材料分析方法 第3版( 周玉) 出版社配套PPT课件 第1章 机械工业出版社.ppt
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材料分析方法 第3版 教学课件 ppt 作者 周玉 部分课后习题答案 部分课后习题答案
第一章X射线物理学基础2、若X射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A。
4、为使Cu靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。
答：因X光管是Cu靶，故选择Ni为滤片材料。
查表得：μmα＝49.03cm2／g，μmβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴当χ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，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种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，故称为相干散射。
⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K电子，当外层电子来填充K空位时，将向外辐射K系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K电子从无穷远移至K层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K系的吸收限。
第1章绪论材料分析方法哈工大
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
绪论
2. 化学分析
给出平均成分，可以达到很高的精度； 实际上，材料中的成分分布存在不均匀性，
导致微观组织结构的不均匀性， 进而造成材料微观区域性能的不均匀性， 对材料的宏观性能产生影响。
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
28
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响 29
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
绪论
2. 化学分析
给出平均成分，可以达到很高的精度； 实际上，材料中的成分分布存在不均匀性，
导致微观组织结构的不均匀性， 进而造成材料微观区域性能的不均匀性， 对材料的宏观性能产生影响。
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响 29
材料分析方法绪论课件
拉曼光谱分析
原理
拉曼光谱分析是一种利用拉曼散射效应测量样品对入射光的散射强度和波长，从而得到样品分子结构 和组成信息的方法。
应用
拉曼光谱分析广泛应用于化学、材料科学、生物学等多个领域，可以确定样品中分子的官能团、化学 键等信息。
核磁共振波谱分析
原理
核磁共振波谱分析是一种利用核磁共振 现象测量样品中原子核的磁矩和相互作 用信息的方法。在磁场中，样品中的原 子核发生自旋并产生磁矩，通过测量原 子核的共振频率和裂分形状，可以获得 样品的分子结构和组成信息。
物理和化学领域的研究中 ，材料分析方法可用于研 究物质的性质、反应机理 和制备工艺等。
生物学和医学领域
在生物学和医学领域，材 料分析方法可用于研究生 物分子的结构和功能，以 及药物的制备和筛选等。
工业生产中的应用
制造业
材料分析方法在制造业中有着广 泛的应用，如钢铁、陶瓷、塑料 等材料的生产和加工过程中，需 要使用材料分析方法对材料进行
原子结构分析
原子能级测量
运用光谱学方法测量原子能级，了解原子光谱线和光谱项的归属 。
原子壳层结构分析
根据原子核外电子排布规律，分析原子壳层结构和电子云分布。
原子相互作用与效应
研究原子之间相互作用和效应，包括化学键、离子键、金属键等相 互作用的基础。
04
CATALOGUE
材料性能分析
力学性能分析
比热容
材料吸收或释放热量的能力， 反映了材料对温度变化的响应
。
热导率
材料传导热量的能力，反映了 材料在热量传递过程中的效率 。
热膨胀系数
材料在温度变化下体积变化的 能力，反映了材料对温度变化 的敏感性。
热稳定性
材料在高温下的稳定性，反映 了材料在高温环境下的耐受能
材料分析方法第3版(周玉)出版社配套课件第7章机械工业出版社
定出等角的点M、T及Q，此3点
所在的圆为欲求的轨迹；
图7-4 与极点成等夹角点的轨迹
与P点成90点的轨迹为过赤道线
上F 点的经线大圆NFS，NFS可
视为一平面的投影，其法线的投
影点为P
8
第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网
4) 极点的转动 在乌氏网上可将极点绕确定轴转动到新位置
转轴垂直于投影面：如图7-5，将P点绕基圆圆心(轴的投影)转
6
第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网
乌氏网是确定晶体方位及测量夹角的工具，应用时注意
1) 晶体投影图基圆的直径与乌氏网相同，使用时将二者中心 重合
2) 测定二极点间夹角时，转动投 影图，使二极点位于同一经线大 圆(包括基圆)或赤道上， 二点间 的纬度差或经度差极为二极点间 夹角，见图7-3。 如A、B极点间 夹角为120， C、D极点间夹角 为20， E、F 极点间夹角为20
X射线衍射是织构测定的主要方法，近年来电子背散射衍 射(EBSD)技术在织构分析方面亦得到广泛应用
3
第一节 极射赤面投影法
一、极射赤面投影法的特点
极射赤面投影法用以表达晶向、晶面的方位，见图7-1
1) 被投影晶体置于参考球球心O，假定晶体的所有晶向、晶 面均通过球心
2) 投射点B为球面上一点的射线，投影 面是与过B点直径垂直的任一平面，平 行于投影面且通过球心的平面与球交成 一大圆， B点向大圆上各点的投影线在 投影面上的交点构成基圆(NESW)
图7-9为立方晶系标准投影图，落在同一大圆弧和直线上的极 点对应的晶面法线在同一平面上， 此平面的法线为这些晶面 的交线。相交于同一直线的晶面属于同一晶带， 其交线称为 晶带轴，用[uvw]表示，晶面指数(hkl)和[uvw]满足晶带定律
所在的圆为欲求的轨迹；
图7-4 与极点成等夹角点的轨迹
与P点成90点的轨迹为过赤道线
上F 点的经线大圆NFS，NFS可
视为一平面的投影，其法线的投
影点为P
8
第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网
4) 极点的转动 在乌氏网上可将极点绕确定轴转动到新位置
转轴垂直于投影面：如图7-5，将P点绕基圆圆心(轴的投影)转
6
第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网
乌氏网是确定晶体方位及测量夹角的工具，应用时注意
1) 晶体投影图基圆的直径与乌氏网相同，使用时将二者中心 重合
2) 测定二极点间夹角时，转动投 影图，使二极点位于同一经线大 圆(包括基圆)或赤道上， 二点间 的纬度差或经度差极为二极点间 夹角，见图7-3。 如A、B极点间 夹角为120， C、D极点间夹角 为20， E、F 极点间夹角为20
X射线衍射是织构测定的主要方法，近年来电子背散射衍 射(EBSD)技术在织构分析方面亦得到广泛应用
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第一节 极射赤面投影法
一、极射赤面投影法的特点
极射赤面投影法用以表达晶向、晶面的方位，见图7-1
1) 被投影晶体置于参考球球心O，假定晶体的所有晶向、晶 面均通过球心
2) 投射点B为球面上一点的射线，投影 面是与过B点直径垂直的任一平面，平 行于投影面且通过球心的平面与球交成 一大圆， B点向大圆上各点的投影线在 投影面上的交点构成基圆(NESW)
图7-9为立方晶系标准投影图，落在同一大圆弧和直线上的极 点对应的晶面法线在同一平面上， 此平面的法线为这些晶面 的交线。相交于同一直线的晶面属于同一晶带， 其交线称为 晶带轴，用[uvw]表示，晶面指数(hkl)和[uvw]满足晶带定律
材料分析方法第3版周玉出版社配套PPT课件第1章机械工业出版社
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
2
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
L、 M、N、顺序递增
16
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱 在莫塞莱定律 (1-6)式中，
K2
me 4
8 02h3c
1 n22
1 n12
R
1 n22
1 n12
其中R 称为里德伯常数，R = 1.0974107m-1；n1和n2是电子 跃迁前后壳层的主量子数，如 K 层 n =1，L 层n =2，M层 n =3等，…
X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，
E = h = hc/
(1-2)
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
7
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱 13
《材料分析方法》PPT课件
第十章 成分和价键分析概论
1. 原子中电子的分布和跃迁 2. 各种特征信号的产生机制 3. 各种成分分析手段的比较
1.原子中电子的分布和跃迁
在原子系统中，电子的能量和运动状态可以通过n，l， m，ms四个量子数来表示。
n为主量子数，具有一样n值的处于同一电子壳层，每个 电子的能量主要〔并非完全〕取决于主量子数。
3.1 X光谱
X光谱的X光子可以从很深的样品内部〔500纳米～5微米〕 出射，因此它不仅是外表成分的反映，还包含样品内部的 信息。
XFS适用于原子序数大于等于5 的元素，可以实现定性与定 量的元素分析，但灵敏度不够高，只能分析含量超过万分 之几的成分；而EPMA所用的电子束激发源可以聚焦，因 此具有微区〔1µm〕、灵敏〔10-14g〕、无损、快速、样 品用量小〔10-10g〕等优点。
《材料分析方法》PPT课 件
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第十章 成分和价键分析概论
大局部成分和价键分析手段都是基于同一 个原理，即核外电子的能级分布反响了原 子的特征信息。利用不同的入射波激发核 外电子，使之发生层间跃迁、在此过程中 产生元素的特征信息。
l为轨道角动量量子数，它决定电子云的几何形状，不同 的l值将同一电子壳层内分成几个亚壳层。
m是轨道磁量子数，它决定电子云在空间伸展的方向。 ms是自旋磁量子数，决定了自旋方向。对于特定的原子，
每个能级上的电子能量是固定的。
1.原子中电子的分布和跃迁
原子内的电子分布遵从泡利不相容原理。 当入射的电磁波或粒子所具有的动能足以将原子内
1材料分析绪论课件
光栅公式： d(S i nSi)n n
下图为平面反射光栅的一段垂直于刻线的截面。 它的色散作用可用光
栅公式表示。当n（光谱级次）不等于零时，衍射角或反射角随波长 而异，即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在不同空间位置 上，这就是光栅进行分光的依据。
入射光束 光栅法线 衍射光束
aθ
d
第三十四页，编辑于星期一：八点 二十八分。
• 倒线色散率：用dλ/dl 表示.
第三十一页，编辑于星期一：八点 二十八分。
1.棱镜
棱镜的光学特性 ② 分辨率
• 棱镜的分辨率R是指将两条靠得很近的谱线分开的能力。在最小 偏向角的条件下，R可表示为
• 式中 为两条谱线的平均波长， 为刚好能分开的两条谱线间 的波长差。
• 分辨率与棱镜底边的有效长度b和棱镜材料的色散率dn/d成正比。
第三页，编辑于星期一：八点 二十八分。
参考书目
–胡劲波等编《仪器分析》北京师范大学出版集团，第2版 –曾泳淮编《分析化学(仪器分析部分) 》高等教育出版社，
第3版 –周玉主编《材料分析方法》机械工业出版社，第2版 –朱永法编《材料分析化学》化学化工出版社，第1版 –吴刚主编《材料结构表征及应用》化学工业出版社，第1版 –武汉大学化学系编《仪器分析》高等教育出版社，第1版
课程简介
总课时数： 32课时
学分：
2学分
课程性质： 专业基础课
教材：左演声等编《材料现代分析方法》
考核方式： 闭卷考试
第一页，编辑于星期一：八点 二十八分。
材料研究与测试方法
材料研究与测试方法就是关于材料成分、物相结构、微
观形貌和晶体缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论 知识的科学。
光谱分析、质谱分析、色谱分析、电子能谱分析、衍射 分析、电子显微分析、电化学分析和热分析等。
下图为平面反射光栅的一段垂直于刻线的截面。 它的色散作用可用光
栅公式表示。当n（光谱级次）不等于零时，衍射角或反射角随波长 而异，即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在不同空间位置 上，这就是光栅进行分光的依据。
入射光束 光栅法线 衍射光束
aθ
d
第三十四页，编辑于星期一：八点 二十八分。
• 倒线色散率：用dλ/dl 表示.
第三十一页，编辑于星期一：八点 二十八分。
1.棱镜
棱镜的光学特性 ② 分辨率
• 棱镜的分辨率R是指将两条靠得很近的谱线分开的能力。在最小 偏向角的条件下，R可表示为
• 式中 为两条谱线的平均波长， 为刚好能分开的两条谱线间 的波长差。
• 分辨率与棱镜底边的有效长度b和棱镜材料的色散率dn/d成正比。
第三页，编辑于星期一：八点 二十八分。
参考书目
–胡劲波等编《仪器分析》北京师范大学出版集团，第2版 –曾泳淮编《分析化学(仪器分析部分) 》高等教育出版社，
第3版 –周玉主编《材料分析方法》机械工业出版社，第2版 –朱永法编《材料分析化学》化学化工出版社，第1版 –吴刚主编《材料结构表征及应用》化学工业出版社，第1版 –武汉大学化学系编《仪器分析》高等教育出版社，第1版
课程简介
总课时数： 32课时
学分：
2学分
课程性质： 专业基础课
教材：左演声等编《材料现代分析方法》
考核方式： 闭卷考试
第一页，编辑于星期一：八点 二十八分。
材料研究与测试方法
材料研究与测试方法就是关于材料成分、物相结构、微
观形貌和晶体缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论 知识的科学。
光谱分析、质谱分析、色谱分析、电子能谱分析、衍射 分析、电子显微分析、电化学分析和热分析等。
材料分析方法PPT课件
f
k Ur (IN)2
电磁透镜放大倍数和焦距均易调节。 电磁透镜要注意有磁转角的问题。
22
可编辑
电磁透镜
短线圈磁场中的电子运动 显示了电磁透镜聚焦成像 的基本原理。实际电磁透 镜中为了增强磁感应强度， 通常将线圈置于一个由软 磁材料（纯铁或低碳钢） 制成的具有内环形间隙的 壳子里（如图）。
23
v可分解成
vr
和前vZ者，使其匀速圆周运
动，后者使其匀速直线运动，电子沿螺旋线运动。
如果磁场为非均匀磁场，可使电子作螺旋圆锥运动， 则可实现使电子波聚焦。
21
可编辑
电磁透镜
电磁透镜：产生旋转对称非均匀磁 场的装置。
电磁透镜仍满足：
1＋ 1 ＝1 L1 L2 f
M L2 L2 1 L1 f
n的介质中，v , c n
0
n
sin
v1
1
n2
sin
v2
2
n1
3
可编辑
光学透镜成像：光的折射是可见 光聚焦成像的基础。
薄透镜的性质： 通过透镜中心C的光线不发生
折射。 一束平行于主光轴的光通过透
镜后会聚于透镜另一侧的主光 轴上的某一点称焦点F。 前焦点处的光散射经透镜后变 成一束平行于主光轴的平行光。
1
可编辑
主要内容
1 光的折射和光学透镜成像 2 光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限 3 电子波长 4 电磁透镜 5 电磁透镜的像差及其对分辨率的影响 6 景深和焦长
2
可编辑
6-1 光的折射和光学透镜成像
光的折射：光在均匀介质 中直线传播，当从一介质 传播到另一介质时，因光 的传播速度随介质而变， 故光的传播方向在两介质 的分界面发生突变。光在 不同介质中其频率是恒定 不变的。
材料分析方法ppt课件
R1 R 1 110
[001]
4
相机常数未知、晶体结构已知的衍射花样标定
测定各个斑点的R值（靠近中心的斑点，但不在一条直线
上），用附录校核各低指数晶面间距值之间的比值。
R12:R22:R32:…=N1:N2:N3:…
立方晶体
立方晶体中同一晶面组中各晶面的面间距相等。
h2 k 2 l 3 N a a d 2 2 2 N h k l 1 2 1 2 d , R 2 , R2 N N d 2 R12 : R2 : R32 : N1 : N 2 : N 3 :
考虑结构消光， 体心立方h+k+l=偶数产生衍射，2，4，6，8…； 面心立方全奇全偶才有衍射，3，4，8，11，12…
四方晶体
d 1
h2 k 2 l 2 2 2 a c 1 h2 k 2 l 2 2 2 2 d a c
根据消光条件，四方晶体L=0的晶面有衍射
2 R12 : R2 : R32 : M1 : M 2 : M 3 :
材料分析方法
4、测定个衍射斑点之间的夹角。
cos h1h2 k1k2 l1l2
2 2 2 (h12 k12 l12 )(h2 k2 l2 )
5、确定离开中心斑点最近衍射斑点 的指数。
h2k2l2 2
R2 000
h3k3l3 3
R4 h1k1l1 R1 1
4 h4k4l4
1. 测定低指数斑点的R值，在几个不同的方位摄取衍射花样， 保证测出前八个R值。 2. 根据R值，计算出各个d值。 3. 查ASTM卡片，与各d值相符的物相即为待测的晶体。
4. 卡片可能有几张，根据其它资料和化学成分排出不可能出
材料分析方法 第3版( 周玉) 出版社配套PPT课件 第3章 机械工业出版社
二、几种点阵结构因数计算
2. 体心点阵(同类原子组成)
单胞中有2个原子，坐标分别为(0,0,0)和(1/2,1/2,1/2)， 原
子散射因数均为 f
FHKL2 = [f cos2(0) + f cos2(H+K+L)/2 ]2 + [f sin2(0) + f sin2(H+K+L)/2 ]2
三角形式：Acosx+iAsinx
单胞中所有原子散射波振幅的合成就是单胞的散射波振幅Ab
Ab A1ei1 A2ei2 Anein
fa
Aa Ae
一个原子中所有电子相干散射波的合成振幅 一个电子相干散射波的振幅
n
Ab Ae ( f1ei1 f 2ei2 f nein ) Ae f j ei j j 1 9
由于衍射线的相互干涉，某些方向的强度将会有所加强， 某些方向的强度将会减弱甚至消失，习惯上将这种现象称 为系统消光
7
第二节 单位晶胞对X射线的散射与结构因数
一、结构因数公式的推导
如图3-3，取单胞顶点O为坐标原点，单胞中第 j 个原子 A
的位置矢量为，
rj = xj a + yj b + zj c
数(HKL)N平1 方: N和2 :之N3比: N为4，: N5 2 : 4 : 6 : 8 :10
13
第二节 单位晶胞对X射线的散射与结构因数
二、几种点阵结构因数计算
3. 面心点阵(同类原子组成)
单胞中有4个原子，坐标分别为(0,0,0)、 (0,1/2,1/2)、
(1/2, 0,1/2)、 (1/2,1/2, 0)，原子散射因数均为 f FHKL2 = f 2
材料分析方法第3版教学配套课件周玉第6章.pdf
3) 根据测试条件取应力常数K
4) 将M和K代入式(6-13)计算残余应力 要确定和改变衍射晶面的方位，需利用某种衍射几何方式实
现。目前残余应力多在衍射仪或应力仪上测量，常用的衍射 几何方式有两种，同倾法和侧倾法
18
第三节 宏观应力测定方法
一、同倾法
同倾法的衍射几何特点是测量方向平面和扫描平面相重
图6-3 第Ⅱ类内应力的产生
8
第一节 物体内应力的产生与分类
五、内应力的检测 残余应力是一种弹性应力，它与构件的疲劳性能、耐应
力腐蚀能力和尺寸稳定性等密切相关，残余应力检测对于工 艺控制、失效分析等具有重要意义，主要方法有 1) 应力松弛法 即用钻孔、开槽或薄层等方法使应力松驰，用
电阻应变片测量变形以计算残余应力，属于破坏性测试 2) 无损法 即用应力敏感性的方法，如超声、磁性、中子衍
射、X射线衍射等。 3) X射线衍射法 属于无损法，具有快速、准确可靠、测量区
域小等优点，且能区分和测定三种不同的类别的内应力
9
第二节 X射线宏观应力测定的基本原理
一、基本原理
用X射线衍射法测定残余应力，首先测定应变，再借助 材料的弹性特征参量确定应力
对于理想的多晶体，在无应力状态下，不同方位的同族晶面
若 2 - sin2 关系失去线性，说明材料偏离平面应力状态，
三种非平面应力状态
的影响见图6-7
图6-7 非线性2 - sin2 关系
a) 存在应力梯度 b) 存在三维应力 c) 存在织构
在样品测试范围存在
应力梯度、存在三维
应力状态或存在织构
等情况下，需采用特
殊的方法测算其残余
应力
16
第二节 X射线宏观应力测定的基本原理
4) 将M和K代入式(6-13)计算残余应力 要确定和改变衍射晶面的方位，需利用某种衍射几何方式实
现。目前残余应力多在衍射仪或应力仪上测量，常用的衍射 几何方式有两种，同倾法和侧倾法
18
第三节 宏观应力测定方法
一、同倾法
同倾法的衍射几何特点是测量方向平面和扫描平面相重
图6-3 第Ⅱ类内应力的产生
8
第一节 物体内应力的产生与分类
五、内应力的检测 残余应力是一种弹性应力，它与构件的疲劳性能、耐应
力腐蚀能力和尺寸稳定性等密切相关，残余应力检测对于工 艺控制、失效分析等具有重要意义，主要方法有 1) 应力松弛法 即用钻孔、开槽或薄层等方法使应力松驰，用
电阻应变片测量变形以计算残余应力，属于破坏性测试 2) 无损法 即用应力敏感性的方法，如超声、磁性、中子衍
射、X射线衍射等。 3) X射线衍射法 属于无损法，具有快速、准确可靠、测量区
域小等优点，且能区分和测定三种不同的类别的内应力
9
第二节 X射线宏观应力测定的基本原理
一、基本原理
用X射线衍射法测定残余应力，首先测定应变，再借助 材料的弹性特征参量确定应力
对于理想的多晶体，在无应力状态下，不同方位的同族晶面
若 2 - sin2 关系失去线性，说明材料偏离平面应力状态，
三种非平面应力状态
的影响见图6-7
图6-7 非线性2 - sin2 关系
a) 存在应力梯度 b) 存在三维应力 c) 存在织构
在样品测试范围存在
应力梯度、存在三维
应力状态或存在织构
等情况下，需采用特
殊的方法测算其残余
应力
16
第二节 X射线宏观应力测定的基本原理
第一章 材料分析测试方法 材料分析方法教学课件
μm=kλ3Z3 λ—X射线波长；Z—元素原子序数。
1.5 X射线衰减规律
右图为μm-λ曲线，突变
处为吸收限。如何解释曲
线？
μm
当λ↓↓，能打出K电子
形成K吸收，但由于λ太
短不易吸收，因此μm很 小；随着λ↑，K吸收程
λ
度提高，μm ↑。当λ=λK时，激发光电效应，引起强 烈吸收，产生荧光X射线，μm达到极大值；当λ稍大 于λK时，无法产生K吸收，且光子能量对于L吸收又 太大不易被吸收，μm达到极小值。
虽然k的低但是lk的跃迁几率比mk跃迁几率光子数目多最终使得k分析方法基本分析项目衍射仪法物相定量分析物相定性分析点阵常数测定一二三类应力测定晶粒度测定织构测定单晶定向非晶态结构分析照相法物相定性分析点阵常数测定丝织构测定单晶定向晶体对称性测定四周衍射仪单晶结构分析晶体学研究化学键测定方法基本分析项目与应用举例高能电子衍射分微区晶体结构分析与物相鉴定晶体取向分析晶体缺陷分析低能电子衍射分表面15个原子层结构分析表面吸附现象分析表面缺陷分析反射式高能电子衍射分析表面结构分析表面缺陷分析表面原子逐层生长过程分析典型应用
连 X射 X 续 射线 线管 总 K 功 i强 iVZ 2 率 度 V KVZ
1.3 X射线谱
1.3.2 特征X射线谱 ⒈含义：由一定波长的若干
X射线叠加在连续谱上构成， 也称单色X射线和标识X射 线。
▪ 当管电压超过某临界值时才
能激发出特征谱，如Mo靶， 当U管高于20Kv时才出现特 征峰，图所示。 U管=35Kv时，波长0.63埃和 0.71埃处出现特征峰。
1.5 X射线衰减规律
X射线通过物质时引起的强度 衰减与通过的距离成正比，即
IdII I
dII
dx
1.5 X射线衰减规律
右图为μm-λ曲线，突变
处为吸收限。如何解释曲
线？
μm
当λ↓↓，能打出K电子
形成K吸收，但由于λ太
短不易吸收，因此μm很 小；随着λ↑，K吸收程
λ
度提高，μm ↑。当λ=λK时，激发光电效应，引起强 烈吸收，产生荧光X射线，μm达到极大值；当λ稍大 于λK时，无法产生K吸收，且光子能量对于L吸收又 太大不易被吸收，μm达到极小值。
虽然k的低但是lk的跃迁几率比mk跃迁几率光子数目多最终使得k分析方法基本分析项目衍射仪法物相定量分析物相定性分析点阵常数测定一二三类应力测定晶粒度测定织构测定单晶定向非晶态结构分析照相法物相定性分析点阵常数测定丝织构测定单晶定向晶体对称性测定四周衍射仪单晶结构分析晶体学研究化学键测定方法基本分析项目与应用举例高能电子衍射分微区晶体结构分析与物相鉴定晶体取向分析晶体缺陷分析低能电子衍射分表面15个原子层结构分析表面吸附现象分析表面缺陷分析反射式高能电子衍射分析表面结构分析表面缺陷分析表面原子逐层生长过程分析典型应用
连 X射 X 续 射线 线管 总 K 功 i强 iVZ 2 率 度 V KVZ
1.3 X射线谱
1.3.2 特征X射线谱 ⒈含义：由一定波长的若干
X射线叠加在连续谱上构成， 也称单色X射线和标识X射 线。
▪ 当管电压超过某临界值时才
能激发出特征谱，如Mo靶， 当U管高于20Kv时才出现特 征峰，图所示。 U管=35Kv时，波长0.63埃和 0.71埃处出现特征峰。
1.5 X射线衰减规律
X射线通过物质时引起的强度 衰减与通过的距离成正比，即
IdII I
dII
dx
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X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，
E = h = hc/
(1-2)
ห้องสมุดไป่ตู้
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
8
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响 11
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存
在最小值SWL，其强度在m处有最大值
当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱 14
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱
当 X射线管压高于靶材相应的某一特征值UK 时，在某些 特定波长位置上， 将出现一系列强度很高、波长范围很窄的
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
10
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
9
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
12
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
2
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
3
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射”X射线的 概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程
1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对 应关系，这一原理应用于材料成分检测
X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结
构研究和晶体取向测定等
5
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
6
第一章 X射线物理学基础
本章主要内容 第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生及X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
7
第一节 X射线的性质
图1-1 电磁波谱
X射线是一种波长很短的电磁波
X射线的波长范围为0.01~10nm， 用于衍射分析的X射线波长为 0.05~0.25nm
X射线一种横波，由交替变化的 电场和磁场组成
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题
4
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现 象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成 为X射线衍射学
大部分能量消耗使靶发热
13
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
为什么连续X射线谱存在短波限SWL？
用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部
能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL，
eU = hmax = hc /SWL
I连 = K1iZU2
(1-4)
式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射
线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极
(Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时
线状光谱，称为特征谱或标识谱， 见图1-4；其波长与阳极靶材的原 子序数有确定关系，见式(1-6) ， 故可作为靶材的标志和特征，
E = h = hc/
(1-2)
ห้องสมุดไป่ตู้
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
8
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响 11
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存
在最小值SWL，其强度在m处有最大值
当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱 14
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱
当 X射线管压高于靶材相应的某一特征值UK 时，在某些 特定波长位置上， 将出现一系列强度很高、波长范围很窄的
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
10
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
9
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
12
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
2
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
3
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射”X射线的 概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程
1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对 应关系，这一原理应用于材料成分检测
X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结
构研究和晶体取向测定等
5
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
6
第一章 X射线物理学基础
本章主要内容 第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生及X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
7
第一节 X射线的性质
图1-1 电磁波谱
X射线是一种波长很短的电磁波
X射线的波长范围为0.01~10nm， 用于衍射分析的X射线波长为 0.05~0.25nm
X射线一种横波，由交替变化的 电场和磁场组成
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题
4
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现 象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成 为X射线衍射学
大部分能量消耗使靶发热
13
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
为什么连续X射线谱存在短波限SWL？
用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部
能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL，
eU = hmax = hc /SWL
I连 = K1iZU2
(1-4)
式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射
线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极
(Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时
线状光谱，称为特征谱或标识谱， 见图1-4；其波长与阳极靶材的原 子序数有确定关系，见式(1-6) ， 故可作为靶材的标志和特征，