材料結(jié)構(gòu)及其性能

第一章概論顯微結(jié)構(gòu)的概念及組成類型材料性能的分析方法與分類性能的分析方法性能的分類材料顯微結(jié)構(gòu)的分析與表征顯微結(jié)構(gòu)的分析原理顯微結(jié)構(gòu)的表征材料性能與表征技術(shù)展望提要

材料的化學(xué)組成和顯微結(jié)構(gòu)是決定材料性能及應(yīng)用效果的本質(zhì)因素，研究材料的顯微結(jié)構(gòu)特征及其演變過程以及它們與性能之間的關(guān)系，是現(xiàn)代材料科學(xué)研究的中心內(nèi)容之一。顯微結(jié)構(gòu)原始定義：顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)限定：1.所能分辨的尺度2.所能觀察到的結(jié)構(gòu)內(nèi)容一、顯微結(jié)構(gòu)的概念及組成類型材料的顯微結(jié)構(gòu)?肉眼或借助放大鏡和實(shí)體顯微鏡只能分辨大于0.1mm，即大于100μm的物體，所觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)稱為“宏觀結(jié)構(gòu)”或“大結(jié)構(gòu)”。光學(xué)顯微鏡的最大分辨率可達(dá)0.2μm左右，觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)稱為“顯微結(jié)構(gòu)”。電子顯微鏡分辨率可提高到0.01μm，即l0nm，觀測(cè)的結(jié)構(gòu)稱為“超微結(jié)構(gòu)”或“亞顯微結(jié)構(gòu)”。用高分辨率透射電鏡則可觀察到物質(zhì)的分子、原子，直接研究品格點(diǎn)陣，這種結(jié)構(gòu)被稱為“微觀結(jié)構(gòu)”?！帮@微結(jié)構(gòu)”：在光學(xué)/電子顯微鏡下分辨出的試樣中所合相的種類及各相的數(shù)量，顆粒的形狀、大小、分布取向和它們相互之間的關(guān)系，稱為顯微結(jié)構(gòu)。這里所稱顯微結(jié)構(gòu)包括了亞顯微結(jié)構(gòu)，但不含宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。所以，通常所講的顯微結(jié)構(gòu)，實(shí)際上包含了亞顯微結(jié)構(gòu)。顯微結(jié)構(gòu)的定義和尺度界定應(yīng)以現(xiàn)代儀器的分辨力的提高而延伸。

鋼的晶粒度級(jí)別圖

一級(jí)三級(jí)二級(jí)四級(jí)顯微組織的組成類型及性狀顯微組織是決定材料各種性能最本質(zhì)的因素之—。材料顯微組織主要包括多晶材料中晶界的特征及多晶中晶粒的大小、形狀和取向。對(duì)陶瓷材料和高分子材料還包括晶相及非晶相(玻璃相)的分布；氣孔的尺寸、數(shù)量與位置，各種雜質(zhì)、添加物、缺陷、微裂紋的存在形式及分布；對(duì)金屬材料還包括共晶組織、馬氏體組織等。

1．晶粒及晶界

晶粒是多晶材料中晶相的存在形式和組成單元。通常，多晶是由隨機(jī)取向的晶粒構(gòu)成，晶粒之間由晶界隔開。晶界具有無規(guī)多面體的截面圖像。多晶材料中晶粒有時(shí)具有明顯的擇優(yōu)取向，常常成為織構(gòu)。如金屬材料在軋制過程中常會(huì)產(chǎn)生織構(gòu)。單晶體就是一個(gè)大晶粒，所以其顯微結(jié)構(gòu)是均一的。晶粒的形狀及大小對(duì)材料的性能影響很大。例如。Si3N4陶瓷的晶粒呈針狀，而Si3N4陶瓷晶粒呈粒狀或短柱狀，前者的抗折強(qiáng)度(650MPa)要比后者(374MPa)幾乎大一倍。象陶瓷這類材料，初始裂紋尺寸與晶粒大小相當(dāng)，所以晶粒越小，初始裂紋尺寸就越小，這有利于強(qiáng)度的提高。晶界結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能影響也非常大。如陶瓷材料的破壞大多是沿晶界斷裂的。外來雜質(zhì)有向晶界富集的傾向。常利用這種現(xiàn)象，有意地加入一些雜質(zhì)，使其集中分布在晶界處以改善材料性能。如在剛玉瓷生產(chǎn)中可摻人少量MgO，使之在A1203晶粒之間的界面上形成鎂鋁尖品石薄層，將A1203晶粒包圍，防止其長(zhǎng)大以制成細(xì)粒結(jié)構(gòu)的制品，改善制品性能。2．氣孔或空洞一般是制造缺陷或由于工藝過程不完善所產(chǎn)生的缺陷(如陶瓷燒結(jié)和燒成中的殘留氣孔)。在服役條件下，工件也可能出現(xiàn)氣孔，它是發(fā)生斷裂的“先兆”。某些材料則會(huì)大量引入氣孔。3．夾雜物與彌散相

夾雜物是指那些由熔煉過程帶來的各種雜質(zhì)。彌散相則是指在某些基材中有意加人的細(xì)小固體物相，例如在鎳基合金基體中加入Y203粉末以提高其高溫強(qiáng)度；在塑料中加入膠顆粒以提高韌性。

4析出相析出相是一些彌散分布的小質(zhì)點(diǎn)(球狀、橢球狀、片狀、針狀等)。它們并非是在制造過程中有意加入的而是在熱處理過程中由材料本身析出的。鋼中的碳化物，鑄鐵中的石墨等。除了上述微觀結(jié)構(gòu)組成類型外，還有各種不同的相組織、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)類型影響顯微結(jié)構(gòu)的主要因素原料制備/加工工藝思考題：材料結(jié)構(gòu)-性能-制備工藝之間的關(guān)系二、材料性能的分析方法與分類材料：

可為人類社會(huì)接受而又能經(jīng)濟(jì)地制造有用器材的物質(zhì)。材料屬物質(zhì)，不是所有的物質(zhì)都是材料。“材料”的判據(jù)：a.可為人類社會(huì)接受地—資源、環(huán)保等判據(jù)b.經(jīng)濟(jì)地——經(jīng)濟(jì)判據(jù)c.制造有用器件的——性能判據(jù)

性能的內(nèi)涵：

材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為?！靶阅堋币辉~，譯自英文“property”，也譯為“性質(zhì)”；工程技術(shù)界多用“性能”，隱含著“能力”之意，即“能”夠干什么；自然科學(xué)界多用“性質(zhì)”，似有“本質(zhì)”之意；自然界物體的（性能）并不意味這些物體本身所特有的，而常常與這些物體以外的其他物體（包括我們感覺器官）有關(guān)。（赫爾姆霍茲《英漢辭?！罚?。

這個(gè)定義對(duì)性能分析方法有三點(diǎn)啟示：性能必須定量化；從行為的過程去深入理解性能；重視環(huán)境對(duì)于性能的影響。a.行為：有多少行為，有多少性能如用表征材料在外力作用下拉伸行為的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，采用屈服、縮頸、斷裂等行為，便分別有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能。b.外界條件在不同的外界條件下，相同的材料也會(huì)有不同的性能，一般要指定條件。c.參量：性能必須量化，就是說定量表達(dá)其行為

材料本身是一個(gè)系統(tǒng)，其性能是系統(tǒng)的功能，即為材料系統(tǒng)的輸出，影響材料性能的外界條件是系統(tǒng)的輸入，分析系統(tǒng)輸入和輸出的方法主要有三種：黑箱法——不考慮結(jié)構(gòu)相關(guān)法——建立結(jié)構(gòu)、性能關(guān)系過程法——從性能的過程去控制性能

制造有用器件的——性能判據(jù)“有用”---材料具有較好為人類服務(wù)的“使用性能”

“制造”---材料具有較好的“工藝性能”

材料的性能可分為使用性能和工藝性能。各種材料在使用中會(huì)受到各種外力、溫度、化學(xué)介質(zhì)等因素的作用，從而導(dǎo)致變形或破壞。為了保證由材料制成的產(chǎn)品（或器件）能正常使用而應(yīng)具備的性能，稱為材料的使用性能。它包括材料的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能。所謂材料的工藝性能是指材料在投入生產(chǎn)的過程中，能承受各種加工制造工藝而不產(chǎn)生瑕疵或廢品所應(yīng)具備的性能。材料的使用性能是人們判斷材料優(yōu)劣、并正確選擇和合理使用材料的重要依據(jù)，對(duì)探研新材料、新性能和新的制備工藝也有著十分重要的意義。材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的各種特性，如彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度等。力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)材料的主要使用性能。對(duì)于功能材料來說，除了物理和化學(xué)性能外，往往對(duì)力學(xué)性能也有一定要求。例如為了制成細(xì)薄膜及涂層等，除了要求材料具有良好的成型性能外、還要求有抗振動(dòng)、抗壓（或抗拉）、抗疲勞等各種力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)功能一體化材料的力學(xué)性能：強(qiáng)度與塑性硬度與韌性耐磨性與疲勞特性思考題：陶瓷的增韌機(jī)理材料的物理性能材料的物理性能是材料固有的屬性，是指材料的本質(zhì)不發(fā)生變化所表現(xiàn)出的性能。這些性能包括材料的密度、熱、電、光、磁等性能。一、材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能包括熱容、熱傳導(dǎo)、熱膨脹、熱穩(wěn)定性、熔點(diǎn)、升華等。材料的各種熱性能的物理本質(zhì)均與晶格振動(dòng)有關(guān)。熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，又稱抗熱震性或耐熱沖擊強(qiáng)度。材料的熱穩(wěn)定性與材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強(qiáng)度及材料中氣相、玻璃相的含量及其晶相的粒度等有關(guān)。材材料的電學(xué)性能1.導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性通常以其電導(dǎo)率來度量，導(dǎo)電能力則表明材料在電場(chǎng)中傳遞電荷的能力。一般來說，金屬材料及部分陶瓷材料和高分子材料是導(dǎo)體，普通陶瓷材料與大部分高分子材料是絕緣體。但有意思的是，一些具有超導(dǎo)特性的材料卻是陶瓷材料。思考題：材料超導(dǎo)特性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系通常雜質(zhì)原子使純金屬的電導(dǎo)率下降，這是由于溶質(zhì)原子溶入后，在固溶體內(nèi)造成不規(guī)則的勢(shì)場(chǎng)變化而嚴(yán)重影響自由電子的運(yùn)動(dòng)。但在陶瓷材料中溶入雜質(zhì)原子后，常常會(huì)使其導(dǎo)電性能提高。適當(dāng)形式的晶體缺陷，對(duì)改善陶瓷材料的導(dǎo)電性有重要意義。2.介電性絕緣體雖不傳導(dǎo)電荷，但在電場(chǎng)中并非不發(fā)生反應(yīng)在電場(chǎng)中，材料內(nèi)部的電子或正負(fù)離子發(fā)生了位移。材料的組成與結(jié)構(gòu)對(duì)介電性有很大的影響。利用各種材料大小不一的介電常數(shù)及其溫度特性，就可以制作不同性能規(guī)格的電容器或其他元件。3.壓電性壓電性是指某些晶體材料按所施加的機(jī)械應(yīng)力成比例地產(chǎn)生電荷的能力。壓電材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，引起介質(zhì)表面帶電，表面電荷密度與應(yīng)力成正比，稱之為正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，材料（介質(zhì)）將產(chǎn)生機(jī)械變形，應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，則稱之為逆壓電效應(yīng)。三、材料的光學(xué)性能光學(xué)在高技術(shù)新材料領(lǐng)域中有著重要的意義，許多無機(jī)材料和某些高分子材料所具有的光學(xué)性質(zhì)，與其不同的用途有著密切的關(guān)系。許多純凈的共價(jià)化合物和離子化合物，其本質(zhì)是透明的，但往往由于加工過程留下孔洞而變得不透明。用燒結(jié)法制得的各種純陶瓷材料，只要大約1%的孔洞就足以造成不透明。例如，常規(guī)燒結(jié)的氧化鋁是不透明的，而沒有孔洞的多晶氧化鋁是半透明的，不太厚時(shí)甚至是透明的。思考題：透明陶瓷的結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)缺陷和顏色引進(jìn)在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間產(chǎn)生能級(jí)的結(jié)構(gòu)缺陷，可以影響離子材料和共價(jià)材料的顏色。當(dāng)氯化鈉在鈉蒸氣中加熱再冷卻后，就會(huì)帶上黃色藍(lán)寶石：Al2O3：Al3+--Ti3+

紅寶石：Al3+--Cr3+藍(lán)寶石

藍(lán)色的藍(lán)寶石，是由于其中混有少量鈦（Ti）和鐵（Fe）雜質(zhì)所致；紅寶石紅色來自鉻(Cr)

發(fā)光是物體內(nèi)部以某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程。發(fā)光一般是由于物體溫度升高（如因受熱而達(dá)到“紅熱”或“白熱”）所致，但也有不是因溫度升高而發(fā)光的。材料的光學(xué)性質(zhì)中所指的發(fā)光則屬于后者，故有時(shí)稱“冷光”。當(dāng)這些物質(zhì)受到外來光線或電子、高能粒子等的照射時(shí)，就會(huì)發(fā)光，但當(dāng)照射停止后，發(fā)光仍能維持一定時(shí)間（稱余輝）。例如硫化鋅含有少量過剩的鋅，或者含有銀、銅或錳之類的雜質(zhì)，在受到能量較高的紫外光激發(fā)后，會(huì)有可見光區(qū)域的發(fā)射。思考題：長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的發(fā)光特性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系四、材料的磁學(xué)性能1.物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性來源于物質(zhì)內(nèi)部的電子和核的電性質(zhì)。材料磁性的分類：抗磁性、順磁性、鐵磁性（鐵磁性材料只有在居里點(diǎn)溫度以下時(shí)，才具有鐵磁性；在居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，材料表現(xiàn)為順磁性）、反鐵磁性/亞鐵磁性磁疇鐵磁體在很弱的外加磁場(chǎng)作用下也能顯示出強(qiáng)磁性，這是由于在其內(nèi)部存在著磁疇的緣故。磁疇是鐵磁體的基本組成部分，在沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，這些基本部分就已具有磁性。鐵磁體的各磁疇的排列方向是混亂的，所以在未磁化前，鐵磁體對(duì)外不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，各磁疇的大小發(fā)生變化，自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向相同或近似相同的磁疇擴(kuò)大，方向相反或近似相反的磁疇縮小，以致外磁場(chǎng)方向上的總磁矩隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增加。材料的化學(xué)性能與材料腐蝕材料的化學(xué)性能通常是指材料的化學(xué)穩(wěn)定性，主要包括材料的耐腐蝕性、耐酸性和耐熱性等材料的化學(xué)性能總的體現(xiàn)為各種材料抵抗周圍環(huán)境（大氣、水、各種化學(xué)介質(zhì)、溫度及應(yīng)力等）的作用，避免或減緩腐蝕破壞的能力。無機(jī)非金屬材料的腐蝕無機(jī)非金屬材料一般都具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，但也不能避免遭受直接的化學(xué)侵蝕。幾乎大多數(shù)碳化物陶瓷在常溫下不與酸反應(yīng)，個(gè)別金屬碳化物陶瓷即使加熱也不與酸起反應(yīng)，最穩(wěn)定的碳化物陶瓷甚至不受硝酸與氫氟酸混合酸的腐蝕。如硅酸鹽材料的腐蝕破壞主要有如下兩種形式：表面腐蝕材料組分與腐蝕介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞，由于腐蝕是從材料表面開始，故稱之為表面腐蝕。內(nèi)部腐蝕硅酸鹽材料除熔融制品（玻璃、鑄石等）外，通常都存在一定的孔隙，腐蝕介質(zhì)很容易通過這些孔隙向材料內(nèi)部滲透，使材料和腐蝕介質(zhì)的接觸面增大，從而加速腐蝕。高分子材料的腐蝕高分子材料與周圍環(huán)境（如介質(zhì)、應(yīng)力、光和熱等）作用，發(fā)生惡化變質(zhì)從而喪失其使用性能的現(xiàn)象，稱為高分子材料的腐蝕，又稱高分子材料的老化變質(zhì)。高分子材料的老化有如下四種：外觀表現(xiàn)：外觀的變化：出現(xiàn)污漬、斑點(diǎn)、銀紋、裂縫、噴霜、粉化及光澤、顏色的變化等；物理性能的變化：包括溶解性、溶脹性、流變性及耐寒、耐熱、透氣、透光、透水等性能的變化；力學(xué)性能的變化：如抗拉、抗彎、抗壓和抗沖擊強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率等的變化；電學(xué)性能的變化：如絕緣電阻、介電損耗、擊穿電壓等的變化高分子的結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)對(duì)其老化（化學(xué)腐蝕）變質(zhì)有著極其重要的影響。如支鏈高分子比直鏈高分子容易老化，因?yàn)橹ф湑?huì)降低高分子的鍵能。高分子材料的物理老化和腐蝕變質(zhì)一般不涉及分子結(jié)構(gòu)的改變，僅僅是由于物理作用而發(fā)生的可逆性變化。這種變化最主要的原因是腐蝕介質(zhì)經(jīng)滲透擴(kuò)散進(jìn)入高分子材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料的溶脹和溶解，從而使材料的力學(xué)性能和機(jī)械性能受到很大的破壞。滲透和擴(kuò)散一般來說，腐蝕介質(zhì)的分子屬于小分子。當(dāng)它與高分子大分子接觸時(shí)比較容易通過滲透、擴(kuò)散作用而進(jìn)入高分子材料內(nèi)部，使材料的結(jié)構(gòu)受到破壞。介質(zhì)高分子材料中的擴(kuò)散還與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，高分子的結(jié)晶度越高，其結(jié)構(gòu)就越緊密，空位和缺陷就越少，擴(kuò)散滲透速度就越慢。溶脹與溶解高分子材料的溶解過程一般要經(jīng)歷溶脹和溶解兩個(gè)階段，由于高分子材料的結(jié)構(gòu)不同，其溶脹和溶解的情況也不一樣。結(jié)晶態(tài)高分子材料因結(jié)構(gòu)緊密，很難發(fā)生溶脹和溶解。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料只能溶脹，不能溶解。非晶態(tài)高分子材料的結(jié)構(gòu)比較松散，分子間隙大，分子間的相互作用力較弱，溶劑分子容易滲入材料內(nèi)部，發(fā)生溶劑化作用。四、金屬材料的耐腐蝕性金屬材料表面與周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)作用而遭受的破壞，稱為金屬腐蝕。均勻腐蝕（又稱全面腐蝕）和局部腐蝕兩類。引起電化學(xué)不均勻性的主要原因是：金屬表面結(jié)構(gòu)上的顯微不均勻性（例如化學(xué)成分或個(gè)別晶體取向上的差異，晶界的存在或有異種夾雜物）超顯微不均勻（例如晶格的不完整，晶格中有位錯(cuò)等）金屬材料大多數(shù)是多晶體，因此其表面上有許多晶粒的邊界（晶界）。晶界是金屬原子排列比較疏松和紊亂的區(qū)域，容易富集雜質(zhì)原子而產(chǎn)生晶界吸附，也容易發(fā)生晶界沉淀。在水溶液中，有時(shí)會(huì)發(fā)生晶界比晶粒腐蝕快的現(xiàn)象，這就是晶間腐蝕。合金的組織結(jié)構(gòu)對(duì)晶間腐蝕有重要的影響。材料性能檢測(cè)及其特點(diǎn)材料的性能是指材料在給定的一定條件下，當(dāng)某一條件發(fā)生變化時(shí)材料所產(chǎn)生的響應(yīng)。材料的性能，其測(cè)試技術(shù)都隨著材料的發(fā)展而相應(yīng)革新。但總體看來，材料性能檢測(cè)技術(shù)還是比較穩(wěn)定，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也較規(guī)范。三、材料顯微結(jié)構(gòu)的表征現(xiàn)代材料科學(xué)在很大程度上依賴對(duì)材料化學(xué)的組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的理解。因而對(duì)材料性能的測(cè)試以及對(duì)材料化學(xué)的組成、材料結(jié)構(gòu)從宏觀到微觀不同層次的表征，構(gòu)成了現(xiàn)代材料化學(xué)的一個(gè)重要部分，也是聯(lián)系材料設(shè)計(jì)與制備直到獲得具有滿意使用性能的材料之間的橋梁?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)提供了一系列描繪材料化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的方法，即材料結(jié)構(gòu)的表征技術(shù)。材料結(jié)構(gòu)的表征主要內(nèi)容和方法1、材料化學(xué)組成的表征化學(xué)分析法儀器分析法2、材料結(jié)構(gòu)的表征晶體結(jié)構(gòu)的表征和研究材料顯微結(jié)構(gòu)的表征和研究顯微結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容形貌觀察及物相（組成、含量）分析。雜質(zhì)含量及分布情況。晶粒形態(tài)、大小、取向及其分布特征。晶粒中的晶格畸變和缺陷情況。材料的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變

金屬材料、陶瓷材料和高分子材料在進(jìn)行顯微組織分析時(shí)，其制樣技術(shù)和方法有很大不同，但所使用的分析儀器和基本分折方法是基本上相同的。顯微結(jié)構(gòu)研究工具主要是各種光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，還有其他測(cè)試儀器。研究方法分為圖像分析法和非圖像分析法。1．圖像研究法顯微結(jié)構(gòu)分析的圖像研究法，以光學(xué)顯微鏡為主體。它們既可根據(jù)圖像待點(diǎn)及有關(guān)性質(zhì)來分析和研究制品的相組成；也可形象地研究制品的顯微結(jié)構(gòu)待征和各項(xiàng)結(jié)構(gòu)多數(shù)的測(cè)定；還可借助于輔助接口與其他電子儀器及計(jì)算程廖場(chǎng)合起來，構(gòu)成自動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)，對(duì)制品進(jìn)行體視學(xué)研究。電子顯微鏡也是圖像分析的重要手段，可以深入研究制品的亞顯微結(jié)構(gòu)圖像特征，井與微區(qū)分析儀(如電子探針、波譜儀、能譜儀等)相結(jié)合，定性甚至定量研究制品的化學(xué)組成及其分布情況。2．非圖像研究法顯微結(jié)構(gòu)分析中的非圖像分忻法，是以x射線衍射分析為基本方法，此外還有光譜分析、熱譜分析、化學(xué)分析等。這些方法主要是用來鑒定制品的結(jié)晶相及其組成，或研究和測(cè)定制品化學(xué)成分的。材料顯微組織分析原理材料的組織形態(tài)、結(jié)構(gòu)與成分可以用材料與電磁波輻射、電子、離子、中子的相互作用來進(jìn)行檢驗(yàn)，這些相互作用的信息構(gòu)成有關(guān)分析技術(shù)的物理基礎(chǔ)。電子與樣品相互作用(1)向前散射電子即透射電子，這是電子穿透樣品的部分。這些電子攜帶著被樣品吸收、衍射的信息，用子透射電鏡的明場(chǎng)像和透射掃描電鏡的掃描圖像。以揭示樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形貌特征。

(2)非彈性散射電子這些電子在穿過樣品時(shí)損失了部分能量，力向也有微小變化。用于電子能量損失譜，提供成分相化學(xué)信息。也能用于特殊成像或衍射模式。(3)彈性散射電子在晶體材料中，電子按布拉格定律被具有不同取向及面間距的周期排列原子平面散射到不同角度，產(chǎn)生電子衍射圖，提供晶體結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性、取向和樣品厚度等信息。

(4)背散射電子入射電子在樣品中經(jīng)散射后再?gòu)纳媳砻嫔涑鰜淼碾娮?。掃描電子顯微術(shù)、透射掃描電子顯微術(shù)收集這些電子成像可反映樣品表面不同取向、不同平均原子量的區(qū)域差別?！?)x射線入射電子在樣品原子激發(fā)內(nèi)層電子后外層電子躍迂至內(nèi)層時(shí)發(fā)出的光子。不同原子被激發(fā)的x射線是特征的，其譜線波長(zhǎng)及強(qiáng)度可用于電子照射區(qū)域的化學(xué)成分的定性及定量分析。X射線產(chǎn)生的效率很低，一萬個(gè)入射電子才產(chǎn)生一個(gè)光子。最常用的探測(cè)器是固體能量色散x射線儀。一般情況下，能探測(cè)Na以上元素。在特殊裝置中．可探測(cè)B、C、N、O等輕元素。其絕對(duì)檢測(cè)量、推確度和空間分辨率與元素、樣品、入射電子能量多種因素有關(guān)。(6)俄歇電子俄歇電子和x射線一樣由原子內(nèi)殼層電子被入射電子電離而產(chǎn)生。不同的是躍遷電子結(jié)合能變化時(shí)產(chǎn)生的多余能量不是通過發(fā)射x射線而是發(fā)射俄歇電子。俄歇電子的能量與入射電子無關(guān)，僅與產(chǎn)生它的原子和電子殼層有關(guān)。從而可表征原子及電子結(jié)構(gòu)。這個(gè)信息僅來自樣品表面幾個(gè)原子層，因此掃描俄歇電子成為表征材料表面化學(xué)成分，特別是元素偏聚的有力工具。(7)二次電子由樣品中原子外殼層釋放出來，在掃描電子顯微術(shù)中主要用它成像，反映樣品上表面的形貌特征。X射線衍射（XRD）

x射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁輻射射線投射到晶體上，主要與晶體中的電子發(fā)生相互作用，除產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)（非相干散射）外，還可發(fā)生相干散射（散射的x射線與入射射線有相同的波長(zhǎng)和相同的位相）等?，F(xiàn)象的解釋及可能的應(yīng)用(1)頻率不變的X射線

1)透射線：透過強(qiáng)度與入射X線波長(zhǎng)的關(guān)系，就是物質(zhì)的吸收光譜。其上存在著的精細(xì)結(jié)構(gòu)，稱X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS），用來測(cè)定吸收原子的電子結(jié)構(gòu)及配位結(jié)構(gòu)。

2)相干散射：由彈性碰撞產(chǎn)生的，可以相互干涉。晶體的相干散射只有少數(shù)方向相互加強(qiáng)有強(qiáng)光，為衍射線。X射線衍射（XRD）是用來測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)、多晶材料的相結(jié)構(gòu)、晶粒大小、晶粒取向及微結(jié)構(gòu)的。

(2)頻率改變的X射線：1)不相干散射：這是因非彈性碰撞產(chǎn)生的，可用來測(cè)定原子中的動(dòng)量分布及研究化學(xué)鍵等。2)熒光輻射：外層高能級(jí)上的電子躍入內(nèi)層填補(bǔ)空位，放出多余能量造成的，稱熒光光譜。可用來鑒別元素，也可研究化學(xué)結(jié)構(gòu)。(3)電子：

反沖電子：非彈性碰撞時(shí)造成

光電子：電子吸收了入射X光子逸出原子造成的，產(chǎn)生光電子能譜，可用于測(cè)定原子和分子軌道的結(jié)合能。

俄歇電子：外層電子躍入內(nèi)層空位時(shí)產(chǎn)生熒光得到物質(zhì)的表面信息。

二次電子：X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生 的各種帶能粒子在原子中穿行時(shí)，與其它電子相碰而激發(fā)的電子，可以用來得到XAFS譜或成像。離子束分析當(dāng)帶有能量的離子撞擊樣品表面時(shí)，入射離子與價(jià)電子或內(nèi)殼層電子相互作用，并能激發(fā)原子或使原子離化。在非常接近靶核時(shí)，就會(huì)發(fā)生庫(kù)侖相互作用或核相互作用。利用這些原理可得到關(guān)于樣品成分、結(jié)構(gòu)和作用過程的一些信息。中子衍射中子主要被原子核散射，中子的磁矩和不成對(duì)的電子自族的相互作用會(huì)造成散射，與自旋在樣品中如何排列有關(guān)。中子衍射適合于研究輕原子在試樣中的分布；也可提供磁結(jié)構(gòu)的信息。顯微結(jié)構(gòu)表征顯微結(jié)構(gòu)表征包括觀察組織的形貌、確定其原子排列方式和分析化學(xué)組分。形貌觀察光學(xué)顯微術(shù)是在微米尺度觀察材料組織結(jié)構(gòu)的最常用的方法。掃描式和透射式電子顯微鏡把觀察顯微組織的尺度推進(jìn)到納米層次。掃描電鏡已成為材料斷口形貌分析的主要工具。透射電鏡結(jié)合其它一些輔助手段成為能在納米尺度給出材料組織形貌、結(jié)構(gòu)和成分的綜合儀器，功能強(qiáng)大。結(jié)構(gòu)測(cè)定材料的結(jié)構(gòu)測(cè)定仍以x射線衍射為主。這一技術(shù)包括粉末照相相分析、高溫、常溫、低溫衍射儀，通射勞厄照相，測(cè)定單晶結(jié)構(gòu)的衍射，織構(gòu)的極圖測(cè)定等。化學(xué)成分分析材料的化學(xué)成分分析除傳統(tǒng)的分析化學(xué)技術(shù)外，還包括質(zhì)譜、紫外、可見光、紅外光譜分析，氣、液相色譜，光發(fā)射與吸收譜，x射線熒光分析譜，俄歇與x射線光電子諾，二次離子質(zhì)譜，拉曼譜，電子探針，原子探針，激光探針等等。第二章中國(guó)材料科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀內(nèi)容1.我國(guó)材料科學(xué)在國(guó)際上的地位2.學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀3.人才隊(duì)伍與平臺(tái)建設(shè)情況我國(guó)材料科學(xué)在國(guó)際上的地位學(xué)術(shù)論文情況專利申請(qǐng)情況科技計(jì)劃及投入情況學(xué)術(shù)論文情況材料科學(xué)領(lǐng)域所發(fā)表的SCI論文占全世界論文總數(shù)的16%左右，居世界第五，還有大量材料科學(xué)論文未被SCI收錄，可以推斷我國(guó)材料科學(xué)研究力量和實(shí)力在國(guó)際上舉足輕重。在自然科學(xué)幾大主要領(lǐng)域中，材料科學(xué)排在化學(xué)和物理學(xué)之后，加之化學(xué)和物理的部分論文與材料相關(guān)，可以推斷材料科學(xué)在我國(guó)自然科學(xué)各學(xué)科的地位。材料科學(xué)論文被引用總數(shù)排名占全世界第三位，進(jìn)一步分析，我們材料科學(xué)創(chuàng)新的數(shù)據(jù)顯示我們材料科學(xué)創(chuàng)新性有所欠缺，因?yàn)椴牧险撐牡钠骄们闆r比世界平均偏低20%左右。在材料科學(xué)尖端學(xué)術(shù)刊物上，如nature,science,naturematerials,advancedmaterials,physicalreviewletters等發(fā)表論文偏少。

webofscience上以國(guó)家為單位對(duì)過去五年發(fā)表的屬于“材料&materials”主題的論文做出統(tǒng)計(jì)，美國(guó)54570，找過27161，日本18476，德國(guó)18185，我國(guó)排名第二，體現(xiàn)我國(guó)材料科學(xué)研究的巨大進(jìn)步，但是我們材料科學(xué)研究還不夠深入和全面，高水平研究隊(duì)伍還亟待擴(kuò)大。納米科技分析：納米領(lǐng)域SCI論文前五位是美國(guó)、中國(guó)、日本、德國(guó)和法國(guó)，盡管中國(guó)在文章數(shù)量上與美國(guó)存在差距。我國(guó)在納米科技方面的論文主要側(cè)重于納米