X射線衍射在材料科學(xué)與工程應(yīng)用

1、X射線衍射在材料科學(xué)與工程應(yīng)用 司光宇 學(xué)號：H101901202 材料科學(xué)與工程專業(yè) 摘要：x射線衍射在研究晶體，物相，微觀應(yīng)力等方面發(fā)揮著很大的用途，對于研究微觀結(jié)構(gòu)可以提供一定的依據(jù)，可以對于未知的材料推測其組成及其成分。 關(guān)鍵詞：x射線衍射，物相，晶體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力，合金分析 材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)習(xí)及研究內(nèi)容：材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料研究與測試方法、物理化學(xué)、材料工程基礎(chǔ)、材料生產(chǎn)工藝及設(shè)備、功能材料學(xué)、量子力學(xué)、固體物理、材料物理性能、半導(dǎo)體材料、磁性材料。晶體的結(jié)構(gòu)，材料的彈性畸變與變形，金屬的傳熱，金屬擴(kuò)散，鋼的熱處理，材料的表面改性等。 則在研究本專業(yè)的內(nèi)容時，需要x射線衍射技術(shù)的表征，

2、便于對材料微觀組織的研究，應(yīng)力分析，主要表現(xiàn)如下 1 x射線衍射研究方法 1.1勞厄法：確定晶體取向; 確定晶體的對稱; 利用勞厄斑點內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)研究體亞結(jié)構(gòu)。 1.2旋轉(zhuǎn)或回擺晶體法。 本方法應(yīng)用單色的X 射線, 試樣旋轉(zhuǎn)或回擺, 人射X 射線和旋轉(zhuǎn)軸重合。此方法主要用于確定晶胞的大小, 點陣常數(shù)和晶體的取向。 1.3粉末法 主要用于相圖中固態(tài)相界的測定, 新相的結(jié)構(gòu)分析, 固溶無序一有序相變的研究。材料熱處理及相轉(zhuǎn)變過程中析出相的定性分析; 金屬合金范性形變機(jī)理的研究, 包括冷加工、回復(fù)和再結(jié)晶過程的研究, 形變織構(gòu)、晶粒度、內(nèi)應(yīng)力的測定, 位錯的觀察等; 合金中夾雜物分析; 點陣參數(shù)的精

3、確測量 1.4衍射儀法。 2.X射線衍射在材料科學(xué)學(xué)科的應(yīng)用 2.1 X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用 X射線衍射，用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，可以得到很多重要內(nèi)容。比如鋼鐵的組織觀察與分析，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化時是由體心立方向面心立方的轉(zhuǎn)化，以致其組織性能發(fā)生變化，用X射線測定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時，在相圖測定以及在固態(tài)相變和范性形變研究取得了成果。研究點陣在合金中有序無序轉(zhuǎn)變的研究，由得到的相圖可以制定相應(yīng)的加工工藝， X射線衍射(包括散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。 2.2對于未知新材料的物相分析 ,結(jié)構(gòu)分析 主要為定性分析和定量分析。定性分析把對材料測得

4、的點陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相；定量分析根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。 2.3精密測定點陣參數(shù) 相圖的固態(tài)溶解度曲線的測定。溶解度的變化往往引起點陣常數(shù)的變化；點陣常數(shù)的精密測定可得到單位晶胞原子數(shù)，致密度，從而確定固溶體類型；包含間隙固溶體，置換固溶體。 2.4單晶與多晶的取向分析 晶體的單晶與多晶具有一定的取向，研究金屬的形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動，扭折等，也與取向的測定有關(guān)。 2.5晶粒大小和微觀應(yīng)力的測定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。 2.6

5、對晶體結(jié)構(gòu)不完整性 包括對層錯、位錯、原子靜態(tài)或動態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。 2.7 合金相變 包括脫溶、有序無序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。 2.8 結(jié)構(gòu)分析 對新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測定，確定點陣類型、點陣參數(shù)、對稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。 2.9 液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測定近程序參量、配位數(shù)等。 3 x射線衍射設(shè)計實驗 未知晶體物相分析及各相組成 3.1實驗原理： 物相分析，即分析某種材料中含有哪幾種結(jié)晶物質(zhì)，或是某種物質(zhì)以何種結(jié)晶狀態(tài)存在。根據(jù)晶體對X射線的衍射特征衍射線的位置、強(qiáng)度及數(shù)量來鑒定結(jié)晶物質(zhì)方法，就是

6、X射線物相分析。利用X射線衍射分析可確定某結(jié)晶物質(zhì)屬于立方、四方、六方、單斜還是斜方晶系。晶態(tài)物質(zhì)組成元素或基團(tuán)如不相同或其結(jié)構(gòu)有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數(shù)目、角度位置、相對強(qiáng)度次序以至衍射峰的形狀上就顯現(xiàn)出差異。因此，通過樣品的 X 射線衍射圖與已知的晶態(tài)物質(zhì)的 X 射線衍射譜圖的對比分析便可以完成樣品物相組成和結(jié)構(gòu)的定性鑒定；通過對樣品衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析計算，可以完成樣品物相組成的定量分析； 定性分析原理 由布拉格(Bragg)方程得晶體的每一個衍射峰都和一組晶面間距為d的晶面組的關(guān)系: 2dsin=n 式中， 為入射線與晶面的夾角，為入射線的波長。 另一方面，晶體的每一條衍射線的強(qiáng)度

7、又與結(jié)構(gòu)因子模量的平方成正比： I=I0 K |F|2V 式中，I0為單位截面上入射射線的功率；為比例因子，與實驗衍射幾何條件、試樣的形狀、吸收性質(zhì)、溫度及一些物理常數(shù)有關(guān)；V為參加衍射的晶體的體積；|F|2稱為結(jié)構(gòu)因子，取決于晶體的結(jié)構(gòu)，它是晶胞內(nèi)原子坐標(biāo)的函數(shù)，由它決定了衍射的強(qiáng)度?？梢奷和|F|2都是由晶體的結(jié)構(gòu)所決定的，因此每種物質(zhì)都必有其特有的衍射圖譜。因而可以根據(jù)它們來鑒別結(jié)晶物質(zhì)的物相。通常利用PDF衍射卡片進(jìn)行物相分析。 定量分析原理 K值法原理 K值與加入標(biāo)樣含量無關(guān)，無需作定標(biāo)曲線，且K值易求，稱K值法也稱基本沖洗法。 n+1n+1 j原理：IjIs=CKjWjjW j=1

8、mjCKsWssWjmj j=1 KjsWjWj j W=?=Ks KsjWsWs j = WsK js ? I j Is (Wj=Wj-Ws) K js = KjsKs j =K 稱j相對標(biāo)樣S的K值 j和S相物質(zhì)已知， j ，s 為常數(shù)，當(dāng)一定時2（即衍射線選定）Ksj為恒定，由上式可求Wj，從而求出Wj。 W j = WsK js ? I j Is 從而求出Wj (Wj=Wj-Ws) 3.2實驗器材 X射線衍射儀 未知未經(jīng)成型試樣 一臺已與x射線衍射儀連接好電腦 研缽 實驗陽極靶為銅靶 濾波片選為鎳片 狹縫 一系列標(biāo)準(zhǔn)試樣 3.3實驗步驟 樣品制備，將未知試樣敲碎，放入瑪瑙研缽中研磨至粉

9、末狀，盡量使顆粒在十微米左右，即用手指捏住并碾動無顆粒感覺為止。將制備的粉末放入樣品框中，充填時，將試樣粉末-點一點地放進(jìn)試樣填充區(qū)，重復(fù)這種操作，使粉末試樣在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，要求試樣面與玻璃表面齊平。 打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)電源，檢查，確保其可以正常工作 等待一段時間后，開啟衍射儀的電源總電源，打開保護(hù)箱，將制備好的樣品插入衍射儀樣品臺； 檢查實驗封閉情況，是否能夠有效屏蔽x射線，確認(rèn)后打開計算機(jī)，當(dāng)計算機(jī)與X射線衍射儀聯(lián)機(jī)完成后，點擊XG operation，啟動X射線衍射儀。此時要保證管電壓有預(yù)熱的過程，將管電壓、管電流逐步由默認(rèn)值20kV、2mA升至40kV、20mA。

10、測量1 參數(shù)設(shè)置 設(shè)置放入文件夾1中， 掃描范圍為2o-80o, 掃描速度為每分鐘2o, 本實驗由于用的是銅陽極靶,可將管電壓設(shè)置為40kV, 管電流設(shè)置為20mA， 衍射狹縫選擇為1 ,接收狹縫選為0.2mm 點擊開始測量，測量時盡量遠(yuǎn)離x射線衍射儀，在測量結(jié)束時，不可立即關(guān)閉電源，先使管電壓由40kV緩慢降低，之后關(guān)閉X射線衍射儀，關(guān)閉電源，取出試樣，等待管電壓冷卻后，約1520分鐘，關(guān)閉冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。 測量2 在得到實驗測量1的數(shù)據(jù)后,可得到其物相 按照其物相,其中選取每一項標(biāo)準(zhǔn)試樣均與被測試樣混合,在瑪瑙研缽中研磨成粉末,直至磨到手指捏住并碾動無顆粒感覺為止 步均與測量1相同 參數(shù)設(shè)

11、置 設(shè)置數(shù)據(jù)保存入文件夾2中, 掃描范圍為2o-80o, 用連續(xù)掃描方法, 掃描速度為每分鐘0.5o, 本實驗用銅陽極靶,可將管電壓設(shè)置為40kV, 管電流設(shè)置為20mA， 衍射狹縫選擇為1 ，接收狹縫0.2mm 點擊開始測量，測量時盡量遠(yuǎn)離x射線衍射儀，在測量結(jié)束時，不可立即關(guān)閉電源，先使管電壓由40kV緩慢降低，之后關(guān)閉X射線衍射儀，關(guān)閉電源，取出試樣，等待管電壓冷卻后，約1520分鐘，關(guān)閉冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。 重復(fù)以上步驟,直至將所有制作的試樣測量完畢 3.4實驗數(shù)據(jù)后續(xù)處理 測量1數(shù)據(jù)處理 打開分析軟件，點擊File patterns，雙擊所選測試實驗1數(shù)據(jù)01.raw； 鼠標(biāo)左鍵點擊S/

12、M鍵進(jìn)行自動檢索； 若自動檢索結(jié)果不好，可進(jìn)行人工手動檢索，鼠標(biāo)右鍵點擊S/M鍵； 物相檢索后，選擇最為匹配的PDF卡； 文件的添加。若分析的一系列測試數(shù)據(jù)為不同條件制備的同一物質(zhì)，不必逐一分析，可進(jìn)行文件的添加。點擊File patterns，雙擊所選數(shù)據(jù)02.raw，然后點擊add鍵，文件添加完成。XRD圖譜自動按添加順序由下向上排列，點擊窗口右側(cè)的功能鍵來調(diào)節(jié)譜圖間距； 用軟件進(jìn)行圖譜處理, 根據(jù)圖譜的實際情況設(shè)置尋峰條件，對圖譜進(jìn)行尋峰, 尋峰后所得的峰參數(shù)，包括峰的位置、晶面間距、強(qiáng)度、半峰寬等,可以將半峰寬對應(yīng)的2視為峰值所對應(yīng)的2 生成物相分析報告。點擊FilePrint set up。通過Copy可將物相分析報告粘貼到畫圖板或Word文檔里。 得到物相結(jié)果后 3.5實驗要求 1,，實驗前認(rèn)真熟悉實驗原理，把握實驗流程， 2，仔細(xì)閱讀操作守則及實驗注意事項 3，要求用實驗報告用紙寫出：實驗原理，實驗方案步驟(包括樣品制備、實驗參數(shù)選擇、測試、數(shù)據(jù)處理等)，選擇定性分析方法，物相鑒定結(jié)果分析 4鑒定結(jié)果要求寫出樣品名稱（中英文）、卡片號，實