材料测试方法

材料测试方法第1页，课件共73页，创作于2023年2月绪论材料的组织结构与性能材料组织结构的影响因素传统的材料组织与成份测试方法现代的材料测试分析手段本课程内容及要求第2页，课件共73页，创作于2023年2月一、材料的组织结构与性能材料科学的四大要素材料科学——研究材料的化学成分、组织结构、合成加工、使用性能之间关系的科学性能是研究工作的出发点和目标化学成分，组织结构是影响性能的直接因素合成加工通过改变组织结构而影响性能第3页，课件共73页，创作于2023年2月二、材料组织结构的影响因素显微化学成分（不同相成分，基体与析出相成分，偏析等）晶体结构与晶体缺陷（fcc，bcc，位错，层错等）晶粒大小与形态（等轴晶，柱状晶，枝晶等）相的成分、结构、形态、含量与分布（球、片、棒，沿晶界聚集或均匀分布）界面状态（表面、相界与晶界）位相关系（贯习面、孪生面、滑移面）夹杂物（类型、形态、分布）内应力（喷丸表面、焊缝热影响区、组织应力）分析手段？第4页，课件共73页，创作于2023年2月三、传统的材料组织与成份测试方法光学显微镜能直观地观察样品表面形态的工具（晶粒大小和形状，珠光体或马氏体，铸态组织，…）分辨率低（>200nm），放大倍数低（<1000倍）

（用于低倍组织形态观察）只能观察到表面形貌变化无法获得材料成分的信息第5页，课件共73页，创作于2023年2月化学分析——湿法化学分析只能测定试样的平均成分——无法微区分析测量精度较低——误差较大无法测量元素分布情况——信息量很少钢中夹杂物第6页，课件共73页，创作于2023年2月四、现代的材料测试分析手段X射线衍射分析(XRD，X-rayDiffraction)利用X射线在晶体中的衍射现象进行材料分析的方法使用的手段——X射线衍射仪用途：可以分析晶体结构、晶格参数、物相定性分析、物相定量分析、残余应力分析、晶体取向、织构分析第7页，课件共73页，创作于2023年2月电子显微分析利用高能电子束作光源，磁场作透镜的一种高分辨率材料分析方法透射电镜（TEM），扫描电镜（SEM），电子探针（EPMA）用途：高分辨成像、微区成分、微区晶体SMn电子探针分析第8页，课件共73页，创作于2023年2月五、本课程内容及要求X射线衍射分析X射线的性质X射线衍射方向X射线衍射强度多晶体分析方法X射线物相分析宏观应力测定

电子显微分析电子光学基础透射电子显微镜复型技术电子衍射扫描电子显微镜电子探针显微分析第9页，课件共73页，创作于2023年2月学时安排56学时X射线衍射分析部分绪论+第一章至第六章28学时其中课堂教学24学时，实验4学时电子显微分析部分第七章至第十三章28学时其中课堂教学22学时，实验4学时考试2学时第10页，课件共73页，创作于2023年2月

教材材料分析测试技术周玉武高辉哈尔滨工业大学出版社2006年第7次印刷特点内容详实，编排合理附有习题，实验指导书提供充足数据第11页，课件共73页，创作于2023年2月主要参考书第12页，课件共73页，创作于2023年2月学习要求1、课中注意听讲，可以不做笔记（提供电子教案）2、课后认真复习，阶段性测验（作为平时成绩）3、答疑安排：新科研楼607#（时间待定）4、课堂考勤，课堂纪律第13页，课件共73页，创作于2023年2月任课教师办公室：新科研楼607#电话：89733871转801Email：cmeelin@第14页，课件共73页，创作于2023年2月第一章X射线的性质§1-1引言（X射线的发展史）1895年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出来。它具有很强的穿透能力，能使照片感光，空气电离。阴级阳级+-第15页，课件共73页，创作于2023年2月1896年，用于医学骨折诊断1897年，初步搞清了X射线产生、传播、穿透力等特性，开始形成X射线透射学1901年，伦琴成为首位诺贝尔奖获得者第16页，课件共73页，创作于2023年2月1912年，劳埃发现了X射线晶体衍射现象，证实了X射线具有波动性和晶体具有结构周期性，奠定了X射线衍射学的基础晶体crystal劳厄斑Lauespots晶体的三维光栅第17页，课件共73页，创作于2023年2月1912年英国布喇格父子（W.H.bragg.WLBragg)建立了一个公式--布喇格公式。不但能解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的研究。第18页，课件共73页，创作于2023年2月1914年，莫塞莱发现了特征X射线与元素的相关性，建立了X射线光谱学1916年，德拜发明了X射线粉末照相法1928年，盖革发明了X射线探测计数器1938年，哈那瓦特建立了物相分析方法1943年，富里德曼发明了X射线衍射仪1970‘s，计算机技术与XRD相结合实现了物相分析的全自动化

X射线的发现和应用使人们对晶体的认识从光学显微镜的微米数量级深入到纳米数量级，对金属的特性才有了更加接近本质的认识。第19页，课件共73页，创作于2023年2月§1-2X射线的本质X射线的特点

1、肉眼不可见

2、具有很强的穿透性

3、可使照相底片感光

4、可使荧光物质发光

5、可使空气电离

6、对生物细胞有杀伤作用

7、电磁场不能使其偏转

8、可通过晶体产生衍射第20页，课件共73页，创作于2023年2月X射线的本质是波长为10-8cm左右的电磁波，波长介于γ射线和紫外线波长之间，与晶体的晶格常数为同一数量级。电磁波谱第21页，课件共73页，创作于2023年2月X射线的性质

1、波动性——可以电磁波的形式在空间传播，具有光的干涉和衍射效应特征参量：频率ν波长λ

λ=c/ν第22页，课件共73页，创作于2023年2月2、粒子性——可看作由大量不连续的粒子（光子）流组成，具有粒子相互碰撞时的能量交换效应特征参量：能量ε动量ρε=c×ρ第23页，课件共73页，创作于2023年2月

强调一定条件下，只能以一种属性为主两者之间可以相互转换爱因斯坦关系ε=hν=hc/λρ=h/λh=6.625x10-34(JS)

由于X射线波长远小于可见光波长，故其能量远大于可见光，表现出很强的穿透性第24页，课件共73页，创作于2023年2月

描述X射线强弱的参量强度（Intensity）I——单位时间内通过单位截面积上的能量（J/m2S）波动性描述I∝︱A︱2（正比于波振幅A的平方）粒子性描述I=nhν（正比于光子的数量和能量)绝对强度，J/m2S相对强度，无量纲第25页，课件共73页，创作于2023年2月§1-3X射线的产生及X射线管X射线的产生机理粒子（带电或不带电）作高速运动→撞击到障碍物质的电子→猝然减速→入射粒子以释放电磁波的形式进行能量交换→X射线

阴级阳级+-第26页，课件共73页，创作于2023年2月X射线发生器（X光管）的构造第27页，课件共73页，创作于2023年2月阴极（灯丝）——产生热电子；由钨丝制成，通过电流加热可释放出热辐射电子阳极（靶）——使高速电子突然减速并在此发射X射线，靶材（Z）主要有Cr，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，Ag，W等类型铍窗口——为X射线射出提供通道，要求对X射线的通过阻力要小，还要有足够的强度维持管内的高真空，一般采用金属Be材料第28页，课件共73页，创作于2023年2月聚焦罩——避免热电子束在加速过程中发散，与灯丝保持有100-400V的负电位差冷却套

——防止阳极靶的熔化，电子束轰击阳极靶时只有1%的能量转化为X射线能量，其余99%都转为热能，必须用冷却水使其降温第29页，课件共73页，创作于2023年2月电子束X射线高功率旋转阳极——无需水冷第30页，课件共73页，创作于2023年2月X光管电路参数管电压V（阳极电压），作用在阴极和阳极之间，10-50千伏，使热电子获得很大动能管电流

i，阴极回路中的电流，几毫安-几十毫安晶闸管第31页，课件共73页，创作于2023年2月§1-4X射线谱

选定某一X光管Z，施加一定管电压V，测量相应X射线的波长λ和相对强度I，由此得到X射线的I-λ关系曲线称为X射线谱第32页，课件共73页，创作于2023年2月

规律1

随着管电压增加，连续辐射包含的曲线面积不断增大，最小波长λ0不断向短波方向发展第33页，课件共73页，创作于2023年2月

规律2

当管电压V大于某个临界值VK时，在某几个波长λ特处出现了窄而尖锐的强度峰——特征谱第34页，课件共73页，创作于2023年2月

规律3

随着管电压继续增加，强度峰的幅度不断增大，但λ特并没变化第35页，课件共73页，创作于2023年2月为简化分析X射线谱可视为两部分组成，即连续谱和特征谱特征谱连续谱X射线谱第36页，课件共73页，创作于2023年2月一、连续X射线谱短波限λ0

——连续谱中最短的波长值峰值波长λm——连续谱中最大强度对应的波长值λm≈1.5λ0最大波长λ∞——连续谱中强度衰减至零时的波长值连续谱中波长的变化范围是λ0

至λ∞

，连续X射线又称为白色X射线λ0λmλ∞I第37页，课件共73页，创作于2023年2月连续谱的积分强度为式中α和mi都是常数，α=(1.1～1.4)x10-9,mi≈2z为原子序数，i是管电流，V是管电压连续谱强度与原子序数，管电流和管电压的平方成正比V↑→I连续↑第38页，课件共73页，创作于2023年2月

特别关注为什么λ0到λ∞之间波长会连续变化（为何会存在任意波长的X射线）？λ0的形成原因（为什么不会有小于λ0的波长存在）？λ0与哪些因素有关？第39页，课件共73页，创作于2023年2月

解释高速电子能量=eV；X光子能量=hc/λ碰撞时发生能量转换→eV=hc/λ+E损耗碰撞状态千差万别→E损耗可为任意值→λ可取任意值极端情况下，E损耗=0，hc/λ达到极大值→λ达到极小值λ0

=12.4/V

（仅与V有关）第40页，课件共73页，创作于2023年2月

思考短波限λ0处的X光子能量最大，但为何强度却很小？第41页，课件共73页，创作于2023年2月二、特征X射线谱特征X射线——波长仅与靶的原子序数有关，而与管电压无关的X射线（又称为标识X射线或特征辐射）特别关注λ特为何不随V的变化而变化？为何只有V≥VK时才有特征辐射？λ特I第42页，课件共73页，创作于2023年2月特征X射线产生机理 入射电子引起K层电离（K激发）+二次电子L层电子向K层跃迁（L跃迁）能量差以X光子形式释放（Kα辐射）ΔEL→K=hc/λλ=hc/ΔEL→K=λKαλKα仅取决于靶的原子能级结构（Z，K和L），而与其它因素无关λ特为何不随V的变化而变化？第43页，课件共73页，创作于2023年2月只有入射电子的能量（eV）≥原子第K层逸出功（WK）时才能形成K激发态

eVK=WK

VK——原子的K层临界激发电压同理就有VL、VM、VN…越接近原子核内层，临界激发电压也越高

VK＞VL

＞VM…

（多种特征辐射可能同时存在）阳极靶Z越大，所需临界激发电压Vk也越高

VMo(42)＞VCu(29)

＞VCr(24)…为何只有V≥VK时才有特征辐射？第44页，课件共73页，创作于2023年2月特征辐射的命名K系辐射K激发，L跃迁引起的辐射→Kα辐射K激发，M跃迁引起的辐射→Kβ辐射…L系辐射L激发，M跃迁引起的辐射→Lα辐射L激发，N跃迁引起的辐射→Lβ辐射……第45页，课件共73页，创作于2023年2月思考:1、Kα和Kβ哪个波长大?能量大?强度大?2、Kα和Lα哪个波长大?能量大?第46页，课件共73页，创作于2023年2月精细辐射（由亚电子层跃迁产生的辐射）K激发，LⅢ跃迁引起的辐射→Kα１辐射K激发，LⅡ跃迁引起的辐射→Kα２辐射由于量子效应的缘故不存在LⅠ跃迁，故没有Kα３辐射Kα辐射由Kα1和Kα2

合成得到第47页，课件共73页，创作于2023年2月特征辐射强度I特征=c·i

(V-V临界)n式中c,n材料常数,i为管电流,V临界=

VK、VL…V↑→I特征↑但V↑→I连续↑（背底↑）V工作=（3～5）V临界

第48页，课件共73页，创作于2023年2月阳极靶元素原子序数ZK系特征谱波长（埃）V（KV）≈(3-5)VKKα1波长Kα2波长Kα＊波长Kβ波长Cr242.2897002.2930602.2910002.08487020—25Fe261.9360421.9399801.9373551.75661025—30Co271.7889651.7928501.7902621.62079030Ni281.6579101.6617471.6591891.50013530—35Cu291.5405421.5443901.5418381.39221835—40Mo420.7093000.7135900.7107300.63228850—55几种阳极靶的特征辐射参数思考：Z越大相应的特征波长越短，这说明了什么？第49页，课件共73页，创作于2023年2月莫塞莱定律特征辐射波长仅取决于靶材物质的原子能级结构，而与其它外界因素无关Ｋ——与靶材物质主量子数有关的常数σ——与电子所在壳层有关的常数ν——特征辐射的频率应用思路设法使未知物质产生特征辐射→测出波长值→算出原子序数Ｚ

——X光谱测量第50页，课件共73页，创作于2023年2月§1-5X射线与物质的相互作用X射线与物质作用→散射、吸收和透射三种效应从能量转换角度E入射

=E散射+E吸收+E透射入射物质散射吸收透射吸收第51页，课件共73页，创作于2023年2月一、X射线的散射物质对X射线的散射主要是电子与X光子相互作用的结果物质中的电子可分为两类被原子核紧紧束缚→相干散射被原子核松散束缚→非相干散射第52页，课件共73页，创作于2023年2月1、相干散射作用机理

X光子迫使电子在原位作受迫振动（电磁波源）,同时向空间辐射出与入射X射线相同波长的电磁波——散射波电动力学Thomson公式2θI0I

e第53页，课件共73页，创作于2023年2月规律在各方向上散射波的强度是不同的，2θ=0处最强，2θ=90处最弱散射波强度与入射波波长无关在R=1cm处，散射波的强度仅为入射波的10-26不同电子的散射波可满足相干条件（振动方向相同，频率相同，位向差恒定）——相干散射相干散射是X射线衍射分析的基础2θI0I

e第54页，课件共73页，创作于2023年2月2、非相干散射X光子将电子撞离运行方向使其成为反冲电子，剩余能量将引起散射线波长增大——量子散射（康普顿散射,康-吴效应）波长增量为Δλ=0.0024(1-cos2θ)Δλ只与散射角2θ有关量子散射的波长各不同，位向差也不定，不符合干涉条件——非相干散射入射线波长越短，被照物质元素越轻，非相干散射越显著第55页，课件共73页，创作于2023年2月二、X射线的吸收1、X射线的吸收与吸收系数

X射线的吸收=入射X射线被转变成其它形式的能量如热、荧光辐射、俄歇效应‥‥

吸收将导致入射X射线强度衰减，其衰减规律为：I0μl较小μl较大μl——线吸收系数第56页，课件共73页，创作于2023年2月

μl——线吸收系数(量纲cm-1)

μl反映了物质在单位长度上被衰减的程度，其值与元素序数Z，入射线波长λ，物质密度ρ有关例如，H2O在固、液、气态时的μl均不同第57页，课件共73页，创作于2023年2月定义质量吸收系数

μm=μl/ρ物理意义单位重量物质对X射线的衰减量均匀物质

μm≈kλ3Z3（经验关系）混合物

μm=W1(μm1/ρ1)+W2(μm2/ρ2)+…

式中WI为i物质的质量百分数

μm1为i物质的质量吸收系数

ρ1为i物质的密度第58页，课件共73页，创作于2023年2月μm≈kλ3Z3结果表明：

Z越大，物质的吸收能力越强

Be(4)窗口、Pb(82)玻璃

λ越短，X射线的穿透力越强

医用软X射线

μm与λ的关系不是单调变化的

X射线过滤片Z一定时第59页，课件共73页，创作于2023年2月2、二次特征辐射二次电子Kα

：入射电子→被照物质→K激发→L跃迁→Kα同理：入射光子→被照物质→K激发→L跃迁→辐射？

→二次电子？从能量角度ΔEL→K=hc/λ

λ=hc/ΔEL→K特征辐射

第60页，课件共73页，创作于2023年2月定义由X射线激发的特征辐射→二次特征辐射（荧光辐射）由X射线激发产生的二次电子→光电子

X光子激发原子所发生的荧光辐射+光电子→光电效应注意：荧光辐射可以用于物质光谱分析荧光辐射能降低衍射分析的灵敏度产生荧光辐射就意味着入射X射线被吸收第61页，课件共73页，创作于2023年2月产生荧光辐射的条件入射光子的能量≥原子的临界激发功WK即hc/λ≥eVk亦即λ≤hc/eVk=1.24/Vk=λk产生K系荧光辐射的条件是λ≤λkλk——物质的K系激发限能产生K系荧光辐射的最大入射波长同理会有，λL、λM…第62页，课件共73页，创作于2023年2月思考1：

λk=1.24/Vk

（nm）

λ0=1.24/V（nm）两者形式相同，意义有何不同？λk——使物质产生K系荧光辐射所需的临界波长值，是物质的固有属性；λ0——加速电压能产生的最短X射线波长值,是

电磁波的属性，与物质本身无关。第63页，课件共73页，创作于2023年2月思考2：Cu的Kα辐射能否激发Cu的Kβ二次辐射？∵Cu的λKα=1.541838nm,λKβ=1.392218nm∴结论是“不行！”CuCuKαKβ?第64页，课件共73页，创作于2023年2月μm-λ曲线出现转折的原因λ入射↓（ε↑）→μm↓；当ε=Wk时→光电效应→吸收↑→μm↑↑；当ε继续↑→光电饱和→μm↓

(多余能量穿过吸收体)K系辐射的最大吸收在ε=Wk处（λ=

λK）λK——物质的K系吸收限同理会有，λL、λM…第65页，课件共73页，创作于2023年2月3、俄歇效应（Auger，1925年）仿照入射光子→被照物质→K激发→L跃迁→二次Kα那么入射光子→被照物质→K激发→L跃迁→逸出电子逸出电子的能量ΔE=E