x射線在材料學(xué)應(yīng)用及具體實驗

1、X射線衍射在材料科學(xué)中應(yīng)用由X 射線衍射原理可知,物質(zhì)的X 射線衍射花樣與物質(zhì)內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。每種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括晶體結(jié)構(gòu)類型,晶胞大小,晶胞中原子、離子或分子的位置和數(shù)目等) 。因此,沒有兩種不同的結(jié)晶物質(zhì)會給出完全相同的衍射花樣。通過分析待測試樣的X 射線衍射花樣,不僅可以知道物質(zhì)的化學(xué)成分,還能知道它們的存在狀態(tài),即能知道某元素是以單質(zhì)存在或者以化合物、混合物及同素異構(gòu)體存在。同時,根據(jù)X 射線衍射試驗還可以進(jìn)行結(jié)晶物質(zhì)的定量分析、晶粒大小的測量和晶粒的取向分析。1.物相鑒定物相鑒定是指確定材料由哪些相組成和確定各組成相的含量,主要包括定性相分析和定量相分析。每種晶

2、體由于其獨特的結(jié)構(gòu)都具有與之相對應(yīng)的X射線衍射特征譜,這是X射線衍射物相分析的依據(jù)。將待測樣品的衍射圖譜和各種已知單相標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的衍射圖譜對比,從而確定物質(zhì)的相組成。確定相組成后,根據(jù)各相衍射峰的強(qiáng)度正比于該組分含量(需要做吸收校正者除外) ,就可對各種組分進(jìn)行定量分析。X 射線衍射物相定量分析有內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、增量法、無標(biāo)樣法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。內(nèi)標(biāo)法和增量法等都需要在待測樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相并繪制工作曲線,如果樣品含有的物相較多,譜線復(fù)雜,再加入?yún)⒖紭?biāo)相時會進(jìn)一步增加譜線的重疊機(jī)會,給定量分析帶來困難。無標(biāo)樣法和全譜擬合法雖不需要配制一系列內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線,但需要煩瑣的數(shù)

3、學(xué)計算,其實際應(yīng)用也受到了一定限制。外標(biāo)法雖然不需要在樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相,但需要用純的待測相物質(zhì)制作工作曲線,這也給實際操作帶來一定的不便。2.點陣參數(shù)的測定點陣參數(shù)是物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),任何一種晶體物質(zhì)在一定狀態(tài)下都有一定的點陣參數(shù)。測定點陣參數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測定固溶體溶解度曲線、測定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點陣參數(shù)的測定是通過X 射線衍射線位置的測定而獲得的,通過測定衍射花樣中每一條衍射線的位置均可得出一個點陣常數(shù)值。3.微觀應(yīng)力的測定微觀應(yīng)力是指由于形變、相變、多相物質(zhì)的膨脹等因素引起的存在于材料內(nèi)各晶粒之間或晶粒之中的微區(qū)應(yīng)力。當(dāng)一束X 射線入射到具有微觀應(yīng)力的

4、樣品上時,由于微觀區(qū)域應(yīng)力取向不同,各晶粒的晶面間距產(chǎn)生了不同的應(yīng)變,即在某些晶粒中晶面間距擴(kuò)張,而在另一些晶粒中晶面間距壓縮,結(jié)果使其衍射線并不像宏觀內(nèi)應(yīng)力所影響的那樣單一地向某一方向位移,而是在各方向上都平均地作了一些位移,總的效應(yīng)是導(dǎo)致衍射線漫散寬化。材料的微觀殘余應(yīng)力是引起衍射線線形寬化的主要原因,因此衍射線的半高寬即衍射線最大強(qiáng)度一半處的寬度是描述微觀殘余應(yīng)力的基本參數(shù)。4.納米材料粒徑的表征納米材料的顆粒度與其性能密切相關(guān)。納米材料由于顆粒細(xì)小,極易形成團(tuán)粒,采用通常的粒度分析儀往往會給出錯誤的數(shù)據(jù)。采用X 射線衍射線線寬法(謝樂法) 可以測定納米粒子的平均粒徑。謝樂微晶尺度計算公

5、式為:D =0189HKL co s (1)其中為X 射線波長,HKL 為衍射線半高峰寬處因晶粒細(xì)化引起的寬化度,測定過程中選取多條低角度(250°) X射線衍射線計算納米粒子的平均粒徑。3. 5 結(jié)晶度的測定結(jié)晶度是影響材料性能的重要參數(shù)。在一些情況下,物質(zhì)結(jié)晶相和非晶相的衍射圖譜往往會重疊。結(jié)晶度的測定主要是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積的比,在測定時必須把晶相、非晶相及背景不相干散射分離開來?；竟綖?Xc = Ic / ( Ic + KIa ) (2) 式中: Xc 結(jié)晶度Ic 晶相散射強(qiáng)度I a 非晶相散射強(qiáng)度K 單位質(zhì)量樣品中晶相與非晶相散射系數(shù)之比目前主要的

6、分峰法有幾何分峰法、函數(shù)分峰法等。5.晶體取向及織構(gòu)的測定晶體取向的測定又稱為單晶定向,就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標(biāo)系的位向關(guān)系。雖然可以用光學(xué)方法等物理方法確定單晶取向,但X 衍射法不僅可以精確地單晶定向,同時還能得到晶體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的信息。一般用勞埃法單晶定向,其根據(jù)是底片上勞埃斑點轉(zhuǎn)換的極射赤面投影與樣品外坐標(biāo)軸的極射赤面投影之間的位置關(guān)系。透射勞埃法只適用于厚度小且吸收系數(shù)小的樣品,背射勞埃法就無需特別制備樣品,樣品厚度大小等也不受限制,因而多用此方法。多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的現(xiàn)象稱為織構(gòu),常見的織構(gòu)有絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種類型。為反映織構(gòu)的概貌和確定織構(gòu)指數(shù),有三種

7、方法描述織構(gòu):極圖、反極圖和三維取向函數(shù),這三種方法適用于不同的情況。對于絲織構(gòu),要知道其極圖形式,只要求出其絲軸指數(shù)即可,照相法和衍射儀法是可用的方法。板織構(gòu)的極點分布比較復(fù)雜,需要兩個指數(shù)來表示,且多用衍射儀進(jìn)行測定。X射線衍射法測量殘余應(yīng)力實驗射線衍射測量殘余內(nèi)應(yīng)力的基本原理是以測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測得的結(jié)果實際上是殘余應(yīng)變，而殘余應(yīng)力是通過虎克定律由殘余應(yīng)變計算得到的。其基本原理是：當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。用波長的X射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測出相應(yīng)的衍射角2，求

8、出2對sin2的斜率M，便可算出應(yīng)力。射線衍射方法主要是測試沿試樣表面某一方向上的內(nèi)應(yīng)力。為此需利用彈性力學(xué)理論求出的表達(dá)式。由于射線對試樣的穿入能力有限，只能探測試樣的表層應(yīng)力，這種表層應(yīng)力分布可視為二維應(yīng)力狀態(tài)，其垂直試樣的主應(yīng)力30(該方向的主應(yīng)變30)。由此，可求得與試樣表面法向成角的應(yīng)變的表達(dá)式為：的量值可以用衍射晶面間距的相對變化來表示，且與衍射峰位移聯(lián)系起來即： 式中0為無應(yīng)力試樣衍射峰的布拉格角，為有應(yīng)力試樣衍射峰位的布拉格角。 于是將上式代入并求偏導(dǎo)，可得： 其中K是只與材料本質(zhì)、選定衍射面HKL有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)測量的樣品是同一種材料，而且選定的衍射面指數(shù)相同時，K為定值，稱為

9、應(yīng)力系數(shù)。M是（2）-sin2直線的斜率，對同一衍射面HKL，選擇一組值（0°、15°、30°、45°），測量相應(yīng)的（2）以（2）-sin2作圖，并以最小二乘法求得斜率M，就可計算出應(yīng)力 （是試樣平面內(nèi)選定主應(yīng)力方向后，測得的應(yīng)力與主應(yīng)力方向的夾角）。由于K<0，所以，M<0時，為拉應(yīng)力，M>0時為壓應(yīng)力，而M=0時無應(yīng)力存在。 樣品與衍射面之間的關(guān)系衍射儀測量測量殘余應(yīng)力的實驗方法 在使用衍射儀測量應(yīng)力時，試樣與探測器-2關(guān)系聯(lián)動，屬于固定法。通常=0°、15°、30°、45°測量數(shù)次。當(dāng)=0時

10、，與常規(guī)使用衍射儀的方法一樣，將探測器(記數(shù)管)放在理論算出的衍射角2處，此時入射線及衍射線相對于樣品表面法線呈對稱放射配置。然后使試樣與探測器按-2聯(lián)動。在2處附近掃描得出指定的HKL衍射線的圖譜。當(dāng)0時，將衍射儀測角臺的-2聯(lián)動分開。先使樣品順時針轉(zhuǎn)過一個規(guī)定的角后，而探測器仍處于0。然后聯(lián)上-2聯(lián)動裝置在2處附近進(jìn)行掃描，得出同一條HKL衍射線的圖譜。 最后，作2-sin2的關(guān)系直線，最后按應(yīng)力表達(dá)=K·2/sin2= K·M求出應(yīng)力值。 殘余內(nèi)應(yīng)力測試的數(shù)據(jù)處理 由布拉格方程可知，角越大則起測量誤差引起/的誤差越小，所以測量時應(yīng)選擇角盡量大于衍射面。取n個不同的角度

11、進(jìn)行測定2i(i=1，2，3，n)，一般可取n4， 采用數(shù)據(jù)處理程序?qū)?的原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行扣除背底、數(shù)值平滑、確定峰位等處理后給出2值然后采用最小二乘法將各數(shù)據(jù)點回歸成直線：設(shè)直線方程為：其中：式中n為測量數(shù)據(jù)的數(shù)目。由上式可求得直線斜率M。查出彈性模量E和泊松比，可計算出K，然后由=K·M求出應(yīng)力。 衍射峰位的確定在宏觀應(yīng)力測量中，準(zhǔn)確地測定衍射峰的位置是極其重要的。常用的定峰方法很多，如半高寬法、1/8高度法、峰頂法、切線法等，三點拋物線擬合定峰法等。 最常用的是三點拋物線法，這是一種較為精確而不過于繁雜的定峰位法。即：在衍射峰頂附近取以等角度間隔2分開的三個數(shù)據(jù)點，求得其拋物線頂點。 殘余應(yīng)力計算軟件使用1 數(shù)據(jù)測量 先對樣品作一個70-140°范圍內(nèi)的掃描，觀察樣品的衍射峰情況，選擇一個強(qiáng)度較高，不漫散，衍射面指數(shù)較高的衍射峰作為研究對象峰。按照殘余應(yīng)力測量的要求，設(shè)置不同的（0°，15°，30°，45°）角，以慢速掃描方式測量不同角下的單峰衍射譜。選擇角時，盡量使sin2取點均勻而不是選擇的取值均勻，因為-sin2不呈線性關(guān)系。 2 確定峰位 軟件可以接受多種方式計算出來的峰位數(shù)據(jù)：鍵盤輸入，讀擬合文件等。 3 輸