材料分析測試方法復習摘要(共10頁)

1、材料(cilio)分析測試方法復習摘要前言(qin yn)： 材料現代(xindi)分析測試方法：光譜分析、電子能譜分析、衍射分析與電子顯微分析。第一章：X射線的物理學基礎 X射線衍射學：根據衍射花樣，在波長已知的情況下測定晶體結構，研究與結構和結構變化相關的各種問題。 X射線光譜學：根據衍射花樣，在分光晶體結構已知的情況下，測定各種物質發(fā)出的X射線的波長和強度，從而研究物質的原子結構和成分。 產生X射線的條件：1，以某種方式得到一定量的自由電子；2，在高真空中，在高壓電場作用下迫使這些電子作定向高速運動；3，在電子運動路徑上設障礙物，以急劇改變電子的運動速度。 連續(xù)X射線譜：由波長連續(xù)變化的

2、X射線構成，和白光相似，是多種波長的混合體。/由于極大數量的電子衍射到陽極上的時間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。 特征X射線譜：由有一定波長的若干X射線疊加在連續(xù)X射線譜上構成，和單色的可見光相似，具有一定波長。/當管電壓等于或高于20KV時，則連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數強譜線，它們就是特征X射線譜。 莫塞萊定律：（物質發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數的關系）1=K（Z-）式中：K和是常數。該定律是X射線光譜分析的基本依據，是X射線光譜學的重要公式。根據莫塞萊定律，將實驗結果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比

3、較，可以確定它是合種元素。相干(xinggn)散射：由于散射(snsh)線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件。不相干散射(snsh)：散射線分布于各個方向，波長各不相等，不能產生干涉現象。（X射線經束縛力不大的電子或自由電子散射后，可以得到波長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。）光電效應：物質在光子作用下放出電子的物理過程。俄歇效應：K層的一個空位被L層的兩個空位所替代的現象。X射線濾波片的選擇規(guī)則：Z靶 40時，Z濾= Z靶-2。陽極靶材料的選擇規(guī)則：Z靶Z樣-1；或Z靶Z樣。多元元素樣品，原則上是以含量較多的幾種元素中最輕的元素為基準來選

4、擇靶材。第二章：X射線衍射原理X射線能揭示衍射晶體的結構特征取決于：A）X射線的衍射束方向反應晶胞的形狀大小；B）X射線的衍射束強度反映了晶胞中的原子位置與種類。布拉格方程（相鄰晶面間的衍射線干涉加強的條件）：2dsin=n 式中,n為整數。 物理意義： sin=/2d1 故有 d/2即 只有晶面間距大于/2 的晶面才能產生衍射。當相鄰兩束衍射波的光程差為波長的整數倍時，干涉加強。X射線衍射強度的影響因素：晶體結構；原子散射因子f；結構振幅；多重性因素（多重性因子P）；吸收因素；溫度因素（溫度因子）。第三章：多晶體X射線衍射分析方法X射線衍射方法按成像原理：勞厄法；周轉晶體法；粉末多晶法。按記

5、錄方法：照相法；衍射儀法。底片的安裝方法：正裝法；反裝法；偏裝法。德拜法的樣品制備：A)脆性材料用碾壓或研缽研磨獲取；粉末經過篩退火去應力處理試樣塑性材料（金屬，合金）用銼刀銼出碎屑粉末。B)金屬絲樣品盡可能減少應力和避免形成織構，用腐蝕方法使之達到要求試樣(sh yn)尺寸（0.40.8）（510）圓柱樣品(yngpn)所采用的方法(fngf)：（1）用細玻璃絲涂上膠水后，捻動玻璃絲黏結粉末。為獲得足夠多粉末，可多次涂膠水和捻動黏結粉末。（2）采用石英毛細管、玻璃毛細管來制備試樣。將粉末填入石英毛細管或玻璃毛細管中即制成試樣。（3）用膠水將粉末調成糊狀注入毛細管中，從一端擠出2mm3mm長作

6、為試樣。X衍射儀法樣品制備：試樣可以使金屬、非金屬的塊狀、片狀或各種粉末。對于塊狀、片狀試樣可以用膠黏劑將其固定在試樣框架上，并保持一個平面與框架平面平行。粉末試樣用膠黏劑調和后填入試樣架凹槽中，使粉末表面刮平與框架平面一致。試樣對晶粒大?。?um5um）、試樣厚度、擇優(yōu)取向、應力狀態(tài)和試樣表面平整度等都有一定要求。第四章: X射線衍射方法的應用X射線衍射揭示的是晶體材料的晶胞大小、類型和原子種類與原子排列的規(guī)律，所以X射線衍射方法可以用來分析研究晶體材料的結構特征，從而進行材料的物相分析、測定單晶的取向以及多晶體材料取向變化產生的織構，可以通過衍射分析來精確測定晶格常數，可以通過測定材料中原

7、子排列及鏡面間距的變化來表征材料中應力狀態(tài)。德拜照相法的系統(tǒng)誤差來源：相機半徑誤差；底片伸縮誤差；試樣偏心誤差；試樣吸收誤差。 采用精密實驗最大限度地消除誤差。為了消除試樣吸收的影響，粉末試樣做成直徑0.2mm;為了消除試樣偏心誤差，采用精密加工的相機，并在低倍顯微鏡下精確調整位置；為了使衍射線條更加鋒銳，精確控制試樣粉末的粒度和處于無應力狀態(tài)；為了消除相機半徑不準和底片伸縮，采用偏裝法安裝底片；為了消除溫度的影響，將實驗溫度控制在0.1。衍射儀精確測定點陣常數，衍射線的角系統(tǒng)誤差來源：未能精確調整儀器；計數器轉動與試樣轉動比（2:1）驅動失調；角0位置誤差；試樣放置誤差；試樣表面與衍射儀軸不

8、重合；平板試樣誤差，因為平面不能替代聚焦圓曲面；透射誤差；入射X射線軸向發(fā)散度誤差；儀器刻度誤差等。 衍射儀精確測定點陣常數，工作前必須進行仔細的測量儀調整?？梢酝ㄟ^在正2角范圍內對衍射線進行順時針及逆時針掃描測量，取平均值作為衍射線位置，減小測角儀轉動精度的影響。相對于入射線作正2和負2方向的掃描測量，可以減小儀器的零位誤差。對儀器的角度指示可以采用標樣校正。試樣制備中晶粒大小、應力狀態(tài)、樣品厚度、表面形狀等必須滿足要求。直線外推法，柯恩法等數據處理方法也可用來消除誤差。X射線物相定性分析原理：X射線物相分析是以晶體結構為基礎，通過比較晶體衍射花樣來進行分析的。對于晶體物質來說，各種物相都有

9、自己特定的結構參數（點陣類型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的數目、位置等），結構參數不同則X射線衍射花樣也就各不相同，所以通過比較X射線衍射花樣可以區(qū)分出不同的物相。當多種物相同時衍射時，其衍射花樣也是各種物相自身衍射花樣的機械疊加。它們互不干擾，相互獨立，逐一比較就可以在重疊的衍射花樣中剝離出各自的衍射花樣，分析標定后即可鑒別出各自物相。物相定性分析(dngxngfnx)方法用數字索引(suyn)進行物相鑒定(jindng)的步驟：（1）根據待測相的衍射數據，得出三強線的晶面間距值d1,d2和d3（并估算它們的誤差）。（2）根據最強線的面間距d1，在數字索引中找到所屬的組，在根據d2和d3找到

10、其中的一行。（3）比較此行中的3條線，看其相對強度是否與被攝物質的三強線基本一致。如d和I/I1都基本一致，則可初步斷定未知物質中含有卡片所載的這種物質。（4）根據索引中查找的卡片號，從卡片盒中找到所需的卡片。（5）將卡片上全部d和I/I1與未知物質的d和I/I1對比，如果完全吻合，則卡片上記載的物質，就是要鑒定的未知物質。物相定量分析方法：外標法；內標法；直接比較法。X射線殘余應力測定原理：是根據衍射線條的角變化或衍射條形狀或強度的變化來測定材料表面微小區(qū)域的應力。 在整個工作范圍或相當大的范圍內達到平衡的殘余應力，稱宏觀殘余應力或第一類應力，對應地在工件的宏觀尺寸上也存在著應變。 在一個或

11、幾個晶粒范圍內平衡的殘余應力，稱微觀應力或第二類應力。 在一個晶粒內上百個或幾千個原子之間達到平衡的殘余應力，稱點陣靜畸變應力或第三類應力。第五章：透射電子顯微鏡結構透鏡分辨率：通常把兩個Airy斑中心間距等于Airy斑半徑時，物平面上相應的兩個物點的間距（r0）定義為透鏡能分辨的最小間距，即透鏡分辨率（分辨本領）r0=R0M=0.61nsin （光學透鏡 r02 ）電磁透鏡的像差及其對分辨率的影響：電磁透鏡和光學透鏡一樣，除了衍射效應對分辨率的影響外，還有像差對分辨率的影響：電磁透鏡的像差包括球差、像散和色差。 球差：因為電磁透鏡近軸區(qū)域磁場和遠軸區(qū)域磁場對電子束的折射能力不同而產生的。 像

12、散:是由透鏡磁場的非旋轉對稱引起的像差。 色差：是由于成像電子的能量不同而變化，從而在透鏡磁場中運動軌跡不同以致不能聚焦在一點而形成的像差。景深：是指成像時，像平面不動（像聚不變），在滿足成像清晰的前提下，物平面沿軸線前后可移動的距離。焦長：是指物點固定不變（物距不變），在保持成像清晰的條件下，像平面沿透鏡軸線(zhu xin)可移動的距離。透射(tu sh)電子顯微鏡的結構：電子光學(din z un xu)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。光闌的位置和作用：在透射電子顯微鏡中有許多固定光闌和可動光闌，作用主要是擋掉發(fā)散的電子，保證電子束的相干性和照射區(qū)域。 第二聚光鏡光闌作

13、用是限制照明孔徑角，安裝在第二聚光鏡下方的焦點位置。 物鏡光闌（襯度光闌）：作用是擋住散射角較大的電子，使之在像平面上形成具有一定襯度的圖像，另一個作用是在后焦面上套取衍射束的斑點（即副焦點）成像。 位置：放在物鏡的后焦面上。 選區(qū)光闌（場限光闌或視場光闌）：放在物鏡的像平面位置（等同于放在樣品上）作用是使電子束只能通過光闌限定的微區(qū)。第六章：電子衍射X射線衍射相同點:滿足衍射的必要和充分條件,可借助倒易點陣和厄瓦德圖解不同點:波長長,試樣是大塊粉末1.要精確滿足布拉格條件2.衍射角可以很大3.衍射強度弱,暴光時間長電子衍射相同點:滿足衍射的必要和充分條件,可借助倒易點陣和厄瓦德圖解 不同點:

14、波長短,試樣是薄片1.倒易點變成倒易桿2.不要精確滿足布拉格條件3.衍射角很小4.衍射強度強,暴光時間短電子衍射和X射線衍射相比較的不同之處：（1）電子波的波長比X射線短的多，在同樣滿足布拉格條件時，它的衍射角很小，約為10-2rad。而X射線產生衍射時，其衍射角最大可接近2 。（2）在進行電子衍射操作時采用薄晶樣品，薄樣品的倒易陣點會沿著樣品厚度方向延伸成桿狀。因此，增加了倒易陣點和埃瓦爾德球相交截的機會，結果使略微偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射。（3）因為電子波的波長短，采用埃瓦爾德球圖解時，反射球的半徑很大，在衍射角較小的范圍內反射球的球面可以近似地看成是一個平面，從而也可以認為電子

15、衍射產生的衍射斑點大致分布在一個二維倒易截面內。（4）原子對電子(dinz)的散射能力遠高于它對X射線(shxin)的散射能力（約高出4個數量級），故電子衍射束的強度(qingd)較大，攝取衍射花樣的時曝光時間僅需數秒鐘。 電子衍射基本公式：R=Lg=Kg 式中L稱為電子衍射的相機常數，而L稱為相機長度。R是正空間的矢量，而ghkl是倒易空間的矢量，因此相機常數L是一個協調正、倒空間的比例常數。 單晶電子衍射花樣的標定：（1）查表標定法：標定步驟在底片上測量約化四邊形的邊長R1、R2、R3及夾角，計算R2/R1及R3/R1。用R2/R1、R3/R1 及去查倒易點陣平面基本數據表。若與表中相應數

16、據吻合，則可查到倒易面面指數（或晶帶軸指數）uvw，A點指數h1k1l1及B點指數h2k2l2。由Rdhkl=f0MIMp=L計算dEi,并與d值表或X射線粉末衍射卡片PDF（或ASTM）上查得的dTi對比，以核對物相。此時要求相對誤差為=|dEi-dTi|dTi3%5% (2)d值比較法：標定步驟按約化四邊形要求，在透射斑點附近選3個衍射斑點A,B,C。測量它們的長度Ri及夾角，并根據Rdhkl=f0MIMp=L（dEi=L/Ri）計算dEi。將dEi與卡片上或d值表中查得的dTi比較，如吻合記下相應的hkli。從hkl1中，任選h1k1l1作A點指數，從hkl2中通過試探，選擇一個h2k2

17、l2，核對夾角后，確定B點指數。由hkl3按自洽要求，確定C點指數。確定晶帶軸uvw。 （3）標準花樣對照法：標定步驟將實際觀察記錄到的衍射花樣直接與標準花樣對比。寫出斑點的指數并確定晶帶軸的方向。 多晶電子衍射圖的標定：d值比較法；R2比值規(guī)律對比法。第七章：電子顯微圖像 明場像：以物鏡光闌套住透射斑，而擋掉所有衍射斑成像。 暗場像：讓光闌套住一個衍射斑，擋掉透射斑成像。 振幅襯度：明、暗場操作方式下，光闌擋掉部分電子波不能在像平面參與成像，從而導致像平面上出現振幅差異。這種振幅差異產生的襯度稱振幅襯度。包括：質厚襯度：非晶樣品透射電子顯微圖像襯度是由于樣品不同微區(qū)間(q jin)存在的原子

18、序數或厚度的差異而形成的，即質量厚度襯度（質量厚度定義為試樣上表面單位面積以下柱體中的質量），也叫質厚襯度。衍射(ynsh)襯度：晶體試樣在進行TEM電鏡觀察時，由于各處晶體取向不同和(或)晶體結構不同，滿足布拉格條件(tiojin)的程度不同，使得對應試樣下表面處有不同的衍射效果，從而在下表面形成一個隨位置而異的衍射振幅分布，這樣形成的襯度，稱為衍射襯度。相位襯度：（高分辨電子顯微方法）的操作方式是讓透射束和多個衍射束共同到達像平面干涉成像，這時的襯度是由衍射波、透射波的相位差引起的。等厚條紋（厚度（消光）條紋）：在同一亮條紋或暗條紋處，樣品的局部厚度相同。等傾條紋：由于同一條紋表明衍射晶面

19、的S（偏離參量）處處相等（相對于入射束傾斜程度相同），它們被稱為等傾條紋（彎曲消光輪廓）。應變場襯度：第二相粒子的存在使基體晶格發(fā)生畸變，由此引入缺陷矢量R，使產生畸變的晶體部分和不產生畸變的部分之間出現襯度的差別，這類襯度稱為應變場襯度。（位錯線像總是出現在它的實際位置的一側或另一側，說明其對襯度本質上是由位錯附近的點陣畸變所產生的，叫做“應變場襯度”）透射電子顯微鏡樣品的制備：（1）復型樣品制備：通過復型制備出來的樣品是真實樣品表面行貌組織結構細節(jié)的薄膜復制品。一級復型：在已制備好的金相樣品或斷口樣品上滴上幾滴體積濃度為1%的火棉膠醋酸戍酯溶液或醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平，多余

20、的溶液用濾紙吸掉，待溶劑蒸發(fā)后樣品表面即留下一層100nm左右的塑料薄膜。把這層塑料薄膜小心地從樣品表面揭下來就是塑料一級復型樣品. 碳一級復型是直接把表面清潔的金相樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品表面蒸鍍一層厚度為數十納米的碳膜。蒸發(fā)沉積層的厚度可用放在金相樣品旁邊的乳白瓷片的顏色變化來估計。把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角線小于3mm的小方塊，然后把樣品放入配好的分離液中進行電解或化學分離。碳膜剝離后也必須清洗，然后才能進行觀察分析。 二級復型：是先制成中間復型（一次復型），然后在中間復型上進行第二次碳復型，再把中間復型溶去，最后得到的是第二次復型。 萃取復型：與碳一級復型類似，只

21、是金相樣品在腐蝕時應進行深腐蝕，使第二相粒子容易從基體上剝離。此外，進行噴鍍碳膜時，厚度應稍厚，以便把第二相粒子包絡起來。 （2）粉末樣品(yngpn)制備：需透射電鏡分析的粉末顆粒(kl)一般都小于銅網小孔，應此要先制備對電子束透明的支持膜。常用(chn yn)支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。粉末或顆粒樣品制備的關鍵取決于能否使其均勻分散到支持膜上。通常用超聲波攪拌器，把要觀察的粉末或顆粒樣品加水或溶劑攪拌為懸浮液。然后，用滴管把懸浮液放一滴在黏附有支持膜的樣品銅網上，靜置干燥后即可供觀察。為了防止粉末被電子束打落污染鏡筒，可在粉末上再噴一層薄碳膜，

22、使粉末夾在兩層膜中間。(3)大塊材料上制備薄膜樣品大致為三個步驟： eq oac(,1)從大塊試樣上切割薄片。 eq oac(,2)將薄片樣品進行研磨減薄。 eq oac(,3)將研磨減薄的樣品作進一步地最終減薄。第八章：掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析 背散射電子：是指被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。 二次電子：是指被入射電子轟擊出來的核外電子。 吸收電子：入射電子進入樣品后，經多次非彈性散射，能量損失殆盡（假定樣品有足夠厚度，沒有透射電子產生），最后被樣品吸收的電子。透射電子：如果樣品厚度小于入射電子的有效穿透深度，就會有相當數量的入射電子能夠穿過薄樣品而成為透射電子。特征X

23、射線：是原子的內層電子受到激發(fā)以后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。俄歇電子：若果原子內層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量E不以X射線的形式釋放，而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變成二次電子，這種二次電子叫做俄歇電子。掃描(somio)電子顯微鏡的工作原理：由電子槍發(fā)射出來的電子束，經柵極聚焦(jjio)后，在加速電壓作用下，經過兩三個電磁透鏡所組成的電子光學系統(tǒng)，電子束會聚成一個細的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。出于高能電子束與樣品物質的交互作用，結果產生了各種信息：二次電子、背散射電子、吸收電子、

24、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光(f un)和透射電子等。這些信號被相應的接收器接收，經放大后送到顯像管的柵極上，調制顯像管的亮度。由于經過掃描線圈上的電流是與顯像管相應的亮度一一對應，也就是說，電子束打到樣品上一點時，在顯像管熒光屏上就出現一個亮點。掃描電鏡就是這樣采用逐點成像的方法。把樣品表面不同的特征，按順序、按比例地轉換為視頻信號，完成一幀圖像，從而在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。放大倍數：當入射電子束作光柵掃描時，若電子束在樣品表面掃描的幅度為AS，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為AC，則掃描電子顯微鏡的放大倍數為：M=ACAS 分辨率：是掃描電子顯微鏡主要性能指標。對微區(qū)成分分析而言，是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，是指能分辨兩點之間的最小距離。掃描電子顯微鏡的樣品制備：對金屬和陶瓷等塊狀樣品：切割成大小合適的尺寸，用導電膠將其粘貼在電鏡的樣品座上即可直接進行觀察。為防止假象的存在，在放試樣之前先將試樣用丙酮或酒精等進行清洗。必要時用超聲波振蕩器振蕩，或進行表面拋光。對顆粒及細絲狀樣品：先在一干凈的金屑片上涂抹導電涂料，然后把粉末樣品貼在上面，或將粉末樣品混入包埋樹脂等材料材料中，然后使其硬化而將樣品固定。若樣品導電性差，還應加覆導電層。對非導電性樣品，如塑料、礦物質等，在觀察前進行噴鍍導電層處理，通常采用二次電子發(fā)射系數較高的金、銀或碳膜做導電層，膜厚20n