1、材料分析测试方法,材料物理与化学系 卢正欣 E-mail： 教学邮箱：,绪 论 一. 材料分析测试的地位与作用,不同材料具有各自不同的使用性能 材料的宏观性能是由其微观组织、结构、成分所决定 以304不锈钢为例：结构：面心立方（fcc）组织：单相奥氏体成分：18%Cr-8%Ni,优良的耐蚀性,材料分析测试方法,材料分析测试的地位与作用,Compositions 成分,Structure 结构,Processes 制备,Properties Performance 性能,材料分析测试方法,二. 材料分析测试方法,显微组织分析 化学成分分析 晶体结构分析,材料分析测试方法,OM、SEM、 TEM
2、、 SPM,化学分析、光谱、能谱、波谱,X射线衍射、电子衍射,三. 本课程内容,X射线衍射分析 电子显微分析 其它现代分析方法XPS、AES、SPM等,材料分析测试方法,1. X射线衍射分析,定义利用X射线在晶体中的衍射现象对材料的结构（物相）进行定性、定量分析，并对与材料结构相关的晶体学参数（晶格参数、晶体取向、晶体缺陷等）进行分析测定的方法。 分析仪器X射线晶体分析仪、X射线衍射仪、X射线应力仪,材料分析测试方法,X射线晶体分析仪,单晶定向 缺陷检验 物质定性 点阵常数测定 残余应力测定,材料分析测试方法,X射线衍射仪,物相定性 物相定量 结晶度、晶粒尺寸测定 织构测定 点阵参数测定 残余
3、应力,材料分析测试方法,X射线应力仪,残余应力测定,材料分析测试方法,2. 电子显微分析,电子显微分析定义以高能电子束作为照明源，利用电子束与样品物质交互作用产生的物理信息，进行材料组织、结构和成分分析的方法。 电子显微分析仪器透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱仪、电子能量损失谱仪等。,材料分析测试方法,透射电子显微镜,材料分析测试方法,分辨率： 0.10.2nm 放大倍数：0.4150万倍 主要功能：材料微观组织形貌观察、晶体缺陷分析、晶体特征参量测定、物相分析等,扫描电子显微镜,分辨率： 1nm 放大倍数：1020万倍 主要功能：材料表面形貌观察、断口分析等,材料分析测
4、试方法,电子探针,材料分析测试方法,分辨率： 1nm 元素范围： Z = 4 92 主要功能：材料微区化学成分分析,俄歇电子能谱,材料分析测试方法,分辨率： 1nm 元素范围：Z 3 主要功能：材料浅表面微区化学成分分析,3. 其它现代分析测试方法,X射线光电子能谱二次离子质谱扫描探针显微镜,材料分析测试方法,四. 课程特点与要求,理论性与实践性强 涉及物理学、晶体学、电子光学、量子力学等理论，概念抽象。 需要实验密切支撑 要求 掌握各种分析方法的基本原理、特点与应用 能够针对分析测试要求选择适当的测试方法，涉及测试方案，并能对基本的测试结果进行分析解释。,材料分析测试方法,五. 教学安排,总
5、学时：48学时其中课堂教学42学时，实验6学时 主讲教师： 卢正欣（X射线衍射分析） 雷 黎（电子显微分析） 授课方式：传统+多媒体 成绩考核：作业、考勤、笔记、实验、闭卷考试,材料分析测试方法,六. 相关后续课程,材料分析测试课程设计学时：1周 指导教师：现代分析测试中心全体教师 无损检测 失效分析 现代材料分析技术 波谱分析 仪器分析,材料分析测试方法,第一章 X射线物理基础,X射线的性质 X射线的产生及X射线谱 X射线与物质的相互作用,材料分析测试方法,1.1 引言,X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志
6、着现代物理学的产生。,材料分析测试方法,发现X射线,1894年11月8日，伦琴（Wilhelm Rntgen ，徳）在研究阴极射线管的高压放电现象时，发现了能使荧光物质发光的 一种新射线。 1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。,材料分析测试方法,X射线的性质,X射线的主要特征： 肉眼不可见 具有与可见光类似的性质（沿直线传播、使胶片感光、使荧光物质发光） 具有自身的特点（很高的穿透能力、可被物质吸收和减弱、可使空气电离、对生物细胞有杀伤作用等）,材料分析测试方法,贡献,几个月后，被用于医学诊断，后来又用于金属材料和机械零件的探伤。 1901年获第一次诺贝尔物理学奖。 1
7、912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性。 1912年11月，布拉格提出著名的布拉格方程，成功解释劳厄的实验。,材料分析测试方法,图为2001年3月27日，在澳大利亚悉尼大学，一名工作人员在审视手中的X射线照片。,材料分析测试方法,不锈钢焊缝X射线探伤,材料分析测试方法,1.2 X射线的本质,一、X射线的本质 X射线与可见光、紫外线、宇宙射线一样也是电磁波的一种，具有波粒二象性，波长在108cm左右，与晶格常数为同一数量级。,材料分析测试方法,二、电磁波谱,X射线的波长在10 -6 10 -10 cm 之间，在电磁波谱中与紫外线和射线相搭接。,
8、材料分析测试方法,二、电磁波谱,软X射线：波长较长，用于医学透视硬X射线：波长较短，用于材料分析,材料分析测试方法,三、X射线的波粒二象性,波动性：X射线以一定的波长和频率在空间传播，反映了物质运动的连续性。粒子性：X射线以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，反映了物质运动的分立性。越小，p和越大，X射线穿透能力越强。,材料分析测试方法,波粒二象性的表现：波粒二象性是X射线的客观属性，在一定条件下，可能只有某一方面的属性表现得比较明显，而当条件改变时，另一方面的属性表现得比较明显。例如，当X射线在空间传播过程中发生干涉、衍射现象，就突出地表现出它的波动性；而在与物质相互作用交换能量
9、时，就突出地表现出它的粒子性。,材料分析测试方法,1.3 X射线的产生及X射线管,一、X射线产生的基本条件 X射线是由高速运动着的带电粒子（电子）与某种物质撞击突然被阻止时，伴随电子动能的消失或转化而产生的。,材料分析测试方法,产生自由电子,热阴极,使电子作定向高速运动,加速电场,阳极(靶),在电子运动路径上设置障碍物,基本条件：,二、X射线管,1、X射线管即X射线的发生装置，是有阴阳极的真空封闭管。,材料分析测试方法,2、X射线管的结构：,材料分析测试方法,X射线管结构示意图,材料分析测试方法,电子,X射线,灯丝变压器,高压变压器,灯丝,靶,窗口,阴极（灯丝）：钨丝制成，通电加热后热辐射电子
10、 阳极（靶）：金属制成，使电子突然减速发射X射线 窗口：金属铍制成，是X射线射出的通道，要求既要由足够的强度维持高真空，又要对X射线吸收小。通常由四个或两个窗口。,材料分析测试方法,3、X射线管工作原理,材料分析测试方法,灯丝变压器,高压变压器,灯丝,靶,窗口,X射线,4、X射线管的焦点,焦点是阳极靶表面被电子束轰击的一块面积，X射线从该面积发出。焦点的形状和尺寸是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝形状，螺线形灯丝产生矩形焦点。为提高X射线衍射的分辨本领，要求焦点小、强度高。,材料分析测试方法,缩小焦点途径在与靶面成一定角度位置接受X射线。,1.4 X射线谱,X射线谱：用适当的方法测
11、量X射线管发出的X射线的波长和强度，在强度波长坐标上得到X射线强度随波长的变化曲线即X射线谱。连续X射线谱特征（标识）X射线谱,材料分析测试方法,两类,一、连续 X射线谱,材料分析测试方法,1. 定义 在一定的管电压（如20KV）以下，X射线强度随波长连续变化，称这种谱线为连续X射线谱，即连续谱。,2. 连续谱的特点,材料分析测试方法,在短波方向上有短波限0 每条谱线都有一个强度最大值，最大值出现在1.50处 随管电压增大，强度相应增高，谱线的短波限和强度最大值均相短波方向移动。,3. 分析解释,材料分析测试方法,X射线光子的产生量子力学概念，当能量为eV的电子与靶原子碰撞时，电子失去能量，其
12、中一部分以光子形式辐射出去。每碰撞一次，产生一个能量为h的光子，即“韧致辐射”。 连续谱的形成大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。,关于短波限,极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一次把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量并具有最短波长，即短波限（0 ）短波限只与管电压有关，并随管电压增大而减小,材料分析测试方法,关于强度最大值,X射线的强度定义为单位时间内通垂直于传播方向的单位截面的能量大小，即通过单位面积的光量子流率，取决于光子能量h和光子数目n。强度最大值不出现在光子能量最大值0处，而是大约1.5 0处,材料分析
13、测试方法,X射线的总强度,连续X射线谱线下的面积表示连续X射线的总强度Ig，即阳极靶发射出的X射线的总能量：经验公式：i管电流，V管电压，Z阳极靶原子序数，k，m常数 m 2，k (1.11.4) 10-9,材料分析测试方法,X射线管的效率,对于W靶，Z=74，当V=100kV时，1%其余能量在靶上转化为热能。,材料分析测试方法,二、特征 X射线谱,1. 定义： 在连续X射线谱的基础上产生。当管电压继续升高，大于某个临界值时，在连续谱线的某个波长处出现强度峰，成为特征X射线。将这一临界电压称为激发电压。,材料分析测试方法,2. 特点,在连续谱上出现特征谱线，常见K，K两条。 靶材一定，随管电压
14、增高，只是强度相应增加，但特征谱线的位置（波长）不变由此称为标识谱。,材料分析测试方法,3. 分析解释特征X射线的产生,特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。,材料分析测试方法,3. 分析解释特征X射线的产生,阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。 产生K激发
15、的能量为WKhK，阴极电子的能量必须大于等于Wk。,材料分析测试方法,3. 分析解释特征X射线的产生,处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。 当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即,材料分析测试方法,3. 分析解释特征X射线的产生,材料分析测试方法,3. 分析解释特征X射线的命名,材料分析测试方法,同样当K空位被M层电子填充时，则
16、产生K辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个K光子的能量大于一个K光子的能量； 但因LK层跃迁的几率比MK迁附几率大，故K辐射强度比K辐射强度大五倍左右。 显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。,3. 分析解释临界激发电压,产生特征辐射前提是将内层电子轰击出来，即要求阴极射来的电子的动能必须大于等于该内层电子与原子核的结合能电离。 eVWKhK，才能产生K激发。其
17、临界值为eVKWK ，VK称之临界激发电压。,材料分析测试方法,特征X射线的波长只取决于靶材物质,波长与靶材原子序数关系莫塞莱定律根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据,材料分析测试方法,1.5 X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的复杂过程，但从能量转换来看，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来方向传播。,材料分析测试方法,一、X射线的散射,X射线散射沿一定方向运动的X射线光子流与物质的电子相互碰撞后，向周
18、围发散开来的过程。相干散射（弹性散射）非相干散射（非弹性散射）,材料分析测试方法,两类,1.相干散射,当X射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线频率相同。 任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子振动频率相同。 由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称相干散射。 相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。,材料分析测试方法,2. 非相干散射,X射线与物质原子中受束缚弱的电子碰撞时（如外层电子），可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象非相干散射。 由于非弹性散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。,材料分析测试方法,非相干散射机理,入射X射线遇到约束弱的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射X射线的波长（）比入射x射线的波长（）长，其差值与散射度之间存在如下关系：,材料分析测试方法,小结,材料分析测试方法,
