材料現(xiàn)代研究方法第一章組織形貌分析概論

材料現(xiàn)代研究方法

ModernMethodsofMaterialsAnalysis

天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院當(dāng)前第1頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)參考書目杜希文，原續(xù)波主編，材料分析方法，天津大學(xué)出版社(教材)劉文西等著，材料結(jié)構(gòu)電子顯微分析，天津大學(xué)出版社李潤(rùn)卿，范國(guó)梁，渠榮遴編著，有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析，天津大學(xué)出版社范雄主編，X射線金屬學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社

當(dāng)前第2頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析第二篇晶體物相分析第三篇成分和價(jià)鍵（電子）結(jié)構(gòu)分析第四篇分子結(jié)構(gòu)分析當(dāng)前第3頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

第1篇組織形貌分析

第一章組織形貌分析概論

當(dāng)前第4頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)第一章組織形貌分析概論1.組織形貌分析的含義和發(fā)展階段2.光學(xué)顯微鏡3.電子顯微鏡4.掃描探針顯微鏡當(dāng)前第5頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.1組織形貌分析的含義什么是組織形貌分析？性能加工結(jié)構(gòu)成分材料科學(xué)與工程結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)

原子排列

相結(jié)構(gòu)

顯微組織

結(jié)構(gòu)缺陷

當(dāng)前第6頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.1組織形貌分析的含義組織形貌或微觀結(jié)構(gòu)，包括材料的外觀形貌、晶粒大小與形態(tài)、各種相的尺寸與形態(tài)（含量與分布）、界面（表面、相界、晶界）、位向關(guān)系（新相與母相、孿生相）、晶體缺陷（點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)）、夾雜物、內(nèi)應(yīng)力。微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析對(duì)于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要。下一標(biāo)題頁(yè)當(dāng)前第7頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號(hào)鋼的斷口——塑性斷裂金納米線韌窩狀形貌和夾雜物回標(biāo)題頁(yè)高分子聚合物薄膜斷口當(dāng)前第8頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織灰色：鐵素體相，含量40～50%；白色：奧氏體相回標(biāo)題頁(yè)當(dāng)前第9頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)Si表面（111）原子圖像—Si原子空位PbMoO4（001）面的位錯(cuò)蝕坑

PbMoO4垂直于（001）面的位錯(cuò)蝕坑

回標(biāo)題頁(yè)當(dāng)前第10頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個(gè)發(fā)展階段組織形貌分析借助各種顯微技術(shù)認(rèn)識(shí)材料的微觀結(jié)構(gòu)。人們對(duì)微觀世界的探索，就是建立在不斷發(fā)展的顯微技術(shù)之上的。組織形貌分析的顯微技術(shù)經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡(OM)、電子顯微鏡(SEM)、掃描探針顯微鏡(SPM)的發(fā)展過程。觀測(cè)顯微組織的能力不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀測(cè)到原子的圖像。當(dāng)前第11頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)0.11101001000×10×100×1,000×10,000×100,000×1,000,000×10,000,000放大倍率掃描電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡分辨率10-710-910-1010-1110-12掃描探針顯微鏡0.010.00110-810-6nmm1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個(gè)發(fā)展階段當(dāng)前第12頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)它的最高分辨率為0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。2.1光學(xué)顯微鏡簡(jiǎn)介光學(xué)顯微鏡最先用于在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)方面，直接導(dǎo)致了細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上形成了19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一——細(xì)胞學(xué)說。應(yīng)用：觀察金屬或合金的晶粒大小和特點(diǎn)等；無(wú)機(jī)非金屬材料的巖相分析等；研究高聚物的結(jié)晶形態(tài)、取向過程等。當(dāng)前第13頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織灰色：鐵素體相，含量40～50%；白色：奧氏體相Ni-Cr合金的鑄造組織當(dāng)前第14頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率分辨率是可分辨的兩點(diǎn)間的最小距離，制約光學(xué)顯微鏡分辨率的因素是光的衍射。衍射使物體上的一個(gè)點(diǎn)在成像的時(shí)候不會(huì)是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)衍射光斑。如果兩個(gè)衍射光斑靠得太近，它們將無(wú)法被區(qū)分開來。分辨率與照明源的波長(zhǎng)直接相關(guān)，若要提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是要有短波長(zhǎng)的照明源。紫外線波長(zhǎng)和X射線雖然波長(zhǎng)比可見光短，但用作顯微鏡照明源存在局限性。當(dāng)前第15頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率絕大多數(shù)物質(zhì)都強(qiáng)烈地吸收紫外線，因此，可供照明使用的紫外線限于波長(zhǎng)200～250nm的范圍。用紫外線作照明源，用石英玻璃透鏡聚焦成像的紫外線顯微鏡分辨本領(lǐng)可達(dá)l00nm左右，比可見光顯微鏡提高了一倍。X射線波長(zhǎng)在10～0.05nm范圍，γ射線的波長(zhǎng)更短，但是由于它們直線傳播且具有很強(qiáng)的穿透能力，不能直接被聚焦，不適用于顯微鏡的照明源。波長(zhǎng)短，又能聚焦成像的新型照明源成為迫切需要。當(dāng)前第16頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)3.1電子顯微鏡發(fā)展歷程1924年，德布羅意提出，運(yùn)動(dòng)的實(shí)物粒子（電子、質(zhì)子、中子等）都具有波動(dòng)性質(zhì)，后來被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1926年布施提出用軸對(duì)稱的電場(chǎng)和磁場(chǎng)聚焦電子束。在這兩個(gè)理論基礎(chǔ)上，1931～1933年魯斯卡等設(shè)計(jì)并制造了世界第一臺(tái)透射電子顯微鏡，目前分辨率可達(dá)0.2nm。（利用電子的波動(dòng)性）用于組織形貌分析的掃描電子顯微鏡是在1952年由英國(guó)工程師CharlesOatley發(fā)明的，分辨率達(dá)1.0nm。（利用電子的粒子性）物質(zhì)波的波長(zhǎng)與其動(dòng)量關(guān)系=h/p，200-300kV加速電壓下，電子束波長(zhǎng)為0.025nm。當(dāng)前第17頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)3.2掃描電子顯微鏡簡(jiǎn)介掃描電子顯微鏡是將電子槍發(fā)射出來的電子聚焦成很細(xì)的電子束，用此電子束在樣品表面進(jìn)行逐行掃描，電子束激發(fā)樣品表面發(fā)射二次電子，二次電子被收集并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在熒光屏上同步掃描成像。由于樣品表面形貌各異，發(fā)射二次電子強(qiáng)度不同。對(duì)應(yīng)在屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。目前掃描電子顯微鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到了1nm左右。掃描電鏡與X射線能譜配合使用，使得我們?cè)诳吹綐悠返奈⒂^結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能分析樣品的元素成分及在相應(yīng)視野內(nèi)的元素分布。當(dāng)前第18頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號(hào)鋼的斷口——塑性斷裂金納米線韌窩狀形貌和夾雜物高分子聚合物薄膜斷口當(dāng)前第19頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)頭發(fā)分叉處紅血球腦神經(jīng)元~100m6~9m~100m~10m白血球當(dāng)前第20頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.1掃描探針顯微鏡簡(jiǎn)介1981年，IBM公司的兩位科學(xué)家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了所謂的掃描隧道顯微鏡，完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應(yīng)”工作，它沒有鏡頭，使用一根金屬探針，在探針和物體之間加上一定偏壓（幾十mV），當(dāng)探針距離物體表面很近（納米級(jí)）隧道效應(yīng)就會(huì)起作用。電子會(huì)穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，電流會(huì)呈指數(shù)級(jí)改變。這樣，通過測(cè)量電流可以探測(cè)物體表面的形狀，分辨率可以達(dá)到原子的級(jí)別(埃，10-10m)。當(dāng)前第21頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.2掃描隧道顯微鏡圖像

1981年，硅原子像（7X7）

硅(111)–(7X7)原子圖像當(dāng)前第22頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)圖中的“IBM”是由單個(gè)氙（Xe)原子構(gòu)成的4.3STM對(duì)單原子和分子的操縱

當(dāng)前第23頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者從左至右依次是ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer分別因?yàn)榘l(fā)明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)當(dāng)前第24頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

第1篇組織形貌分析

第二章光學(xué)顯微技術(shù)

當(dāng)前第25頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)第二章光學(xué)顯微技術(shù)1.光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷程2.光學(xué)顯微鏡的成像原理3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖4.顯微鏡的重要光學(xué)參數(shù)5.樣品制備當(dāng)前第26頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.1光學(xué)顯微鏡的四個(gè)發(fā)展階段1590年，荷蘭的詹森父子(HansandzachriasJanssen)制造出第一臺(tái)原始的、放大倍數(shù)約為20倍的顯微鏡。1610年，意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo)制造了具有物鏡、目鏡及鏡筒的復(fù)式顯微鏡（左圖）。1665年，英國(guó)物理學(xué)家羅伯特·胡克(RobertHooke)用這臺(tái)復(fù)式顯微鏡觀察軟木塞時(shí)發(fā)現(xiàn)了小的蜂房狀結(jié)構(gòu)，稱為“細(xì)胞”，由此引起了細(xì)胞研究的熱潮。1684年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯(Huygens)設(shè)計(jì)并制造出雙透鏡目鏡－惠更斯目鏡，是現(xiàn)代多種目鏡的原型。這時(shí)的光學(xué)顯微鏡已初具現(xiàn)代顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)(右圖)。當(dāng)前第27頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.2恩斯特·阿貝在顯微鏡的發(fā)展史中，貢獻(xiàn)最為卓著的是德國(guó)的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和光學(xué)大師恩斯特·阿貝(ErnstAbbe)。他提出了顯微鏡的完善理論，闡明了成像原理、數(shù)值孔徑等問題，在1870年發(fā)表了有關(guān)放大理論的重要文章。兩年后．又發(fā)明了油浸物鏡，并在光學(xué)玻璃、顯微鏡的設(shè)計(jì)和改進(jìn)等方向取得了光輝的業(yè)績(jī)。當(dāng)前第28頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.光學(xué)顯微鏡的成像原理2.1衍射的形成2.2阿貝成像原理（重點(diǎn)）當(dāng)前第29頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.1.1什么是波的衍射？光即電磁波，具有波動(dòng)性質(zhì)。光波在遇到尺寸可與光波波長(zhǎng)相比或更小的障礙物或孔時(shí)，將偏離直線傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射。障礙物線度越小，衍射現(xiàn)象越明顯。衍射現(xiàn)象可以用“子波相干疊加”的原理來解釋。水波的衍射當(dāng)前第30頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)光強(qiáng)狹縫衍射實(shí)驗(yàn)狹縫中間連線b上每一點(diǎn)可以看成一個(gè)“點(diǎn)光源”，向四面八方發(fā)射子波，子波之間相互干涉（疊加），在屏幕上形成衍射花樣。整個(gè)狹縫內(nèi)發(fā)出的光波在P0點(diǎn)的波程差為零，相干增強(qiáng)，形成中央亮斑。在P1處發(fā)生相干抵消，形成光強(qiáng)的低谷。在P2點(diǎn)處，從狹縫上緣和下緣發(fā)出的光波的波程差1?個(gè)波長(zhǎng)，P2成為相干增強(qiáng)區(qū)的中心，稱為第一級(jí)衍射極大值。當(dāng)前第31頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)由于衍射效應(yīng)，物體上每個(gè)物點(diǎn)通過透鏡成像后不會(huì)是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)衍射斑——埃利斑。如果兩個(gè)衍射光斑靠得太近，它們將無(wú)法被區(qū)分開來。埃利斑第一暗環(huán)半徑其中，n為物方介質(zhì)折射率，光源波長(zhǎng)，透鏡孔徑半角，M透鏡放大倍數(shù)，nsin數(shù)值孔徑。埃利斑半徑與照明光源波長(zhǎng)成正比，與透鏡數(shù)值孔徑成反比。2.1.3

衍射斑由斑點(diǎn)光源衍射形成的埃利斑

埃利斑光強(qiáng)分布圖R0當(dāng)前第32頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.2.1阿貝成像原理（重點(diǎn)）透射光顯微鏡的成像過程。光源：準(zhǔn)平行相干光，物體：具有周期性結(jié)構(gòu)。光通過細(xì)小的網(wǎng)孔時(shí)發(fā)生衍射，同一方向的衍射光成為平行光束，在后焦面上匯聚。凡是光程差滿足，k=0,1,2,…的，互相加強(qiáng)，形成0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)衍射斑點(diǎn)。某個(gè)衍射斑點(diǎn)是由不同物點(diǎn)的同級(jí)衍射光相干加強(qiáng)形成的；同一物點(diǎn)上的光由于衍射分解，對(duì)許多衍射斑點(diǎn)有貢獻(xiàn)。從同一物點(diǎn)發(fā)出的各級(jí)衍射光，在產(chǎn)生相應(yīng)的衍射斑點(diǎn)后繼續(xù)傳播，在像平面上又相互干涉，形成物像。當(dāng)前第33頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.不同物點(diǎn)的同級(jí)衍射波在后焦面的干涉——形成衍射譜；2.同一物點(diǎn)的各級(jí)衍射波在像面的干涉——形成反映物的特征的物像。2.2.1阿貝成像原理（重點(diǎn)）阿貝成像原理可以簡(jiǎn)單地描述為兩次干涉作用。當(dāng)平行光束通過有周期性結(jié)構(gòu)的物體時(shí)，當(dāng)前第34頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.2.2物與像之間的相似性

物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的。不讓衍射光通過就不能成像，參與成像的衍射斑點(diǎn)愈多，則物像與物體的相似性愈好。像面后焦面當(dāng)前第35頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖目鏡物鏡聚光鏡和光闌反光鏡光學(xué)顯微鏡包括光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械裝置兩大部分：當(dāng)前第36頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)4.1數(shù)值孔徑4.2分辨率（重點(diǎn)）4.3放大率和有效放大率4.4光學(xué)透鏡的像差

當(dāng)前第37頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和半孔徑角（α）的正弦之乘積，NA=nsinα。表示物鏡分辨細(xì)節(jié)的能力?？讖浇鞘俏镧R光軸上的物點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇桥c物鏡的有效直徑成正比，與焦點(diǎn)的距離成反比。F物鏡物點(diǎn)當(dāng)前第38頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.1數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑和分辨率成正比：1.如果全部接收一級(jí)衍射光線，則圖像基本不會(huì)失去細(xì)節(jié)。細(xì)節(jié)越微小，形成各級(jí)衍射斑點(diǎn)的衍射角越大。因此，物鏡口徑越大，即衍射角越大，則分辨率就越高。2.由于光的折射，物鏡接收衍射光線的能力也強(qiáng)烈的依賴于在樣品與鏡頭之間的介質(zhì)。因此，數(shù)值孔徑的概念更加能夠有效的描述物鏡的成像能力。

F物鏡油浸物鏡物點(diǎn)當(dāng)前第39頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.2.1瑞利判據(jù)R0分辨兩埃利斑的判據(jù)——瑞利判據(jù)：兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0。此時(shí),兩中央峰之間疊加強(qiáng)度比中央峰最大強(qiáng)度低19％，肉眼剛剛能分辨是兩個(gè)物點(diǎn)的像。當(dāng)前第40頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.2.2透鏡的分辨率兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0時(shí)

,樣品上相應(yīng)的兩個(gè)物點(diǎn)間距離?r0

定義為透鏡能分辨的最小距離，也就是透鏡的分辨本領(lǐng)，或分辨率。透鏡的分辨率由數(shù)值孔徑和照明光源的波長(zhǎng)兩個(gè)因素決定。數(shù)值孔徑越大，照明光線波長(zhǎng)越短，分辨率就越高。當(dāng)前第41頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.3.1放大率和有效放大率顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率1的乘積：=1無(wú)效放大倍率：有效放大倍率：當(dāng)選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時(shí)，顯微鏡不能分清物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，此時(shí)即使過度地增大放大倍率，得到的也只能是一個(gè)輪廓雖大但細(xì)節(jié)不清的圖像。光學(xué)顯微鏡提供足夠的放大倍數(shù)，把它能分辨的最小距離放大到人眼能分辨的程度。當(dāng)前第42頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.3.2光學(xué)顯微鏡的有效放大率人眼的分辨本領(lǐng)?r大約為0.2mm，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)極限?r0大約為0.2m，因此，光學(xué)顯微鏡的有效放大倍率為1000倍。為使人眼感到輕松，光學(xué)顯微鏡的最高放大倍數(shù)是1000~1500倍。有效放大倍數(shù)由下式確定：M有效=?r

/?r0

當(dāng)前第43頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4.4光學(xué)透鏡的像差（1）球面像差（簡(jiǎn)稱球差）邊緣與中心部分的折射光不能通過會(huì)聚相交于一點(diǎn)當(dāng)前第44頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)（2）色像差

由于組成白光的各色光波長(zhǎng)不同，折射率不同，因而成像的位置也不同

。4.4光學(xué)透鏡的像差當(dāng)前第45頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)（3）像域彎曲垂直于光軸的直立的物體經(jīng)過透鏡后會(huì)形成一彎曲的像面，稱為像域彎曲，像域彎曲是幾種像差綜合作用的結(jié)果。

4.4光學(xué)透鏡的像差當(dāng)前第46頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)5.樣品制備5.1取樣5.2鑲樣5.3磨光5.4拋光5.5腐蝕金相顯微鏡觀察試樣組織當(dāng)前第47頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)5.1取樣取樣應(yīng)選擇有代表性的部位；對(duì)于軟材料，可以用鋸、車、刨等加工方法；對(duì)于硬材料，可以用砂輪切片機(jī)切割或電火花切割等方法；對(duì)于硬而脆的材料，如白口鑄鐵，可以用錘擊方法；在大工件上取樣，可用氧氣切割等方法。

當(dāng)前第48頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)5.2鑲樣用專門的鑲樣機(jī)，在合適的加熱溫度和壓力下，將試樣鑲嵌在固化的樹脂或塑料基體中。也可以采用機(jī)械鑲嵌法，即用夾具夾持試樣。當(dāng)前第49頁(yè)\共有55頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)5.3