，避免一切不必要的照射。用重金属铅强烈吸收X射线，铅屏风、铅玻璃眼睛、铅橡胶手套、铅围裙等定期体检《材料测试与分析技术》第72页，共82页。X射线的主要特征：肉眼不可见沿直线传播、使胶片感光、使荧光物质发光很高的穿透能力、可被物质吸收和减弱、可使空气电离、对生物细胞有杀伤作用第一章要点《材料测试与分析技术》第73页，共82页。X射线的本质

X射线是一种波长很短的电磁波，具有波粒二象性，波长与晶格常数为同一数量级。

第一章要点《材料测试与分析技术》第74页，共82页。X射线的波粒二象性波动性：X射线以一定的波长和频率在空间传播，反映了物质运动的连续性。粒子性：X射线以光子形式辐射和吸收时具有一定的能量和动量，反映了物质运动的分立性。当X射线在空间传播过程中发生干涉、衍射现象，就突出地表现出它的波动性；而在与物质相互作用交换能量时，就突出地表现出它的粒子性。

第一章要点《材料测试与分析技术》第75页，共82页。X射线产生的基本条件