材料測試方法第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一緒論材料的組織結(jié)構(gòu)與性能材料組織結(jié)構(gòu)的影響因素傳統(tǒng)的材料組織與成份測試方法現(xiàn)代的材料測試分析手段本課程內(nèi)容及要求第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一一、材料的組織結(jié)構(gòu)與性能材料科學(xué)的四大要素材料科學(xué)——研究材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、合成加工、使用性能之間關(guān)系的科學(xué)性能是研究工作的出發(fā)點和目標(biāo)化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)是影響性能的直接因素合成加工通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響性能第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一二、材料組織結(jié)構(gòu)的影響因素顯微化學(xué)成分（不同相成分，基體與析出相成分，偏析等）晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（fcc，bcc，位錯，層錯等）晶粒大小與形態(tài)（等軸晶，柱狀晶，枝晶等）相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量與分布（球、片、棒，沿晶界聚集或均勻分布）界面狀態(tài)（表面、相界與晶界）位相關(guān)系（貫習(xí)面、孿生面、滑移面）夾雜物（類型、形態(tài)、分布）內(nèi)應(yīng)力（噴丸表面、焊縫熱影響區(qū)、組織應(yīng)力）分析手段？第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一三、傳統(tǒng)的材料組織與成份測試方法光學(xué)顯微鏡能直觀地觀察樣品表面形態(tài)的工具（晶粒大小和形狀，珠光體或馬氏體，鑄態(tài)組織，…）分辨率低（>200nm），放大倍數(shù)低（<1000倍）

（用于低倍組織形態(tài)觀察）只能觀察到表面形貌變化無法獲得材料成分的信息第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一化學(xué)分析——濕法化學(xué)分析只能測定試樣的平均成分——無法微區(qū)分析測量精度較低——誤差較大無法測量元素分布情況——信息量很少鋼中夾雜物第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一四、現(xiàn)代的材料測試分析手段X射線衍射分析(XRD，X-rayDiffraction)利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象進(jìn)行材料分析的方法使用的手段——X射線衍射儀用途：可以分析晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、物相定性分析、物相定量分析、殘余應(yīng)力分析、晶體取向、織構(gòu)分析第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一電子顯微分析利用高能電子束作光源，磁場作透鏡的一種高分辨率材料分析方法透射電鏡（TEM），掃描電鏡（SEM），電子探針（EPMA）用途：高分辨成像、微區(qū)成分、微區(qū)晶體SMn電子探針分析第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一五、本課程內(nèi)容及要求X射線衍射分析X射線的性質(zhì)X射線衍射方向X射線衍射強(qiáng)度多晶體分析方法X射線物相分析宏觀應(yīng)力測定

電子顯微分析電子光學(xué)基礎(chǔ)透射電子顯微鏡復(fù)型技術(shù)電子衍射掃描電子顯微鏡電子探針顯微分析第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一學(xué)時安排56學(xué)時X射線衍射分析部分緒論+第一章至第六章28學(xué)時其中課堂教學(xué)24學(xué)時，實驗4學(xué)時電子顯微分析部分第七章至第十三章28學(xué)時其中課堂教學(xué)22學(xué)時，實驗4學(xué)時考試2學(xué)時第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

教材材料分析測試技術(shù)周玉武高輝哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2006年第7次印刷特點內(nèi)容詳實，編排合理附有習(xí)題，實驗指導(dǎo)書提供充足數(shù)據(jù)第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一主要參考書第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一學(xué)習(xí)要求1、課中注意聽講，可以不做筆記（提供電子教案）2、課后認(rèn)真復(fù)習(xí)，階段性測驗（作為平時成績）3、答疑安排：新科研樓607#（時間待定）4、課堂考勤，課堂紀(jì)律第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一任課教師辦公室：新科研樓607#電話：89733871轉(zhuǎn)801Email：cmeelin@第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一第一章X射線的性質(zhì)§1-1引言（X射線的發(fā)展史）1895年倫琴發(fā)現(xiàn)用高速電子沖擊固體時，有一種新射線從固體上發(fā)出來。它具有很強(qiáng)的穿透能力，能使照片感光，空氣電離。陰級陽級+-第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1896年，用于醫(yī)學(xué)骨折診斷1897年，初步搞清了X射線產(chǎn)生、傳播、穿透力等特性，開始形成X射線透射學(xué)1901年，倫琴成為首位諾貝爾獎獲得者第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1912年，勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線晶體衍射現(xiàn)象，證實了X射線具有波動性和晶體具有結(jié)構(gòu)周期性，奠定了X射線衍射學(xué)的基礎(chǔ)晶體crystal勞厄斑Lauespots晶體的三維光柵第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1912年英國布喇格父子（W.H.bragg.WLBragg)建立了一個公式--布喇格公式。不但能解釋勞厄斑點，而且能用于對晶體結(jié)構(gòu)的研究。第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1914年，莫塞萊發(fā)現(xiàn)了特征X射線與元素的相關(guān)性，建立了X射線光譜學(xué)1916年，德拜發(fā)明了X射線粉末照相法1928年，蓋革發(fā)明了X射線探測計數(shù)器1938年，哈那瓦特建立了物相分析方法1943年，富里德曼發(fā)明了X射線衍射儀1970‘s，計算機(jī)技術(shù)與XRD相結(jié)合實現(xiàn)了物相分析的全自動化

X射線的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用使人們對晶體的認(rèn)識從光學(xué)顯微鏡的微米數(shù)量級深入到納米數(shù)量級，對金屬的特性才有了更加接近本質(zhì)的認(rèn)識。第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一§1-2X射線的本質(zhì)X射線的特點

1、肉眼不可見

2、具有很強(qiáng)的穿透性

3、可使照相底片感光

4、可使熒光物質(zhì)發(fā)光

5、可使空氣電離

6、對生物細(xì)胞有殺傷作用

7、電磁場不能使其偏轉(zhuǎn)

8、可通過晶體產(chǎn)生衍射第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一X射線的本質(zhì)是波長為10-8cm左右的電磁波，波長介于γ射線和紫外線波長之間，與晶體的晶格常數(shù)為同一數(shù)量級。電磁波譜第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一X射線的性質(zhì)

1、波動性——可以電磁波的形式在空間傳播，具有光的干涉和衍射效應(yīng)特征參量：頻率ν波長λ

λ=c/ν第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一2、粒子性——可看作由大量不連續(xù)的粒子（光子）流組成，具有粒子相互碰撞時的能量交換效應(yīng)特征參量：能量ε動量ρε=c×ρ第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

強(qiáng)調(diào)一定條件下，只能以一種屬性為主兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換愛因斯坦關(guān)系ε=hν=hc/λρ=h/λh=6.625x10-34(JS)

由于X射線波長遠(yuǎn)小于可見光波長，故其能量遠(yuǎn)大于可見光，表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透性第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

描述X射線強(qiáng)弱的參量強(qiáng)度（Intensity）I——單位時間內(nèi)通過單位截面積上的能量（J/m2S）波動性描述I∝︱A︱2（正比于波振幅A的平方）粒子性描述I=nhν（正比于光子的數(shù)量和能量)絕對強(qiáng)度，J/m2S相對強(qiáng)度，無量綱第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一§1-3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生機(jī)理粒子（帶電或不帶電）作高速運(yùn)動→撞擊到障礙物質(zhì)的電子→猝然減速→入射粒子以釋放電磁波的形式進(jìn)行能量交換→X射線

陰級陽級+-第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一X射線發(fā)生器（X光管）的構(gòu)造第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一陰極（燈絲）——產(chǎn)生熱電子；由鎢絲制成，通過電流加熱可釋放出熱輻射電子陽極（靶）——使高速電子突然減速并在此發(fā)射X射線，靶材（Z）主要有Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Mo，Ag，W等類型鈹窗口——為X射線射出提供通道，要求對X射線的通過阻力要小，還要有足夠的強(qiáng)度維持管內(nèi)的高真空，一般采用金屬Be材料第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一聚焦罩——避免熱電子束在加速過程中發(fā)散，與燈絲保持有100-400V的負(fù)電位差冷卻套

——防止陽極靶的熔化，電子束轟擊陽極靶時只有1%的能量轉(zhuǎn)化為X射線能量，其余99%都轉(zhuǎn)為熱能，必須用冷卻水使其降溫第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一電子束X射線高功率旋轉(zhuǎn)陽極——無需水冷第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一X光管電路參數(shù)管電壓V（陽極電壓），作用在陰極和陽極之間，10-50千伏，使熱電子獲得很大動能管電流

i，陰極回路中的電流，幾毫安-幾十毫安晶閘管第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一§1-4X射線譜

選定某一X光管Z，施加一定管電壓V，測量相應(yīng)X射線的波長λ和相對強(qiáng)度I，由此得到X射線的I-λ關(guān)系曲線稱為X射線譜第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

規(guī)律1

隨著管電壓增加，連續(xù)輻射包含的曲線面積不斷增大，最小波長λ0不斷向短波方向發(fā)展第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

規(guī)律2

當(dāng)管電壓V大于某個臨界值VK時，在某幾個波長λ特處出現(xiàn)了窄而尖銳的強(qiáng)度峰——特征譜第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

規(guī)律3

隨著管電壓繼續(xù)增加，強(qiáng)度峰的幅度不斷增大，但λ特并沒變化第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一為簡化分析X射線譜可視為兩部分組成，即連續(xù)譜和特征譜特征譜連續(xù)譜X射線譜第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一一、連續(xù)X射線譜短波限λ0

——連續(xù)譜中最短的波長值峰值波長λm——連續(xù)譜中最大強(qiáng)度對應(yīng)的波長值λm≈1.5λ0最大波長λ∞——連續(xù)譜中強(qiáng)度衰減至零時的波長值連續(xù)譜中波長的變化范圍是λ0

至λ∞

，連續(xù)X射線又稱為白色X射線λ0λmλ∞I第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)譜的積分強(qiáng)度為式中α和mi都是常數(shù)，α=(1.1～1.4)x10-9,mi≈2z為原子序數(shù)，i是管電流，V是管電壓連續(xù)譜強(qiáng)度與原子序數(shù)，管電流和管電壓的平方成正比V↑→I連續(xù)↑第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

特別關(guān)注為什么λ0到λ∞之間波長會連續(xù)變化（為何會存在任意波長的X射線）？λ0的形成原因（為什么不會有小于λ0的波長存在）？λ0與哪些因素有關(guān)？第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

解釋高速電子能量=eV；X光子能量=hc/λ碰撞時發(fā)生能量轉(zhuǎn)換→eV=hc/λ+E損耗碰撞狀態(tài)千差萬別→E損耗可為任意值→λ可取任意值極端情況下，E損耗=0，hc/λ達(dá)到極大值→λ達(dá)到極小值λ0

=12.4/V

（僅與V有關(guān)）第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

思考短波限λ0處的X光子能量最大，但為何強(qiáng)度卻很小？第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一二、特征X射線譜特征X射線——波長僅與靶的原子序數(shù)有關(guān)，而與管電壓無關(guān)的X射線（又稱為標(biāo)識X射線或特征輻射）特別關(guān)注λ特為何不隨V的變化而變化？為何只有V≥VK時才有特征輻射？λ特I第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一特征X射線產(chǎn)生機(jī)理 入射電子引起K層電離（K激發(fā)）+二次電子L層電子向K層躍遷（L躍遷）能量差以X光子形式釋放（Kα輻射）ΔEL→K=hc/λλ=hc/ΔEL→K=λKαλKα僅取決于靶的原子能級結(jié)構(gòu)（Z，K和L），而與其它因素?zé)o關(guān)λ特為何不隨V的變化而變化？第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一只有入射電子的能量（eV）≥原子第K層逸出功（WK）時才能形成K激發(fā)態(tài)

eVK=WK

VK——原子的K層臨界激發(fā)電壓同理就有VL、VM、VN…越接近原子核內(nèi)層，臨界激發(fā)電壓也越高

VK＞VL

＞VM…

（多種特征輻射可能同時存在）陽極靶Z越大，所需臨界激發(fā)電壓Vk也越高

VMo(42)＞VCu(29)

＞VCr(24)…為何只有V≥VK時才有特征輻射？第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一特征輻射的命名K系輻射K激發(fā)，L躍遷引起的輻射→Kα輻射K激發(fā)，M躍遷引起的輻射→Kβ輻射…L系輻射L激發(fā)，M躍遷引起的輻射→Lα輻射L激發(fā)，N躍遷引起的輻射→Lβ輻射……第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一思考:1、Kα和Kβ哪個波長大?能量大?強(qiáng)度大?2、Kα和Lα哪個波長大?能量大?第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一精細(xì)輻射（由亞電子層躍遷產(chǎn)生的輻射）K激發(fā)，LⅢ躍遷引起的輻射→Kα１輻射K激發(fā)，LⅡ躍遷引起的輻射→Kα２輻射由于量子效應(yīng)的緣故不存在LⅠ躍遷，故沒有Kα３輻射Kα輻射由Kα1和Kα2

合成得到第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一特征輻射強(qiáng)度I特征=c·i

(V-V臨界)n式中c,n材料常數(shù),i為管電流,V臨界=

VK、VL…V↑→I特征↑但V↑→I連續(xù)↑（背底↑）V工作=（3～5）V臨界

第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一陽極靶元素原子序數(shù)ZK系特征譜波長（埃）V（KV）≈(3-5)VKKα1波長Kα2波長Kα＊波長Kβ波長Cr242.2897002.2930602.2910002.08487020—25Fe261.9360421.9399801.9373551.75661025—30Co271.7889651.7928501.7902621.62079030Ni281.6579101.6617471.6591891.50013530—35Cu291.5405421.5443901.5418381.39221835—40Mo420.7093000.7135900.7107300.63228850—55幾種陽極靶的特征輻射參數(shù)思考：Z越大相應(yīng)的特征波長越短，這說明了什么？第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一莫塞萊定律特征輻射波長僅取決于靶材物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，而與其它外界因素?zé)o關(guān)Ｋ——與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)σ——與電子所在殼層有關(guān)的常數(shù)ν——特征輻射的頻率應(yīng)用思路設(shè)法使未知物質(zhì)產(chǎn)生特征輻射→測出波長值→算出原子序數(shù)Ｚ

——X光譜測量第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一§1-5X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)作用→散射、吸收和透射三種效應(yīng)從能量轉(zhuǎn)換角度E入射

=E散射+E吸收+E透射入射物質(zhì)散射吸收透射吸收第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一一、X射線的散射物質(zhì)對X射線的散射主要是電子與X光子相互作用的結(jié)果物質(zhì)中的電子可分為兩類被原子核緊緊束縛→相干散射被原子核松散束縛→非相干散射第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1、相干散射作用機(jī)理

X光子迫使電子在原位作受迫振動（電磁波源）,同時向空間輻射出與入射X射線相同波長的電磁波——散射波電動力學(xué)Thomson公式2θI0I

e第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一規(guī)律在各方向上散射波的強(qiáng)度是不同的，2θ=0處最強(qiáng)，2θ=90處最弱散射波強(qiáng)度與入射波波長無關(guān)在R=1cm處，散射波的強(qiáng)度僅為入射波的10-26不同電子的散射波可滿足相干條件（振動方向相同，頻率相同，位向差恒定）——相干散射相干散射是X射線衍射分析的基礎(chǔ)2θI0I

e第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一2、非相干散射X光子將電子撞離運(yùn)行方向使其成為反沖電子，剩余能量將引起散射線波長增大——量子散射（康普頓散射,康-吳效應(yīng)）波長增量為Δλ=0.0024(1-cos2θ)Δλ只與散射角2θ有關(guān)量子散射的波長各不同，位向差也不定，不符合干涉條件——非相干散射入射線波長越短，被照物質(zhì)元素越輕，非相干散射越顯著第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一二、X射線的吸收1、X射線的吸收與吸收系數(shù)

X射線的吸收=入射X射線被轉(zhuǎn)變成其它形式的能量如熱、熒光輻射、俄歇效應(yīng)‥‥

吸收將導(dǎo)致入射X射線強(qiáng)度衰減，其衰減規(guī)律為：I0μl較小μl較大μl——線吸收系數(shù)第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

μl——線吸收系數(shù)(量綱cm-1)

μl反映了物質(zhì)在單位長度上被衰減的程度，其值與元素序數(shù)Z，入射線波長λ，物質(zhì)密度ρ有關(guān)例如，H2O在固、液、氣態(tài)時的μl均不同第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一定義質(zhì)量吸收系數(shù)

μm=μl/ρ物理意義單位重量物質(zhì)對X射線的衰減量均勻物質(zhì)

μm≈kλ3Z3（經(jīng)驗關(guān)系）混合物

μm=W1(μm1/ρ1)+W2(μm2/ρ2)+…

式中WI為i物質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

μm1為i物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)

ρ1為i物質(zhì)的密度第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一μm≈kλ3Z3結(jié)果表明：

Z越大，物質(zhì)的吸收能力越強(qiáng)

Be(4)窗口、Pb(82)玻璃

λ越短，X射線的穿透力越強(qiáng)

醫(yī)用軟X射線

μm與λ的關(guān)系不是單調(diào)變化的

X射線過濾片Z一定時第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一2、二次特征輻射二次電子Kα

：入射電子→被照物質(zhì)→K激發(fā)→L躍遷→Kα同理：入射光子→被照物質(zhì)→K激發(fā)→L躍遷→輻射？

→二次電子？從能量角度ΔEL→K=hc/λ

λ=hc/ΔEL→K特征輻射

第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一定義由X射線激發(fā)的特征輻射→二次特征輻射（熒光輻射）由X射線激發(fā)產(chǎn)生的二次電子→光電子

X光子激發(fā)原子所發(fā)生的熒光輻射+光電子→光電效應(yīng)注意：熒光輻射可以用于物質(zhì)光譜分析熒光輻射能降低衍射分析的靈敏度產(chǎn)生熒光輻射就意味著入射X射線被吸收第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)生熒光輻射的條件入射光子的能量≥原子的臨界激發(fā)功WK即hc/λ≥eVk亦即λ≤hc/eVk=1.24/Vk=λk產(chǎn)生K系熒光輻射的條件是λ≤λkλk——物質(zhì)的K系激發(fā)限能產(chǎn)生K系熒光輻射的最大入射波長同理會有，λL、λM…第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一思考1：

λk=1.24/Vk

（nm）

λ0=1.24/V（nm）兩者形式相同，意義有何不同？λk——使物質(zhì)產(chǎn)生K系熒光輻射所需的臨界波長值，是物質(zhì)的固有屬性；λ0——加速電壓能產(chǎn)生的最短X射線波長值,是

電磁波的屬性，與物質(zhì)本身無關(guān)。第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一思考2：Cu的Kα輻射能否激發(fā)Cu的Kβ二次輻射？∵Cu的λKα=1.541838nm,λKβ=1.392218nm∴結(jié)論是“不行！”CuCuKαKβ?第64頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一μm-λ曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因λ入射↓（ε↑）→μm↓；當(dāng)ε=Wk時→光電效應(yīng)→吸收↑→μm↑↑；當(dāng)ε繼續(xù)↑→光電飽和→μm↓

(多余能量穿過吸收體)K系輻射的最大吸收在ε=Wk處（λ=

λK）λK——物質(zhì)的K系吸收限同理會有，λL、λM…第65頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一3、俄歇效應(yīng)（Auger，1925年）仿照入射光子→被照物質(zhì)→K激發(fā)→L躍遷→二次Kα那么入射光子→被照物質(zhì)→K激發(fā)→L躍遷→逸出電子逸出電子的能量ΔE=E