X射线衍射分析技术综述

精品文档 1欢迎下载 J J I I A A N N G G S S U U U U N N I I V V E E R R S S I I T T Y Y 冶金工程专业硕士研究生结课论文冶金工程专业硕士研究生结课论文 论文题目 论文题目 X 射线衍射分析技术综述 课程名称 Modern Material Analytic Technology 专业班级 201 级硕士研究生 学生姓名 学 号 学院名称 材料科学与工程学院 学 期 第一学期 完成时间 2015 年 12 月 10 日 精品文档 2欢迎下载 精品文档 11欢迎下载 目目 录录 摘 要 2 第一章 X 射线衍射技术的发展历史 4 1 1 X 射线的发展历程 4 1 2 X 衍射仪的发展历史 6 1 2 1 早期的照相机阶段 6 1 2 2 衍射仪中期的阶段 6 1 2 3 近代的电子计算机衍射仪阶段 7 第二章 X 射线衍射的工作原理 7 2 1 X 射线衍射工作原理 8 2 1 1 运动学衍射理论 8 2 1 2 动力学衍射理论 9 第三章 X 衍射仪的构造及功能 10 3 1 X 射线衍射仪的工作原理 10 3 1 1 测角仪 11 3 1 2 X 射线发生器 12 3 1 3 X 射线衍射信号检测系统 13 3 1 4 数据处理和打印图谱系统 15 第四章 X 射线衍射技术在材料以及冶金方面的应用 16 4 1 物相鉴定 物相定性分析 16 4 2 物相定量分析 16 4 3 残余奥氏体定量分析 17 4 4 晶体点阵参数的测定 17 4 5 微观应力和宏观应力的测定 17 4 6 结晶度的测定 19 4 7 晶体取向及织构的测定 19 第五章 X 射线衍射技术未来发展方向 21 结束语 22 参考文献 23 精品文档 22欢迎下载 摘要 X 射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法 X 射线衍射在材料 分析中具有广泛的应用 它不仅可以用来进行材料的物相分析和残余应力的分 析 还可以对材料的结晶度 微晶大小以及晶体取向进行测定 可以说是对晶态 物质进行物相分析的比较权威的方法 在工程和实验教学上具有广泛的应用 随着技术手段的不断创新和完善 X 射线衍射实验在材料成分分析方面有着非 常重要的作用 因此 X 射线衍射在材料分析领域必将有更广阔的发展前景 本 文将着重通过对 X 射线衍射分析技术和 X 射线衍射仪的介绍 来全面了解其发 展历程 工作原理 构造及作用 在冶金及金属材料领域的应用和未来发展方 向 关键词 X 射线衍射分析技术 X 射线衍射仪 工作原理 结构 应用 精品文档 33欢迎下载 Abstract X ray diffraction analysis technology is effective for material analysis Thus it is widely used in various research and manufacture filed It not only be used to analyze material of phase and residual stress also to determine the material of crystallinity size of Crystallite and Crystal orientation It is authoritative means to analyze crystalline substance of phase and be widely applied to the engineering and experiment teaching According to the scientific means continue to creative and improve X ray diffraction plays a important role in the analyze of the material s component the X ray diffraction have a widely developing prospect in the filed of materials analysis The essay is highlight to introduce the X ray diffraction analysis technology and X ray diffractometers through the analysis can help us to realize the development of X ray diffraction the method structure and function the application in the filed of metallurgy and metal materials the develop direction Keywords X ray diffraction technology X ray diffractometers the method of work constitution application 精品文档 44欢迎下载 第一章 X 射线衍射技术的发展历史 1 1 X 射线的发展历程 1895 年 德国物理学家伦琴发现了 X 射线 人们马上将其利用来窥视肉眼看不 见的表面后的物体 如人体内的骨骼与脏器 1912 年劳埃发现了 X 射线衍射现 象 使人们获得了探索人眼无法分辨的微观世界的工具 这两大发现成为人类 科学和技术发展史上的重要里程碑 1912 年以后 X 射线衍射的理论和应用得 到了深入广泛的发展 使人们了解了微观世界 原子 分子尺度 X 射线衍射技 术成为认识和改造物质结构的有利工具 1 人类在利用某种自然现象的时候 未必是先了解这个现象的本质然后再去 利用的 X 射线发现仅半年就被医学界用来进行骨折诊断和定位了 随后又用 于检查铸件中的缺陷和探伤 从而创造了 X 射线透视技术 radiography 1909 年 巴克拉 Barkla 利用 X 射线 发现 X 射线与产生 X 射线的物质 靶 的原子序数 Z 有关 由此发现了标识 X 射线 并认为此 X 射线是原子 内层电子跃迁产生 1908 1909 年 德国物理学家 Walte Pohl 将 X 射线照金属 相当于光栅 产生了干涉条纹 1910 年 厄瓦尔德 Ewald 发现新散射现象 劳埃由此 得出 散射间距 即原子间距 近似于 1A 数量级 1912 年 德国慕尼黑大学物理学家劳厄 M V Laue 成功地完成了晶体 的 X 射线衍射实验 获得第一张 X 射线衍射照片 劳厄的工作奠定了 X 射线衍 射结构分析的基础 随后为解释衍射图象 劳埃提出了劳埃方程 因此他在 1914 年获得诺贝尔物理学奖 1913 年 布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程 随后 厄瓦尔德 Edwald 把衍射变成了图解的形式 厄瓦尔德图解 1913 1914 年 莫塞莱定律的发现 并最终发展成为 X 射线光谱分析及 X 射线荧光分析 1916 年 德拜 Debye 谢乐 Scherrer 发明了 粉未照相法 1938 年 哈那瓦尔特 Hanawalt 建立了系统的 X 射线物相定性分析方法 精品文档 55欢迎下载 1941 年美国材料实验协会 ASTM 将衍射线资料编印成索引及标准卡片 并逐年进行补充 完成粉未衍射卡数据收集与发行的初期阶段工作 20 世纪 60 年代开始 衍射仪法和计算机技术相结合 实现收集衍射实验 数据的自动化 研制和发展了物相鉴定 结构测定等方面的计算机程序 目前 X 射线衍射理论已基本完善 是一门相当成熟的学科 而 X 射线衍 射技术仍在不断发展 近年来 发展尤为显著 其主要方面和原因有 1 新光源的发明 转靶 同步辐射 X 射线激光 X 射线脉冲源 高效 率 强光源 使测量精度提高 4 个数量级 2 新的探测器 由气体探测器到固体探测器 高分辨率 高灵敏度 使 测量提高 2 个数量级 3 新的数据记录及处理技术 高度计算机化 a 实验设备 实验数据全自动化 b 数据分析计算程序化 c 衍射花样的计算机模拟 X 射线发展至今 已形成了三种完整的应用技术 它们分别是 X 射线形貌技术 Radiography X 射线光谱技术 X Ray Spectrum X 射线衍射技术 X Ray Diffraction 简称 XRD X 射线形貌技术 也称 X 射线照相术 是利用物质对 X 射线透过吸收能力 的差异分析物质中异物形态 主要用于医学上进行人体 X 光透视和工程技术上 进行 X 射线探伤 X 射线光谱技术利用物质中元素被 X 射线激发所产生次生 X 射线谱 也称 X 射线荧光 的波长和强度分析物质的化学组成 X 射线光谱技术也称 X 射线荧 光分析 即利用适当能量和 X 射线照射不同元素组成的样品时 每种元素发射 的次生 X 射线 荧光 X 射线 的频率与元素原子的原子序数成正比 通过晶体 衍射分光测定特征荧光 X 射线的波长和强度 从而可进行元素的定性和定量分 析 X 射线衍射技术利用 X 射线在晶体 非晶体中衍射与散射效应 进行物相 的定性和定量分析 结构类型和缺陷分析的技术 X 射线衍射技术是目前应用 最广的一项技术 精品文档 66欢迎下载 随着科学技术的发展 X 射线衍射仪及配套的一系列分析设备得到不断改 进和完善 促使 X 射线分析技术的新理论 新技术不断涌现 在原来 X 射线技 术的基础上又形成了四种新技术 分别是 扩展 X 射线吸收精细结构分析技术 Extended X Ray Absorption Fine Structure EXAF X 射线漫散射及广角非相干的小角相干 非相干散射技术 X 射线光电子能谱分析技术 XPS X 射线衍射貌相技术 X Ray Diffraction Topography 在众多的 X 射线分析方法中 作为常规的分析测试手段 使用最多的和最 广泛的是 X 射线衍射技术 而 X 射线衍射技术中应用最多的方法就是物相分析 X 射线物相分析方法是研究同质多相唯一有效的方法 如鸡卵壳和贝壳的化学 组成相同 只有通过 X 射线衍射技术才能区分二者分别由方解石和文石两种矿 物构成 X 射线衍射技术可以测定材料的结构 晶格畸变 晶粒大小 晶体取 向 晶体织构 晶体内应力 结晶度 还可以进行固熔体分析 相变研究 电 畴或磁畴结构分析等方面的工作 X 射线物衍射物相分析方法在材料科学领域 得到广泛的应用 成为材料科学研究必不可少的基本表征方法之一 1 2 X 衍射仪的发展历史 之所以对 X 射线衍射发现以来的近百年中 X 射线衍射仪的发展情况进行了 简要介绍 其目的是通过近百年来 X 射线衍射仪的发展史看到 X 射线衍射仪是 怎样从单一功能向多功能发展的 是怎样在科学与技术发展要求的推动下和实际 生产技术发展的基础上发展的 反过来它又是怎样促进了科学与技术研究的发展 形成一种相辅相成的关系 仪器的研究与所有其他的研究一样 是科学发展中不 可或缺的一环 1 2 1 早期的照相机阶段 此阶段的最大特点是用照相底片做探测记录器 测角器构造简单 主体为一 金属圆筒 底片贴于金属圆筒的内壁 试样置于圆筒中心的试样转动机构上 入 射光用滤色片单色化 用简单的多孔准直光阑截取入射光中的近准直部分 垂直 于圆筒轴 线射于试样上 单晶照相机与多晶照相机构造基本相同 精品文档 77欢迎下载 1 2 2 衍射仪中期的阶段 此时期最大特点是用计数器代替照相底片做探测器 最早使用的计数器是 盖格计数器 由于盖格计数器的死时间比较长 计数线性范围又比较小 不能适应 高强度 X 射线的探测 后被时间分辨率可达 10 6 s 计数线性范围又较大的正 比计数器和闪烁计数器所取代 这两种计数器因容易维护和使用寿命长而被广 泛使用至今 1 2 3 近代的电子计算机衍射仪阶段 现代计算机与 X 射线衍射仪的结合大大促进了 X 射线衍射术的发展 其作 用主要表现在 不仅使衍射仪调试和操作的自动化程度更高 并可进行更复杂 的测试 可以用较严格的数学方法对原始测试数据作基本处理 如角度与强度 校正 数据光滑 寻峰 扣本底 求积分强度和半峰宽以及把 K 1 和 K 2 衍射 峰形分开等 使输出的测试物理量更准确 包含了对衍射数据进行分析求取 各种结构参数的软件 把衍射仪的功能从只做衍射数据测试扩大到对数据进行分 析求取结构参数 可做人力难以进行的各种复杂的数据处理 如傅里叶变换 线 形拟 合 衍射线形分析求微结构参数 衍射图的指标化和求晶胞参数 直接法 解衍射位相 计算电子密度图 作晶体结构的精修及全谱拟合从头测定晶体结 构等 使求得的各种结构参数更加准确 扩大了 X 射线衍射的应用领域 建立数 据库与自动数据检索 如晶体结构数据库 粉末衍射数据库 PDF 等 使在试验测 得衍射数据后即可进行相关的检索检验 总之 计算机与 X 射线衍射仪的结合进 一步扩大了衍射仪的功能 改进了 X 射线衍射分析技术 提高了分析结果的准 确度 扩大了应用面 探索到的物质结构信息也更深入 在此阶段用于 X 射线衍 射的硬件设备也有发展 如新型的一维和二维 面 探测器 2 的出现 主要有位置 灵敏探测器 position sensitive proportional counter PSPC 影像板 imaging plate IP 和电荷偶合器件 charge couple device CCD 它们都不 需要显影定影 而且动态范围大 强度测量准确 PSPC 主要用于 XPD 小角度范 围 PSPC 用于扫描可增加收集到的衍射强度 大角度范围 120 PSPC 则与照相 底片一样可同时记录所有的衍射环 可省去复杂的测角器 IP 和 CCD 主要用于 单晶衍射仪 IP 面积大 一次可测的角度范围大 还可反复使用 CCD 数据读出快 可以做实时跟踪 将此种新型探测器与单晶回摆法结合可使试验时间大大缩短 精品文档 88欢迎下载 适应了近代生命科学发展提出的测定生物大分子晶体结构 研究生物大分子结构 与生物功能间关系的要求 因而逐渐取代了四圆衍射仪成为单晶衍射仪的主流 精品文档 99欢迎下载 第二章 X 射线衍射的工作原理 2 1 X 射线衍射工作原理 1912 年劳埃等人根据理论预见 并用实验证实了 X 射线与晶体相遇时能发 生衍射现象 证明了 X 射线具有电磁波的性质 成为 X 射线衍射学的第一个里程 碑 当一束单色 X 射线入射到晶体时 由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成 这 些规则排列的原子间距离与入射 X 射线波长有相同数量级 故由不同原子散射的 X 射线相互干涉 在某些特殊方向上产生强 X 射线衍射 衍射线在空间分布的方 位和强度 与晶体结构密切相关 这就是 X 射线衍射的基本原理 3 衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示如图 2 1 2dsin 入n 式 d 为晶面间距 n 为反射级数 为掠射角 为 X 射线的波长 图 2 1 晶体对 X 射线的衍射 布拉格方程是 X 射线衍射分析的根本依据 对于 X 射线衍射理论的研究 目前有两种理论 运动学和动力学衍射理论 2 1 1 运动学衍射理论 Darwin 4 的理论称为 X 射线衍射运动学理论 该理论把衍射现象作为三维 衍射问题来处理 认为晶体的每个体积元的散射与其它体积元的散射无关 而且 散射线通过晶体时不会再被散射 虽然这样处理可以得出足够精确的衍射方向 也能得出衍射强度 但运动学理论的根本性假设并不完全合理 因为散射线在晶 精品文档 1010欢迎下载 体内一定会被再次散射 除了与原射线相结合外 散射线之间也能相互结合 不 久以后 就认识到这点 并在他的理论中作出了多重散射修正 2 1 2 动力学衍射理论 Ewald 5 的理论称为动力学理论 该理论考虑到了晶体内所有波的相互作 用 认为入射线与衍射线在晶体内相干地结合 而且能来回地交换能量 两种理 论对细小的晶体粉末得到的强度公式相同 而对大块完整的晶体 则必须采用动 力学理论才能得出正确的结果 精品文档 1111欢迎下载 第三章 X 衍射仪的构造及功能 3 1 X 射线衍射仪的工作原理 分析物质 X 射线衍射的仪器 形式多种多样 用途各异 但仪器构成皆如 图 3 1 3 2 所示 其硬件主要有 X 射线光源 测角仪 衍射信号检测系统及数 据处理和打印图谱系统等几部分构成 图 3 3 3 4 下面分别介绍 图 3 1 衍射原理示意图 3 2 衍射仪主要构成图 工作原理 X 射线发生器主要由高压控制系统和 X 光管组成 它是产生 X 射线的装置 由 X 光管发射出的 X 射线包括连续 X 射线光谱和特征 X 射线光谱 连续 X 射线光谱主要用于判断晶体的对称性和进行晶体定向的劳埃法 特征 X 射线用于进行晶体结构研究的旋转单体法和进行物相鉴定的粉末法 测角仪是 衍射仪的重要部分 X 射线源焦点与计数管窗口分别位于测角仪圆周上 样品 位于测角仪圆的正中心 在入射光路上有固定式梭拉狭缝和可调式发射狭缝 在反射光路上也有固定式梭拉狭缝和可调式防散射狭缝与接收狭缝 有的衍射 精品文档 1212欢迎下载 仪还在计数管前装有单色器 当给 X 光管加以高压 产生的 X 射线经由发射狭 缝射到样品上时 晶体中与样品表面平行的面网 在符合布拉格条件时即可产 生衍射而被计数管接收 当计数管在测角仪圆所在平面内扫射时 样品与计数 管以 1 2 速度连动 因此 在某些角位置能满足布拉格条件的面网所产生的 衍射线将被计数管依次记录并转换成电脉冲信号 经放大处理后通过记录仪描 绘成衍射图 图 3 3 日本理学公司生产的 SA HF3 型 X 射线衍射仪 图 3 4 X 射线管 左 测角仪 中 和探测器 右 3 1 1 测角仪 试样台位于测角仪中心 试样台的中心轴 ON 与测角仪的中心轴 垂直图面 O 垂直 试样台既可以绕测角仪中心轴转动 又可以绕自身中心轴转动 试样 放测角仪中心 平板状多晶试样 试样台 绕测角仪中心轴和绕自身的中心轴转动 装样 试样表面与测角仪中心轴重合 测角仪圆 衍射仪圆 焦点 F 和接收光阑 G 位于的圆周 以样品为圆心 测角 仪圆所在平面称测角仪平面 试样台和计数器分别固定在两个同轴圆盘上 并且由两个步进马达驱动 其结构如图 3 5 精品文档 1313欢迎下载 图 3 5 测角仪构造示意图 测角仪工作原理 1 光源到试样中心的距离等于试样中心到记录点的距离 即等于测角仪半 径 2 光速中心和试样表面形成的角度恰好等于衍射角 2 的一半 这就是要求 计数管窗口前的接受狭缝位于距试样中心为测角仪半径 R 的圆周上 要求计数 管和试样绕测角仪轴的转动速率比值恰好是 2 1 测角仪的光学布置如图 3 6 所示 测角仪光学布置要求与 X 射线管的线状 焦点的长边方向与测角仪的中心轴平行 图 3 6 测角仪的光学布置 3 1 2 X 射线发生器 X 射线衍射仪中的 X 射线发生器是指 X 射线管 在晶体衍射实验中 常用 的 X 射线管按其结构设计的特点可分为三种类型 可拆式管 这种 X 射线管在动真空下工作 配有真空系统 使用时需抽真 精品文档 1414欢迎下载 空使管内真空度达到 10 5 毫帕或更佳的真空度 不同元素的靶可以随时更换 灯丝损坏后也可以更换 密封式管 如图 3 7 所示 这是最常使用的 X 射线管 它的靶和灯丝密 封在高真空的壳体内 壳体上有对 X 射线 透明 的 X 射线出射 窗口 铍窗口 这种管子使用方便 但靶和灯丝不能更换 若灯丝烧断后管子也就报 废了 其寿命一般为 1000 2000 小时 转靶式管 这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却 即所 谓旋转阳极 X 射线管 是目前最实用的高强度 X 射线发生装置 管子的阳极设 计成圆柱体形 柱面作为靶面 阳极需要用水冷却 这种管的功率能远远超过 前两种管子 对于铜或钼靶管 密封式管的额定功率 一般只能达到 2kW 3kW 而转靶式管最高可达 90KW 图 3 7 密封式 X 射线管的构造示意图 3 1 3 X 射线衍射信号检测系统 常用的 X 射线衍射信号检测手段如下 1 荧光板 荧光板是将 ZnS CdS 等荧光材料涂布在纸板上制成 当 X 射线信号照射到 荧光板上时 荧光板就会发出荧光 常用荧光板来确认光源产生的原射线束的 存在 主要用于仪器零点的调试 精品文档 1515欢迎下载 2 照相方法 照相法是最早使用的检测并记录 X 射线的方法 直到现在仍被采用 X 射 线与可见光一样 能够使感光乳剂感光 当感光乳剂受到 X 射线照射后 AgBr 颗粒离解形成显影核 经过显影而游离出来的单质银微粒使感光处变黑 在一 定的曝光条件下 黑度是与曝光量成比例的 黑度也和波长有关 测量黑度的 简单方法是目估 较为准确的测量方法是用光电黑度计来扫描测量 3 正比计数管 PC 正比计数管 PC 一般以一个内径约 25mm 的金属圆筒作为阴极 圆筒中心 有一根拉成直线的钨丝作为阳极 筒内充满 0 5 至 1 个大气压的氩气或氙气 并加有 10 左右的淬灭气体 一般为 CH4 乙醇或 Cl2 圆筒的侧壁或一端设 有入射 X 射线的 窗 窗口材料通常为极薄的云母片或者金属铍 如图 3 8 所示 图 3 8 正比计数管简图 4 NaI Tl 闪烁计数管 SC X 射线衍射分析中使用的闪烁计数管 其闪烁体大多使用掺有 Tl 的 NaI 晶 体 它由三部分组成 闪烁体 光电倍增管和前置放大器 闪烁计数管的主要优点是 对于晶体 X 射线衍射工作使用的各种 X 射线波 长 均具有很高的接近 100 的量子效率 稳定性好 使用寿命长 此外 它 和正比计数管一样具有很短的分辨时间 10 7 秒 因而实际上不必考虑检测 器本身所带来的计数损失 目前大多数衍射仪均配有 SC 探测器 5 固体检测器 SSD 固体探测器 SSD 又称半导体检测器 SSD 的工作原理如下 当 X 射线照射 精品文档 1616欢迎下载 半导体时 由于电离作用 能产生一些电子 空穴对 在本征区产生的电子 空穴对在电极间的电场作用下 电子集中在 n 区 空穴则聚集在 p 区 其结果 将有一股小脉冲电流向外电路输出 本征区起着 电离箱 的作用 SSD 被电 离产生一对电子 空穴对所需的能量约为 3 8eV 而 PC 约为 30eV SC 约为 500eV 因此 SSD 的其能量分辨率最佳 3 1 4 数据处理和打印图谱系统 数字化的 X 射线衍射仪的运行控制以及衍射数据的采集分析等过程都可以 通过计算机系统控制完成 计算机主要具有三大模块 1 衍射仪控制操作系统 主要完成粉末衍射数据的采集等任务 2 衍射数据处理分析系统 主要完成图谱处理 自动检索 图谱打印等任 务 3 各种 X 射线衍射分析应用程序 1 X 射线衍射物相定性分析 2 X 射线 衍射物相定量分析 3 峰形分析 4 晶粒大小测量 5 晶胞参数的精密修 正 6 指标化 7 径向分布函数分析等 精品文档 1717欢迎下载 第四章 X 射线衍射技术在材料以及冶金方面的应用 由 X 射线衍射原理可知 物质的 X 射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关 每种结晶物质都有其特定的结构参数 包括晶体结构类型 晶胞大小 晶胞中原 子 离子或分子的位置和数目等 因此 没有两种不同的结晶物质会给出完全 相同的衍射花样 通过分析待测试样的 X 射线衍射花样 不仅可以知道物质的化 学成分 还能知道它们的存在状态 即能知道某元素是以单质存在或者以化合物 混合物及同素异构体存在 同时 根据 X 射线衍射试验还可以进行结晶物质的定 量分析 晶粒大小的测量和晶粒的取向分析 目前 X 射线衍射技术已经广泛 应用于各个领域的材料分析与研究工作中 4 1 物相鉴定 物相定性分析 衍射图谱是晶体的 指纹 不同的物质具有不同的衍射特征峰值 晶面间 距和相对强度 对照 PDF 卡片进行定性分析 X 射线衍射仪定性分析要求试样充 分混合 使各晶面达到紊乱分布 样品需要研磨粉末 粒度大约 200 目 从而得到 与 PDF 卡片基本一致的粉末衍射数据 有时需要借助 X 射线荧光仪确定样品的 基本化学成分 并结合试样的来源以及处理或加工条件 根据物质相组成方面的 知识 才能得到可靠的结论 与 PDF 卡片库比对的过程 可以有目的地加入元素 限定 而不要把一些微量元素加入 可以提高物相比对效率 比对的过程应注意 对比位置比对比强度更重要 低角度的线要比高角度的线更重要 在钢铁行业中 应 注 意合金中的固溶现象 使衍射峰变宽 一般情况下峰会往一边移 另外合金中 有织构 在分析合金样品时 不需要考虑强度的匹配 4 2 物相定量分析 物相定量分析是基于待测相的衍射强度与其含量成正比 但由于各物相对 X 射线的吸收不同 使得 强度 并不正比于 含量 需要进行修正 XRD 定量 方法的优势在于它能够给出相同元素不同成分的含量 这是一般化学分析不能达 到的 粉 末 X 射线衍射仪使得强度测量既方便又准确 对于钢铁试样 微量相 一般含量 5 以下 一般扫描不出衍射峰 因此采用 X 射线衍射仪只能进行相对 半定量分析 粉末试样定量分析时 试样颗粒要足够细 粒度小于 10 m 制样时 精品文档 1818欢迎下载 避免重压 混合样中各相分布均匀 减少择优取向的影响 扫描过程中 扫描速 度 尽可能慢 一般扫描速度为 0 50 min 或 0 250 min 因铜靶 X 射线管能够通用 于各种样品 包括主要组成为 Cr Mn Fe Co Ni 等元素的样品 因此在冶金行 业常用铜靶进行物相分析 4 3 残余奥氏体定量分析 钢材中残余奥氏体定量分析 2 钢材经加热奥氏体化后快冷至室温后未能 转化为其他组织 形成残余奥氏体 残余奥氏体在钢中不稳定 钢材使用过程中 面心立方残余奥氏体逐渐转变为四方晶系 假立方 马氏体相 这种相变 将在钢 中引起体积膨胀 促使钢中产生大量应力 因而引起钢材断裂 在马氏体形成过 程中所残留奥氏体显著影响钢的应力和疲劳性能 尤其在高强度合金钢中 残余 奥氏体含量的微小变化对部件的强度及疲劳性能均产生显著影响 通常采用金 相法对残余奥氏体含量进行测量 试样腐蚀程度的深浅会影响试验结果 而采用 X 射线衍射仪不需要腐蚀试样 可以比较准确地进行残余奥氏体定量分析 4 4 晶体点阵参数的测定 点阵参数是晶态材料的重要物理参数之一 精确测定点阵参数有助于研究该物 质的键合能和键强 计算理论密度 各向异性热膨胀系数和压缩系数 固溶体 的组分和固溶度 宏观残余应力大小 确定相溶解度曲线和相图的相界 研究 相变过程 分析材料点阵参数与各种物理性能的关系等 确定点阵参数的主要 方法是多晶 射线衍射法 6 X 射线衍射法测定点阵参数是利用精确测得的晶体衍射线峰位 2 角数据 然后 根据布拉格定律和点阵参数与晶面间距 d 值之间的关系式 表 4 4 计算点阵 参数的值 7 表 4 4 d 值与晶面指数 hkl 晶胞参数关系 晶系点阵参数d 值计算 立方 等轴 a b c 90 90 2 22 2 1 a lkh dhkl 精品文档 1919欢迎下载 正方 四方 a b c 90 90 2 2 2 22 2 1 c l a kh dhkl 正交 斜方 a b c 90 90 2 2 2 2 2 2 2 d 1 c l b k a h hkl 六方 六角 a b c 90 120 2 2 2 22 2 3 41 c l a khkh dhkl 三角 a b c 9090 cos2cos31 cos cos 2sin 1 322 22222 2 aaa aaklhlhkalkh dhkl 单斜 a b c 90 90 acsin cos2 sin sin sind 1 222 2 22 2 22 2 2 hl c l b k a h hkl 三斜 a b c 9090 cos cos cos2 cos c cos cos2lhabcos o bc coscos 2kla sinbal sin ck sin 11 2 22 222222222222 22 hkabc cbh vdhkl 4 5 微观应力和宏观应力的测定 微观应力是指由于形变 相变 多相物质的膨胀等因素引起的存在于材料 内各晶粒之间或晶粒之中的微区应力 当一束 X 射线入射到具有微观应力的样 品上时 由于微观区域应力取向不同 各晶粒的晶面间距产生了不同的应变 即 在某些晶粒中晶面间距扩张 而在另一些晶粒中晶面间距压缩 结果使其衍射线 并不像宏观内应力所影响的那样单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 总的效应是导致衍射线漫散宽化 材料的微观残余应力是引起 衍射线线形宽化的主要原因 因此衍射线的半高宽即衍射线最大强度一半处的宽 度是描述微观残余应力的基本参数 钱桦等 8 在利用 X 射线衍射研究淬火 精品文档 2020欢迎下载 65Mn 钢回火残余应力时发现 半高宽的变化与回火时间 温度密切相关 与硬 度变化规律相似 半高宽也是随着回火时间的延长和回火温度的升高呈现单调下 降的趋势 因此 X 射线衍射中半高宽 回火时间 温度曲线可以用于回火过程 中残余应力消除情况的判定 在材料部件宏观尺度范围内存在的内应力分布在它的各个部分 相互间保持 平衡 这种内应力称为宏观应力 宏观应力的存在使部件内部的晶面间距发生改 变 所以可以借助 X 射线衍射方法来测定材料部件中的应力 按照布拉格定律可 知 在一定波长辐射发生衍射的条件下 晶面间距的变化导致衍射角的变化 测定 衍射角的变化即可算出宏观应变 因而可进一步计算得到应力大小 总之 X 射线 衍射测定应力的原理是以测量衍射线位移作为原始数据 所测得的结果实际上是 应变 而应力则是通过虎克定律由应变计算得到 借助 X 射线衍射方法来测定试样中宏观应力具有以下优点 1 不用破坏试 样即可测量 2 可以测量试样上小面积和极薄层内的宏观应力 如果与剥层方法 相结合 还可测量宏观应力在不同深度上的梯度变化 3 测量结果可靠性高等 4 6 结晶度的测定 结晶度是影响材料性能的重要参数 在一些情况下 物质结晶相和非晶相的 衍射图谱往往会重叠 结晶度的测定主要是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶 相图谱面积的比 在测定时必须把晶相 非晶相及背景不相干散射分离开来 基 本公式为 Xc Ic Ic KIa 式中 Xc 结晶度 Ic 晶相散射强度 Ia 非晶相散射强度 K 单位质量样品中晶相与非晶相散射系数之比 目前主要的分峰法有几何分峰法 9 函数分峰法 10 等 范雄等 11 采用 X 射线衍射技术测定了高聚物聚丙烯 PP 的结晶度 利用函数分峰法分离出非 晶峰和各个结晶峰 计算出了不同热处理条件下聚丙烯的结晶度 得出了聚丙烯 结晶度与退火时间的规律 精品文档 2121欢迎下载 4 7 晶体取向及织构的测定 晶体取向的测定又称为单晶定向 就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外 坐标系的位向关系 虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向 但 X 衍射法 不仅可以精确地单晶定向 同时还能得到晶体内部微观结构的信息 一般用劳埃 法单晶定向 其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极 射赤面投影之间的位置关系 透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品 背射劳埃法就无需特别制备样品 样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现象称为织构 常见的织构有丝织构 和板织构两种类型 为反映织构的概貌和确定织构指数 有三种方法描述织构 极图 反极图和三维取向函数 这三种方法适用于不同的情况 对于丝织构 要 知道其极图形式 只要求出其丝轴指数即可 照相法和衍射仪法是可用的方法 板织构的极点分布比较复杂 需要两个指数来表示 且多用衍射仪进行测定 宓小川 12 采用 X 射线能谱法测定了金属板材织构 分别获得了 IF 钢 冷 轧电工钢 CuNi15Sn8 合金的织构信息 说明 X 射线衍射能谱仪在金属板材的织 构测定方面具有快速 高效的优点 在材料性能与织构及生产工艺相互关系研究 方面有极大的应用价值 精品文档 2222欢迎下载 精品文档 2323欢迎下载 第五章 X 射线衍射技术未来发展方向 综上所述 X 射线衍射技术在材料分析领域有着十分广泛的应用 在无机 材料 有机材料 钢铁冶金 纳米材料等研究领域中发挥越来越重要的作用 X 射线衍射技术已经成为人们研究材料尤其是晶体材料最方便 最重要的手段 计算机的普遍使用让各种测量仪器的功能变得强大 测试过