X射线衍射谱线的线形分析6注意事项及应用实例

X射线衍射谱线的线形分析姜传海上海交通大学材料科学与工程学院2005年7月一、绪论二、衍射谱线的数学表达三、宽化效应及卷积关系四、谱线宽化效应的分离五、不完整晶体结构表征六、注意事项及应用实例六、注意事项及应用实例1、多晶体X射线衍射线的精炼(1)实验数据处理(2)结构精炼(3)各种方法比较及其可靠性2、试样与标样的要求(1)试样的要求(2)标样的要求3、应用实例1、多晶体X射线衍射线的精炼X射线衍射线形分析用于研究微观晶体性质属于古老的粉末法之一，1918年Scherrer公式问世并得到应用。Scherrer指出：试样中晶粒大小反比于衍射线积分宽度小而微观应变正比于谱线宽度。上实际60年代后期获得了长足的发展，今后的发展趋势如下：A、大力借助于计算机的辅助作用，以便解决线形拟合、重叠峰分离、线形背底截取、全谱线形取舍和各个峰的解析等；B、发挥其它分析手段的旁证，如TEM、SEM、Raman谱，正电子湮没谱等，把用不同手段测出的同一微观结构参量大小相互比较；C、大力发挥线形分析的实际应用，特别是发挥X射线分析的非破坏性、平均性和对材料结构变化的灵敏性优点；D、具体材料微观结构模型的建立，提出新的X射线参量与材料结构参量之间的定量关系。(1)实验数据处理实验数据初步处理包括A、测试数据平滑，计算机多点平滑法，其目的在于去掉差错记录点和波动实验点，进行某种平均化过程。B、衍射峰背底扣除及峰位确定。此时要注意相邻衍射峰背底相干扰及高角处散射背底的变化等问题。背底水平不能估计得过高。寻峰方法有中点连线法、抛物线法、切线法等。C、多级衍射线分析结果平均。由于多级衍射是指相同晶粒沿相同方向的不同反射级次的线条测量后分析结果，这些结果应互相一致，例如由(111)晶面和(222)干涉面测试分析结果应近似相同，但由于衍射角不同、线形不同，故对同一种物理量得到不同大小值应取其平均或进行拟合。(2)结构精炼结构精炼包括A、仪器因数校正，一般利用一种认为是无缺陷的完整标准晶体样品与有缺陷的待测试样在完全相同的衍射几何条件下分别测得几何线形和总线形。B、X射线衍射参量分析，比如谱线峰位、谱线峰面积、谱线峰非对称性、谱线峰半高宽、积分宽度，整个线形(profile)的柯西分量、高斯分量等。C、晶体结构参量精炼，比如晶胞参数，晶面间距，晶胞中原子坐标，形变晶体中亚晶块大小有效值，块内微观应变平均值，位错密度平均值，位错分布参量平均值，抽出型、插入型和孪生型层错几率，堆垛层错能，体弹性贮能密度平均值等。D、晶体性能表征：例如基于积分强度作物相鉴定，基于应变变化线形分析表征微观应力。由于X射线衍射方法直接测量的不是应力而是应变，常用应变表达参量再乘以弹性常为后才可表征出应力。(3)各种方法比较及其可靠性线形分析有三种方法，即近似函数法、傅氏分析法和方差法。要比较各种方法的优缺点以及由它们所得到的晶体结构类型和不完整性(晶体缺陷)参量数值大小和可靠性程度的估计是困难的，因为各自处理方法和定义不同。但在经过长期分析测试对比中也发现它们之间有某种对应关系。堆垛层错密度或几率表示有堆垛层错晶面占此方向上总晶面的百分数，它又分为抽出型、插入型和孪生型三种。为了测定某一具有一定结构不完整性的晶体衍射物理线形，必须使用一定精度的几何仪器在一定条件下进行测量，得到含有物理因素和几何因素在内的总衍射线形，其中几何线形可由认为是无缺陷的完整晶体的标准试样得到。2、试样与标样的要求(1)试样的要求在X射线衍射分析中，对试样要求不太苛刻，且属非破坏性分析，比电子显微镜分析更为方便。然而，X射线衍射线形分析对试样也有一定的要求。A、在衍射仪测量中要求有较大的照射体积，一般需要几立方毫米以上，如对薄膜试样进行分析中则需要有20mm2以上的照射面积。B、求试样为一平整表面，要求被照射表面即反射X射线的表面严格处于测角仪转轴上，其试样表面与转轴重合度误差不能大于0.05mm。C、作为X射线分析试样的照射表面的组成、应力状态、结构特征等都必须能代表整体材料内部平均情况。除非测试目的只是为了分析表面一层信息以外。D、对待测试样必须进行各种因数校正。但由于吸收系数、弹性常数、温度因数、角度因数等的计算比较复杂，故经常以选择合适标样与待测试样在相同衍射条件下测试，用实验数据校正代替计算理论校正。(2)标样的要求A、被选择的标样要尽可能完整无缺陷，标样越完整其衍射线形越窄，它与待测试样衍射线形差别越大，分析结果越可靠。可用与待测试样组成相同材料作为标样，必须在真空中充分退火，并且不使晶粒长得过大。标样晶粒尺寸在10μm左右。B、标样尽可能与待测试样为同种物质或相似物质，这样可减少对吸收效应的校正与计算。C、尽量选择与待测试样反射角相同或相近的标样线条，以减少角因子的校正计算。D、使标样与待测试样能在相同辐射波长和相同入射光束几何条件下，得到各自可测量的衍射线条。如果上述各点均有困难时，只好选择其它物质为标样。3、应用实例X射线衍射线形分析在合金材料力学性能预测上的应用α-黄铜在单轴拉伸中加工硬化与位错组态的X射线衍射线形分析形变奥氏体不锈钢堆垛层错的X射线衍射线形分析形变奥氏体不锈钢堆垛层错的X射线衍射线形分析总结(1)选择合格的试样与标样非常重要；(2)确保被测试样与标样的衍射曲线良好，每个衍射峰的数据点足够多；(3)对被测试样与标样衍射谱线进行强度校正及

Kα双线分离；(4)利用被测试样与标样衍射谱线的Kα1线形，进行线形分离，获得被测试样的物理线形；(5)对被测试样的物理线形进行分离，确定其细晶线形及显微畸变线形等；(6)根据细晶线形及显微畸变线形等的积分宽度，进行相应的组织结构表征。线形分析的适用范围A、亚晶块或相干衍射畴大小分析