冶金工程实验4物相分析

1、第四章 冶金物相分析（1）炉渣物相的分析 例如：转炉渣随碱度的增加，渣中物相的生成次序为 CaO.MgO.SiO2（钙镁橄榄石，简写为CMS） 2CaO.MgO.2SiO2(镁蔷薇辉石，简写为C3MS2） 2CaO.SiO2(硅酸二钙，简写为C2S） 3CaO.SiO2(硅酸三钙，简写为C3S） 析出CaO 4.1 物相分析在钢铁冶金中的应用(2) 钢中夹杂物 例如：氧化物夹杂 Al2O3, SiO2, 12CaO.7Al2O3, MnO.SiO2 硫化物夹杂 MnS, FeS，CaS 氮化物夹杂 AlN，TiN (3) 耐火材料 例如：镁质耐火材料 MgO, 胶结相 C2S，C3S，C2F等

2、 (4) 烧结矿 例如：Fe3O4, FeO, Fe2O3, 胶结相 CF，C2F，CFS （钙铁橄榄石)，如生成C2S，C2SC2S体积膨胀 10%，会造成烧结矿冷却后粉化 观察透明样品使用透射式显微镜, 称为岩相显微镜。 观察不透明样品使用反射式显微镜，称为金相显微镜；4.2 光学显微镜图4-1 透反两用显微镜系统光路图1.光源；2聚光镜；3滤光片；4聚光镜；5孔镜光栏；6第透镜；7视场光栏；8第二透镜；9半透半反射镜；10第三透镜；11物镜；12.补偿透镜；13转向棱镜；14双目棱镜；15目镜；16反射镜；17第四透镜；18.第五透镜；19孔径光栏；20.聚光镜组；21试样或标本切片；2

3、2暗场锥形反射镜；23暗场反射镜；24小透镜；25玻璃屏；26检偏镜；27起偏镜；27摄影门镜；29快门；30投影屏；31反射镜；32暗盒 岩相显微镜是在透射光下测定透明矿物的物理光学性质，以鉴定和研究物相的一种方法。 偏光是在光路中加入起偏振镜和检偏振镜构成的。自然光（灯光）通过偏振镜可变为偏振光，在偏光下可观察到透明矿物的物理光学性质，以作为鉴别矿物的依据。薄片的制作：将样品粘附在载玻璃片上，磨到0.03mm厚度，至透明，放在岩相显微镜观察。 4.2.1 岩相显微镜（偏光显微镜）()单偏光观察 在光路中仅插入下偏光镜(起偏镜)， 得到单偏光。 在单偏光下可观察到物相的形状、大小、数量、分布

4、、透明度、 颜色、 多色性及解理。 在单偏光下旋转样品、矿物颜色发生变化，称为多色性。 例如： 铬硅酸盐的多色性为 黄一绿一深绿， 锰橄榄石的多色性为 棕红 一 淡红 一 兰绿色。岩相显微镜鉴别分析物相的方法： ()正交偏光观察 在单偏光光路的基础上，加入上偏光镜(检偏镜)，即构成正交偏光光路，可对矿物的消光性，干涉色等光学性质进行测定。 偏光通过均质体矿物后， 振动方向不发生变化， 所以光不能 通过上偏光镜， 视场呈黑暗消光现象。 正交偏光镜的装置及光学特点 ()正交偏光观察 非均质体矿物因光学性质各向异性，旋转载物台一周，出现四 明四暗，即出现四次消光现象。 在正交偏光下观察到有四次消光现

5、 象的矿物，一定是非均质矿物。 非均质矿物在不发生消光的位置上发生另一种光学现象 干 涉现象。各种非均质矿物具有不同的干涉色，可作为鉴别矿物的标志。 正交偏光镜间光通过晶体切片的情况 (3)锥光观察 在正交偏光的基础上再加上聚光镜， 转入勃氏镜于光路中， 便 构成锥光系统 ，以便测定矿物的干涉图、轴性、光性正负等光学性质。 由于不同矿物的干涉图形不一样，可作为鉴定矿物的依据。 通过在单偏光、正交偏光、锥光下测定矿物的物理光学性质，对照已知矿物物理光学性质手册，可达到鉴定样品中物相的目的。 4.2.2 金相显微镜(反光显微镜)原理：利用经过聚焦的可见光照射到样品表面，依据样品表面上物相的光学性质

6、，对其进行定性和定量分析的一种方法。研究范围：观察、分析和研究金属及合金材料内部微观组织结构，确定金属及合金材料的宏观性质、性能与其微观组织形态的关系。应用：根据夹杂物的光学、力学及化学性质的不同，通过观察其在金属材料中的分布、形状、大小及数量，对夹杂物做出定性及半定量的结论。缺点：分辨率不高, 仅能观察金相组织中几十微米尺度的细节。优点：简单方便光片的制作：将试样粗磨、细磨、抛光后，在金相显微镜下观察。分类： 从光路形式看 正置式 倒置式 试样观察面向上放置，不易损伤试样观察面必须与底面平行，才能保证与物镜光轴垂直操作方便，实用于快速检验试样受高度、形状的限制照相时防震要求高试样观察面向下放

7、置，与载物台表面重合，易损伤试样观察面始终与物镜光轴垂直调换物镜不方便，操作不迅速，不实用于快速检验试样不受高度、形状的限制照相时防震性能要求不高 从外形看：台式、立式、卧式 从性能及用途看：初级型、中级型（明场、暗场、偏光）、 高级型 金相显微镜成像原理显微镜是经过二次成像的光学仪器，先经过物镜第一次放大，所成的像通过目镜再一次放大。图 金相显微镜成像原理示意图 金相显微镜的基本组成光学系统照明系统机械系统 照明系统中的几个主要附件及作用孔径光阑在光路系统中，靠近光源的光栏称孔径光阑，后一个成为视场光阑。孔径光阑可以控制入射光束的大小（数值孔径），对某些象差的大小（图像质量）有重要影响。缩小

8、孔径光阑可减少球差和轴外象差（近轴），加大景深和衬 度，使映像清晰；但会使物镜分辨能力降低。 孔径光阑对成像质量的影响孔径光阑 4 mm孔径光阑 12 mm视场光阑调节视场光阑大小可以改变视场的大小，但不影响物镜的分辨率。视场光阑越小，映像衬度愈佳。为了增加衬度可将视场光阑缩小到最低限度，即观察时调至与目镜内视域同样大小（相切），或比目镜稍大；摄影时调节至画面尺寸为限。视场光阑全开视场光阑半开视场光阑最小视场光阑对成像质量的影响滤色片作用：吸收光源发出的白色光中波长不符合需要的部分，从而得到一定波长的光线。目的： 增加映像衬度或者提高某种彩色组织的微细部分的鉴别能力； 校正残余象差； 得到较短

9、的单色光以提高分辨率。 明视场1、原理 入射光垂直地或近似垂直地照射在试样表面上，利用试 样表面反射光线进入物镜成像。如果试样是一个镜面，在视场内是明亮的一片，试样上的组织将呈色影像衬映在明亮的视场内，称之“明场”照明。在高倍观察时，采用平面玻璃作为垂直照明器。此时，光线可充满物镜的孔径角，使物镜的分辨能力得到最好的发挥。但由于光线透过平面玻璃损失较大，故映像衬度稍差。平面玻璃 明视场1、原理 入射光垂直地或近似垂直地照射在试样表面上，利用试 样表面反射光线进入物镜成像。如果试样是一个镜面，在视场内是明亮的一片，试样上的组织将呈色影像衬映在明亮的视场内，称之“明场”照明。在低倍观察时，采用全反

10、射棱镜作为垂直照明器。此时，物镜内只有一半充满光线，降低了物镜的数值孔径，使分辨能力减小。但成像的衬度高，富有立体感。全反射棱镜 暗视场1、原理 通过物镜的外周照明试样，照明光线不入射到物镜内，则可以得到试样表面绕射光而形成的象。如果试样是一个镜面，由试样反射的光线仍以极大的倾斜角反方向反射，不可能进入物镜，在视场内漆黑一片，只有试样中凹洼的地方才能有光线反射进入物镜，试样上的组织将以亮白影像映衬在漆黑的视场内，如同星星的夜空，称之为“暗场”照明。暗场照明光路图入射光以极大倾角射入样品表面入射光没有经过物镜2、特点在明场基础上增加两个附件（环形光阑、曲面反射镜）照明光束以极大倾角投射在样品表面

11、，物镜不是照明系统的组成部分视场内漆黑一片，能看到样品表面凹凸部分、样品透明物相或边界。暗场适用于观察平滑视野上细小的浮雕微粒，故常用于鉴定非金属夹杂物。优点 提高图像的衬度 提高物镜的鉴别能力 能观察到物相的透明度和真实颜色自然光和偏振光自然光：具有一切可能的振动方向，且各方向振动矢量的大小相等。偏振光：光矢量在一个固定平面内只沿一个固定方向作振动。偏振光的获得：尼科尔棱镜（偏振棱镜）和人造偏振片。正交偏光及消光现象： 两个偏光镜获得的偏振光振动方向互相垂直称为正交偏光。 在正交位置时，自然光不能通过，呈现完全黑暗的现象，称为消光现象。 偏振光1、偏光显微镜的基本结构特点：在明场基础上，插入

12、两个偏振片，其中：起偏镜位于孔径光阑之后，检偏镜位于目镜之前。载物台能沿机械中心在水平面内做360o旋转。起偏器：将自然光变为偏振光的器件检偏器：检验光线是否为偏振光的器件偏振光显微镜结构示意图调节起偏镜，达到视场最亮的位置调节插入的检偏器，达到视场最暗位置（正交位置）校正载物台中心位置样品制备：在偏振光下研究的金相磨面要光滑无痕，且要求样品表面无氧化皮及非晶质层存在，由于机械抛光很难达到要求，所以用于研究的试样多采用电解抛光或腐蚀抛光。2、使用调节方法及样品制备3、偏光显微镜的工作原理偏振光在金属磨面上的反射 a) 各向同性：不改变振动面，在正交偏振光下不能通过检偏镜（始终一片黑暗）。 b)

13、各向异性：反射光的振动面发生转动，部分光线能通过检偏镜。转动载物台一周，将会观察到四次明亮和四次黑暗。利用偏光原理，对某些物质所具有的偏光性质进行观察。区别各向同性和各向异性的物相各向同性：转动样品始终只能看到一片黑暗。各向异性：转动样品一周会观察到四次明暗变化。 4、偏光显微镜在金相分析中的应用在偏光下研究金相组织，一般只需偏光而不需浸蚀便可获得清晰、真实的图象。组织与晶粒的显示 各向异性金属的多晶体，其晶粒在正交偏光下可以看到不同亮度。亮度不同，表征晶粒位相的差别。具有相同亮度的两个晶粒，有相同的位向。亮度不同，位向也不同。多相合金的相分析两相合金中一相为各向同性，另一相为各向异性，极易由

14、偏振光鉴别。两相都属各向同性。利用选择性化学浸蚀。使其中一相备浸蚀后具有光学各相异性，而对另一相不发生浸蚀现象。各向同性不透明夹杂物： 正交偏振光下呈黑暗一片，转动载物台一周无明暗变化，如FeO夹杂各向异性不透明夹杂物： 转动一周，可看到四次明暗交替，如FeS夹杂非金属夹杂物的鉴别在正交偏振光下各类夹杂物有不同的反射规律：各向同性透明夹杂物： 可观察到与暗场相同的颜色（体色）。如MnO夹杂（绿色）各向异性透明夹杂物： 观察到体色和表色组成的色彩。如FeOTiO2，暗场下薄层时透明，呈玫瑰色或褐色；偏光下呈闪耀明亮的玫瑰红色。透明球形夹杂物： 显示透明度及色彩外，还可以看到黑十字效应及等色环。

15、如玻璃质SiO2、铁硅酸盐（2FeOSiO2)非金属夹杂物的鉴别在正交偏振光下各类夹杂物有不同的反射规律：范性变形、择优取向及晶粒位向测定 多晶体金属受外界条件的影响，范性变形后晶粒以一定位向排列起来，在同一金属磨面上有一致的光轴位向，在正交偏光下将产生类似于单晶体的偏振效果：或整个视域明亮，或整个视域黑暗。光片的浸蚀鉴定 用化学试剂浸蚀样品表面，不同试剂与不同矿物反应，则呈现不同颜色，一定时间后在明视场下观察，以鉴定矿物。 例如：用1%NH4Cl水溶液，20，浸蚀转炉炉渣光片8秒， C3S呈蓝色，C2S呈浅棕色，游离CaO呈彩色麻点面。4.3 X射线衍射分析 X射线照射到晶体上，和晶体发生相

16、互作用，产生一定的衍射花样，它可反映出晶体内部的原子分布规律。因此，X射线衍射分析是通过衍射现象来分析晶体的内部结构。 4.3.1 布拉格方程 布拉格方程描述了X射线在晶体上衍射的方向问题，即衍射几何的基本规律，如下式： 2dsin n 式中n：整数，称为反射级数； ：入射线或反射线与反射面的夹角，2称为衍射角。 ：x射线波长 d：一组平行原子的晶面间距 布拉格方程表明了X射线在晶体中产生衍射必须满足的基本条件，它反映了衍射线方向与晶体结构之间的关系。 4.3.2 X射线衍射物相分析 X射线物相分析的任务是：利用X射线衍射方法，对试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物进行定性和定量分析，其

17、结果不是试样的化学成分，而是由各种元素形成的具有固定结构的化合物的组成和含量。 (1)原理 任何一种晶体物质（包括单质元素、固溶体和化合物）都有其对应的特定衍射花样，可根据衍射花样来鉴别晶体物质。 因为由衍射花样上各线条的角度位置所确定的晶面间距d，以及它们的相对强度II1，是物质的固有特性，所以一旦未知物质衍射花样的d值和II1 ，与已知物质PDF卡片相符，便可确定被测物的相组成。 图 4-5 晶体衍射图谱 图4-6 非晶体衍射图谱(2)PDF卡片 自1942年,“美国材料试验协会”出版了衍射数据卡片，称为ASTM卡片。1969年成立了“粉末衍射标准联合会”,由它负责编辑出版了粉末衍射卡片,

18、简称PDF卡片。用这些卡片，作为被测试样dI数据组的对比依据, 从而鉴定出试样中存在的物相。PDF卡片如下图4-7所示 (4)定性分析方法 1) 用照相法或衍射仪法获得衍射花样。 2）计算各衍射线对应的晶面间距d值，记录各线条的相对强 度，按d值顺序列成表格。 3）当已知被测样品的主要化学成分时，在包含主元素的 各物质中找出三强线符合的卡片号，取出卡片，核对全 部衍射线，一旦符合，便可定性。 4）检索PDF卡片可以用人工检索，也可以用计算机自动检 索。 4.4 电子显微分析 4.4.1扫描电子显微镜（微区成分分析） 扫描电镜是一种多分析功能的组合型仪器。它借助于扫描装置提供的细聚焦电子束，不但

19、可以使样品被辐照的区域直径小于0.1m，而且，可以扫描成像方式获得图像。这样在获得样品表面形貌放大像后，能同时进行指定微区的化学成分分析。 (1)微区成分分析原理 当具有足够能量的细电子束轰击试样表面时，由于电子和物质的相互作用，试样中原子被电离。当外层电子向内层轨道跃迁时，原子能量降低，所降低的能量有可能以X射线的形式辐射出来。 每一种元素都有它自己特定波长的X射线，叫特征X射线或标识X射线。根据特征X射线的波长和强度，就能得出微区化学成分定性及定量分析的结果。 扫描电镜分析样品的微区化学成分时，需要配备X光能谱仪或波谱仪。谱仪是把不同波长（或能量）的X射线分开的装置。 (2) 能谱仪 能谱

20、仪可同时接收样品中所有元素发出的特征射线, 然后对样品成分进行定性定量分析。 能谱仪可以在一次实验中同时测定试样中所有元素的X光量子，几分钟内就可以得到分析的结果。 而能谱仪的Si(Li)探测器的铍窗口限制了超轻元素X光的测量，只能分析原子序数在11(Na)以上的元素。 (3)波谱仪 波谱仪只能一个元素一个元素地测定波长，所以做一个全分析要几个小时。但是，波谱仪可以测量 4 Be92 U之间的所有元素。 4.4.2 透射电镜 透射电镜主要包括电子光学系统、真空系统和电器系统三部分。由电子枪发出的电子束经过会聚透镜后，形成电子光源照射在试样上。试样放在照明系统和成像透镜之间。电子穿过试样后经物镜成像，再经中间镜和投影镜进一步放大，最后在荧光屏上得到电子显微像。 （1）样品的制备方法 透射电镜的应用一定程度上取决于试样的制备技术。一般透射电镜的试样置于23mm的铜网上，试样厚度在100nm左右。 粉末试样的制备 先在铜网上制备一层支持膜，如，火棉胶膜、碳膜等。然后，将粉末试样与蒸馏水混成悬浮液滴到支持膜上，再用滤纸