材料微观分析总结1.docx

X射线与物质的相互作用：X射线是怎么产生的？什么是标识X射线（特征X射线）谱？什么是连续X射线谱？两种谱的产生机理和特点。X射线是怎么产生的：高速运动的粒子与靶材碰撞，速度骤减，且与靶材原子的核外电子相互作用。产生的条件：加热的灯丝在一个适当的偏压下产生自由电子；该电子以一定的能量撞向靶；电子的能量足以使靶材原子的内层电子激发。连续X射线谱：波长连续变化的X射线谱成为连续谱。特点是在不同的加速电压下，存在一个相应的短波限0。产生机理：高速运动的电子突然减速，产生很大的负加速度，这负加速度引起周围电磁场的变化，产生电磁波；或具有一定能量的电子与靶材原子相撞时，电子失去能量，其中一部以X射线辐射出来。大量的电子撞向靶的时间和条件不同，且会发生多次碰撞，每次碰撞的能量损失不同，因此形成了连续谱。连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。特征X射线谱：X射线谱上，某波长射线强度突然增加成不连续变化且谱峰波长（位置）不随射线管电流和电压改变而改变的射线，因其波长反映了靶材原子序数的特征而成为特征射线。这种射线对于靶材原子是有标识性的，因此也称为标识谱。特点是谱峰波长（位置）不随射线管电流和电压改变而改变。发射机理：具有足够能量的电子eV与靶原子核外电子作用，内层电子被激发成为自由电子或填充到未满的高能级上，在相应的壳层上留下空位，外层电子向空位跃迁，同时辐射出特定能量（波长）的X射线。该射线的能量h=Eb-Ea，Eb，Ea分别为产生跃迁能级和产生空位能级的电子结合能。X射线命名：外层电子跃迁K层，则称该X射线为K系标识X射线，由L层向K层跃迁，则为，由M层向K层跃迁，则为，以此类推。由于L层有三个亚能级，LI LIILIII，由LIII到K称为，由LII到K为，以此类推。X射线强度：比波长长，强度高。的强度约是强度的2倍。什么是吸收（真吸收，漫散射吸收）：物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收分为两种方式，一种是原子对X射线的漫散射，它与空气中的灰尘对可见光的漫散射相似，形成漫散射的X射线向四周发散，其能量只占吸收能量的极少一部分。真正意义的吸收是电子在原子内的迁移所引起的，它是一个很大的能量转换过程，例如X射线的一部分能量转变成光电子、俄歇电子、荧光X射线、正负电子对等个体的能量以及热散能量，称之为真吸收。漫散射式的吸收与真吸收构成由质量吸收系数 表征的全吸收。吸收限：在某些特定的波长有强烈的吸收，吸收突变点的波长称为吸收限。吸收限是如何产生：老版P13第二段（当入射X射线） 新版p13第三段（当入射X射线）。滤波片的选择原则：可以选择刚好位于辐射源的和之间并尽可能靠近的金属薄片作为滤波片。滤波片与靶材原子序数的关系：时，；时，X射线光电效应：入射X射线的光子与物质原子中电子相互碰撞时产生的物理效应，称为X射线的光电效应。荧光X射线：为了与入射X射线相区别，称由X射线激发所产生的特征X射线为荧光X射线。俄歇电子：当有层电子跃入K层补充空位时，能量释放会有两种效应，其中之一就是被包括空位层在内的临近电子或叫外层电子所吸收，使该电子受到激发逸出，这种具有特征能量的电子即为俄歇电子。衍射产生的条件：满足布拉格方程（必要条件）满足结构因子不为零，即不产生系统消光。（充分条件）布拉格方程表达式： d为晶面间距，为入射束与反射面的夹角，为X射线的波长，n为衍射级数，sin1；且n为整数，但一般取1。布拉格方程表达的内容，含义：只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。干涉面：我们把布拉格方程改写成为，而这是面间距为的实际上存在或不存在的假想晶面的一级反射。将这个晶面叫干涉面。干涉面指数：干涉面的面指数为干涉指数，一般用HKL表示。干涉面指数与晶面指数的关系：H=nh；K=nk；L=nl。干涉指数与晶面指数之间的明显差别是干涉指数中有公约数，而晶面指数只能是互质的整数。当干涉指数也互为质数时，它就代表一族真实的晶面。所以说，干涉指数是晶面指数的推广，是广义的晶面指数。结构因子的概念：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数称为结构因子。 即晶体结构对衍射强度的影响因子。消光的概念：晶体结构中如果存在着带心的点阵、滑移面等，则产生的衍射会成群的或系统的消失，这种现象称为系统消光，即由于原子在晶胞中位置不同而导致某些衍射方向的强度为零的现象。影响结构因子的因素：原子种类、原子位置、原子个数。计算结构因数时, 基点的选择原则：基点的选择原则是每个基点能代表一个独立的简单点阵。厄瓦尔德图解法：38道题第九题。反射球：以入射单位矢量S0/l起点C为中心，以1/l为半径作一球面，使S0/l指向一点O，称为原点。该球称为反射球（Ewald 球）倒易球：同一晶面族的倒易矢量长度相等,位向不同,其矢量端点构成倒易球面; 不同晶面族构成不同直径的倒易球。厄瓦尔的图解来说明德拜衍射花样的形成：如图所示，衍射晶面满足布拉格方程就会形成一个反射圆锥体。环形底片与反射圆锥相交就在底片上留下衍射线的弧对。衍射谱与德拜环的关系：将一个长条形底片圈成一个圆，以试样为圆心，以X射线入射方向为直径放置。这样圆圈底片和所有反射圆锥相交形成一个个弧形线对，从而可以记录下所有衍射花样，旧书53页最后“根据.在底片的位置”新书54页第二段“根据.在底片的位置”衍射强度理论：旧书34页，第二段全段。新书35页第二段前两句话。影响粉末衍射强度的因素：相对积分强度与结构因子、角因子（包括极化因子和罗伦兹因子）、多重性因子、吸收因子、温度因子有关。结构因子：单位晶胞中所有原子散射波叠加的波即为结构因子，用F表示。多重性因子：在晶体学中，将晶面间距相同、晶面上原子排列规律相同的晶面成为等同晶面。把等同晶面个数对衍射强度的影响因子叫做多重性因子，用P来表示。罗伦兹因子：包括晶粒大小的影响、参加衍射晶粒数目的影响、衍射线位置对强度测量的影响，三种影响均与布拉格角有关，将其归并在一起，统称为罗伦兹因子。罗伦兹因子与计划因子合并，并略去常数项1/8，得到罗伦兹极化因子。吸收因子：试样对X射线的吸收，试样形状和衍射方向的不同，衍射线在试样中穿行的路径便不相同，所引起的吸收效果也不一样。温度因子：热振动给X射线的衍射会带来很多影响，但不会改变布拉格角，不会使衍射线条变宽。X射线衍射仪的构造：由图所示，X射线衍射仪由X射线光管，测角仪以及X射线辐射探测仪组成，其中测角仪是核心部件。新书P60，旧书P60X射线衍射仪的工作原理：强度、分辨率都能够兼顾的代表性的光路，测角仪中心转轴与光源及接收狭缝间的距离r是相等的。此r决定一个测角器圆。光源、中心转轴与接收狭缝三者位置构成聚焦圆。试样与计数器以12的转速绕中心轴旋转，则聚焦圆半径随着变化，但光源及接收狭缝始终处于对中心轴的对称位置。旋转中的每一时刻全部衍射线， 都聚焦于该时间的聚焦圆上。不同角时聚焦圆半径不同，衍射线位置也不同。只有处于与光源对称位置的衍射才被记录，其它的衍射不予理睬。旋转中，2从近0变到近180，所有不同的(HiKiLi)衍射会在不同的2i时处于对称位置而被记录，得完整衍射谱。X射线衍射分析的应用：目前X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。在金属中的主要应用有以下方面：1）物相分析 是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。 2）精密测定点阵参数 常用于相图的固态溶解度曲线的测定。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。 3）取向分析 包括测定单晶取向和多晶的结构（见择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。 4）晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定 由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。 5）宏观应力的测定 宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。 6）对晶体结构不完整性的研究 包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。 7）合金相变 包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。 8）结构分析 对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。 9）液态金属和非晶态金属 研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。 数据库在X射线衍射分析中的作用： 卡片的来源及种类：J.D.Hanawalt等人于1938年首先发起，以d-I数据组代替衍射花样，制备衍射数据卡片的工作。1942年“美国材料试验协会（ASTM）”出版约1300张衍射数据卡片（ASTM卡片）。1969年成立了“粉末衍射标准联合委员会”（JCPDS)，由它负责编辑和出版粉末衍射卡片，称为PDF卡片。现在由ICDD (International Center for Diffraction Data)编辑出版卡片, PDF-1: d, I PDF-2: card PDF-3: pattern1965年英国剑桥大学化学系建立，英国研究委员会资助的Cambridge Crystallographic Data Center (CCDC)剑桥晶体学数据中心。发表的CSD（剑桥结构数据库等）。272,000个晶体结构数据（有机、金属有机化合物、金属络合物结构）由德国FIZ karlsruhe和GMELIN Institute Frankfurt联合编辑的ICSD (Inorganic crystal structure database)无机化合物晶体结构数据库由美国国家科学基金会，美国矿物学学会，加拿大矿物协会和欧洲矿物学杂志联合支持创办的公开的晶体学数据库，这些数据是由各种组织、机构或个人捐助的COD (Crystallorgaphy open database)物相定性分析的步骤，及注意事项：单相物质定性分析程序：在求出d和I/I1后根据待测向衍射数据，得出三个前线的晶面间距值d1 d2 d3根据d1在数值索引中检索适当的d组，找出d1 d2 d3复合较好的卡片。把待测相三强线的d值和I/I1值与这些卡片上各物质的三强线d值和I/I1值相比较，淘汰一些不符合的卡片，最后获得与实验数据一一吻合的卡片，卡片上所示物质即为待测相。复相物质定性分析：与单相分析类似，但需要反复尝试。注意的问题：作定性相分析时，由于试样制备方法、测定条件以及JCPDS卡的数据本身的可靠性问题，使得JCPDS卡的数据与试样衍射线的d值或I/I1值有些差别。1）、粘土矿物或石墨粉末等易产生择优取向的试样以及具有择优位向的金属箔，其衍射强度会发生变化，甚至出现倒置的情况。2）、粒径大的粉末（几十m以上）衍射强度重现性差，强度的变化可达百分之几十。3）、试样中固溶体其它物质或试样加热膨胀时衍射线移向低角位置（高角位置衍射线偏移量较大）。4)、实验误差带来的峰位移动定量分析方法及注意事项: 定量依据：某物相的衍射峰的积分强度与该物相在样品中的体积分数成正比。定量的基本原理如下式所示： 式中：IJ： 衍射峰的积分强度KJ: 强度表达式中与试样种类、数量均无关的常数相。WJ：J物质的重量百分数M/M：除J相外试样的平均质量吸收系数。/：是由N项组成的试样平均质量吸收系数。内标法：先把纯相样品的某根衍射线条强度测出来，再配几种具有不同相含量的样品，在相同实验条件下，测出相含量已知的样品中同一根衍射线条强度作定标曲线。在定标曲线中根据 与的比值便可求得的含量。K值法是一种改良的内标法。外标法：在待测样品中掺入一定含量的标准物质的混合物，把试样中待测相的某根衍射线条强度与掺入试样中含量已知的标准物质的某根衍射线条强度进行比较，从