X射線衍射在材料科學(xué)與工程應(yīng)用

1、X射線衍射在材料科學(xué)與工程應(yīng)用 司光宇 學(xué)號(hào)：H101901202 材料科學(xué)與工程專業(yè) 摘要：x射線衍射在研究晶體，物相，微觀應(yīng)力等方面發(fā)揮著很大的用途，對(duì)于研究微觀結(jié)構(gòu)可以提供一定的依據(jù)，可以對(duì)于未知的材料推測(cè)其組成及其成分。 關(guān)鍵詞：x射線衍射，物相，晶體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力，合金分析 材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)習(xí)及研究?jī)?nèi)容：材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料研究與測(cè)試方法、物理化學(xué)、材料工程基礎(chǔ)、材料生產(chǎn)工藝及設(shè)備、功能材料學(xué)、量子力學(xué)、固體物理、材料物理性能、半導(dǎo)體材料、磁性材料。晶體的結(jié)構(gòu)，材料的彈性畸變與變形，金屬的傳熱，金屬擴(kuò)散，鋼的熱處理，材料的表面改性等。 則在研究本專業(yè)的內(nèi)容時(shí)，需要x射線衍射技術(shù)的表征，

2、便于對(duì)材料微觀組織的研究，應(yīng)力分析，主要表現(xiàn)如下 1 x射線衍射研究方法 1.1勞厄法：確定晶體取向; 確定晶體的對(duì)稱; 利用勞厄斑點(diǎn)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)研究體亞結(jié)構(gòu)。 1.2旋轉(zhuǎn)或回?cái)[晶體法。 本方法應(yīng)用單色的X 射線, 試樣旋轉(zhuǎn)或回?cái)[, 人射X 射線和旋轉(zhuǎn)軸重合。此方法主要用于確定晶胞的大小, 點(diǎn)陣常數(shù)和晶體的取向。 1.3粉末法 主要用于相圖中固態(tài)相界的測(cè)定, 新相的結(jié)構(gòu)分析, 固溶無(wú)序一有序相變的研究。材料熱處理及相轉(zhuǎn)變過(guò)程中析出相的定性分析; 金屬合金范性形變機(jī)理的研究, 包括冷加工、回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程的研究, 形變織構(gòu)、晶粒度、內(nèi)應(yīng)力的測(cè)定, 位錯(cuò)的觀察等; 合金中夾雜物分析; 點(diǎn)陣參數(shù)的精

3、確測(cè)量 1.4衍射儀法。 2.X射線衍射在材料科學(xué)學(xué)科的應(yīng)用 2.1 X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用 X射線衍射，用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，可以得到很多重要內(nèi)容。比如鋼鐵的組織觀察與分析，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化時(shí)是由體心立方向面心立方的轉(zhuǎn)化，以致其組織性能發(fā)生變化，用X射線測(cè)定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究取得了成果。研究點(diǎn)陣在合金中有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的研究，由得到的相圖可以制定相應(yīng)的加工工藝， X射線衍射(包括散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。 2.2對(duì)于未知新材料的物相分析 ,結(jié)構(gòu)分析 主要為定性分析和定量分析。定性分析把對(duì)材料測(cè)得

4、的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相；定量分析根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。 2.3精密測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù) 相圖的固態(tài)溶解度曲線的測(cè)定。溶解度的變化往往引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化；點(diǎn)陣常數(shù)的精密測(cè)定可得到單位晶胞原子數(shù)，致密度，從而確定固溶體類型；包含間隙固溶體，置換固溶體。 2.4單晶與多晶的取向分析 晶體的單晶與多晶具有一定的取向，研究金屬的形變過(guò)程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)，扭折等，也與取向的測(cè)定有關(guān)。 2.5晶粒大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過(guò)程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。 2.6

5、對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性 包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見(jiàn)晶體缺陷）。 2.7 合金相變 包括脫溶、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。 2.8 結(jié)構(gòu)分析 對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。 2.9 液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測(cè)定近程序參量、配位數(shù)等。 3 x射線衍射設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 未知晶體物相分析及各相組成 3.1實(shí)驗(yàn)原理： 物相分析，即分析某種材料中含有哪幾種結(jié)晶物質(zhì)，或是某種物質(zhì)以何種結(jié)晶狀態(tài)存在。根據(jù)晶體對(duì)X射線的衍射特征衍射線的位置、強(qiáng)度及數(shù)量來(lái)鑒定結(jié)晶物質(zhì)方法，就是

6、X射線物相分析。利用X射線衍射分析可確定某結(jié)晶物質(zhì)屬于立方、四方、六方、單斜還是斜方晶系。晶態(tài)物質(zhì)組成元素或基團(tuán)如不相同或其結(jié)構(gòu)有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數(shù)目、角度位置、相對(duì)強(qiáng)度次序以至衍射峰的形狀上就顯現(xiàn)出差異。因此，通過(guò)樣品的 X 射線衍射圖與已知的晶態(tài)物質(zhì)的 X 射線衍射譜圖的對(duì)比分析便可以完成樣品物相組成和結(jié)構(gòu)的定性鑒定；通過(guò)對(duì)樣品衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，可以完成樣品物相組成的定量分析； 定性分析原理 由布拉格(Bragg)方程得晶體的每一個(gè)衍射峰都和一組晶面間距為d的晶面組的關(guān)系: 2dsin=n 式中， 為入射線與晶面的夾角，為入射線的波長(zhǎng)。 另一方面，晶體的每一條衍射線的強(qiáng)度

7、又與結(jié)構(gòu)因子模量的平方成正比： I=I0 K |F|2V 式中，I0為單位截面上入射射線的功率；為比例因子，與實(shí)驗(yàn)衍射幾何條件、試樣的形狀、吸收性質(zhì)、溫度及一些物理常數(shù)有關(guān)；V為參加衍射的晶體的體積；|F|2稱為結(jié)構(gòu)因子，取決于晶體的結(jié)構(gòu)，它是晶胞內(nèi)原子坐標(biāo)的函數(shù)，由它決定了衍射的強(qiáng)度?？梢?jiàn)d和|F|2都是由晶體的結(jié)構(gòu)所決定的，因此每種物質(zhì)都必有其特有的衍射圖譜。因而可以根據(jù)它們來(lái)鑒別結(jié)晶物質(zhì)的物相。通常利用PDF衍射卡片進(jìn)行物相分析。 定量分析原理 K值法原理 K值與加入標(biāo)樣含量無(wú)關(guān)，無(wú)需作定標(biāo)曲線，且K值易求，稱K值法也稱基本沖洗法。 n+1n+1 j原理：IjIs=CKjWjjW j=1

8、mjCKsWssWjmj j=1 KjsWjWj j W=?=Ks KsjWsWs j = WsK js ? I j Is (Wj=Wj-Ws) K js = KjsKs j =K 稱j相對(duì)標(biāo)樣S的K值 j和S相物質(zhì)已知， j ，s 為常數(shù)，當(dāng)一定時(shí)2（即衍射線選定）Ksj為恒定，由上式可求Wj，從而求出Wj。 W j = WsK js ? I j Is 從而求出Wj (Wj=Wj-Ws) 3.2實(shí)驗(yàn)器材 X射線衍射儀 未知未經(jīng)成型試樣 一臺(tái)已與x射線衍射儀連接好電腦 研缽 實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極靶為銅靶 濾波片選為鎳片 狹縫 一系列標(biāo)準(zhǔn)試樣 3.3實(shí)驗(yàn)步驟 樣品制備，將未知試樣敲碎，放入瑪瑙研缽中研磨至粉

9、末狀，盡量使顆粒在十微米左右，即用手指捏住并碾動(dòng)無(wú)顆粒感覺(jué)為止。將制備的粉末放入樣品框中，充填時(shí)，將試樣粉末-點(diǎn)一點(diǎn)地放進(jìn)試樣填充區(qū)，重復(fù)這種操作，使粉末試樣在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實(shí)，要求試樣面與玻璃表面齊平。 打開(kāi)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)電源，檢查，確保其可以正常工作 等待一段時(shí)間后，開(kāi)啟衍射儀的電源總電源，打開(kāi)保護(hù)箱，將制備好的樣品插入衍射儀樣品臺(tái)； 檢查實(shí)驗(yàn)封閉情況，是否能夠有效屏蔽x射線，確認(rèn)后打開(kāi)計(jì)算機(jī)，當(dāng)計(jì)算機(jī)與X射線衍射儀聯(lián)機(jī)完成后，點(diǎn)擊XG operation，啟動(dòng)X射線衍射儀。此時(shí)要保證管電壓有預(yù)熱的過(guò)程，將管電壓、管電流逐步由默認(rèn)值20kV、2mA升至40kV、20mA。

10、測(cè)量1 參數(shù)設(shè)置 設(shè)置放入文件夾1中， 掃描范圍為2o-80o, 掃描速度為每分鐘2o, 本實(shí)驗(yàn)由于用的是銅陽(yáng)極靶,可將管電壓設(shè)置為40kV, 管電流設(shè)置為20mA， 衍射狹縫選擇為1 ,接收狹縫選為0.2mm 點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量時(shí)盡量遠(yuǎn)離x射線衍射儀，在測(cè)量結(jié)束時(shí)，不可立即關(guān)閉電源，先使管電壓由40kV緩慢降低，之后關(guān)閉X射線衍射儀，關(guān)閉電源，取出試樣，等待管電壓冷卻后，約1520分鐘，關(guān)閉冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。 測(cè)量2 在得到實(shí)驗(yàn)測(cè)量1的數(shù)據(jù)后,可得到其物相 按照其物相,其中選取每一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)試樣均與被測(cè)試樣混合,在瑪瑙研缽中研磨成粉末,直至磨到手指捏住并碾動(dòng)無(wú)顆粒感覺(jué)為止 步均與測(cè)量1相同 參數(shù)設(shè)

11、置 設(shè)置數(shù)據(jù)保存入文件夾2中, 掃描范圍為2o-80o, 用連續(xù)掃描方法, 掃描速度為每分鐘0.5o, 本實(shí)驗(yàn)用銅陽(yáng)極靶,可將管電壓設(shè)置為40kV, 管電流設(shè)置為20mA， 衍射狹縫選擇為1 ，接收狹縫0.2mm 點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量時(shí)盡量遠(yuǎn)離x射線衍射儀，在測(cè)量結(jié)束時(shí)，不可立即關(guān)閉電源，先使管電壓由40kV緩慢降低，之后關(guān)閉X射線衍射儀，關(guān)閉電源，取出試樣，等待管電壓冷卻后，約1520分鐘，關(guān)閉冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。 重復(fù)以上步驟,直至將所有制作的試樣測(cè)量完畢 3.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后續(xù)處理 測(cè)量1數(shù)據(jù)處理 打開(kāi)分析軟件，點(diǎn)擊File patterns，雙擊所選測(cè)試實(shí)驗(yàn)1數(shù)據(jù)01.raw； 鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊S/

12、M鍵進(jìn)行自動(dòng)檢索； 若自動(dòng)檢索結(jié)果不好，可進(jìn)行人工手動(dòng)檢索，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊S/M鍵； 物相檢索后，選擇最為匹配的PDF卡； 文件的添加。若分析的一系列測(cè)試數(shù)據(jù)為不同條件制備的同一物質(zhì)，不必逐一分析，可進(jìn)行文件的添加。點(diǎn)擊File patterns，雙擊所選數(shù)據(jù)02.raw，然后點(diǎn)擊add鍵，文件添加完成。XRD圖譜自動(dòng)按添加順序由下向上排列，點(diǎn)擊窗口右側(cè)的功能鍵來(lái)調(diào)節(jié)譜圖間距； 用軟件進(jìn)行圖譜處理, 根據(jù)圖譜的實(shí)際情況設(shè)置尋峰條件，對(duì)圖譜進(jìn)行尋峰, 尋峰后所得的峰參數(shù)，包括峰的位置、晶面間距、強(qiáng)度、半峰寬等,可以將半峰寬對(duì)應(yīng)的2視為峰值所對(duì)應(yīng)的2 生成物相分析報(bào)告。點(diǎn)擊FilePrint set up。通過(guò)Copy可將物相分析報(bào)告粘貼到畫圖板或Word文檔里。 得到物相結(jié)果后 3.5實(shí)驗(yàn)要求 1,，實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真熟悉實(shí)驗(yàn)原理，把握實(shí)驗(yàn)流程， 2，仔細(xì)閱讀操作守則及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 3，要求用實(shí)驗(yàn)報(bào)告用紙寫出：實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)方案步驟(包括樣品制備、實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理等)，選擇定性分析方法，物相鑒定結(jié)果分析 4鑒定結(jié)果要求寫出樣品名稱（中英文）、卡片號(hào)，實(shí)