材料分析方法緒論剖析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料分析方法緒論剖析材料分析方法緒論剖析 歷史上，人們把材料作為人類進(jìn)步的里程碑，如“石器時(shí)代”、“銅器時(shí)代”和“鐵器時(shí)代”等（如圖）。到了20世紀(jì)60年代，人們把材料、信息與能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱；70年代又把新型材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)認(rèn)為是新技術(shù)革命的主要標(biāo)志。這都說(shuō)明材料的發(fā)展與社會(huì)文明的進(jìn)步有著十分密切的關(guān)系。第1頁(yè)/共41頁(yè)七個(gè)時(shí)代造就材料輝煌第2頁(yè)/共41頁(yè) 材料雖然這樣重要，發(fā)展也很快，但就研究材料整體來(lái)說(shuō)，認(rèn)為它已構(gòu)成為一門(mén)學(xué)科，還是近30多年的事，那就是20世紀(jì)50年代末，60年代初，美國(guó)學(xué)者首先提出材料科學(xué)這個(gè)名詞。 由于材料的獲得、質(zhì)量的改進(jìn)使材料成為人們可

2、用的器件或構(gòu)件都離不開(kāi)生產(chǎn)工藝和制造技術(shù)等工程知識(shí)，所以人們往往把“材料科學(xué)”與“工程”相提并論，而稱為“材料科學(xué)與工程”。這里的材料包括金屬材料、陶瓷材料（無(wú)機(jī)非金屬材料）、有機(jī)高分子材料以及由幾種材料組合在一起的復(fù)合材料。 材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、合成或生產(chǎn)流程和材料使用效能及它們之間關(guān)系的科學(xué)與技術(shù)。 廣義的說(shuō)，材料科學(xué)與工程（MSE）是研究材料結(jié)構(gòu)/性質(zhì)/工藝/性能（structure/properties/processing/performance）間關(guān)系的學(xué)科，具體主要是解釋或控制以下四個(gè)方面的問(wèn)題（材料科學(xué)與工程的四要素的關(guān)系圖）： 第3頁(yè)/共41頁(yè)材料的四要

3、素 原子排列方式 結(jié)合鍵 原子結(jié)構(gòu) 顯微組織性 質(zhì)結(jié)構(gòu)/成分合成/制備效 能 從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可分為四個(gè)層次：第4頁(yè)/共41頁(yè)組成與結(jié)構(gòu)：從宏觀、微觀及介觀尺度上（annoy-、memo-、micro-、macro-scale）考慮原子及其排列。（金屬學(xué)）合成與制備：即原子的特定排列。性質(zhì)：由原子及其排列決定的材料特性或有用性。使用性能：在生產(chǎn)實(shí)際中的有用性，包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)的因素。第5頁(yè)/共41頁(yè) 考慮在四要素中的組成/結(jié)構(gòu)并非同義詞，即相同成分或組成通過(guò)不同的合成或加工方法，可以得出不同的結(jié)構(gòu)，從而材料的性質(zhì)或使用效能都不會(huì)相同。 因此，我國(guó)有人提出一個(gè)五個(gè)基本要素的模型，即成分（c

4、omposition）、合成/加工（synthesis/processing）、結(jié)構(gòu)（structure）、性質(zhì)（properties）和使用效能（performance）。 如果把它們連接起來(lái)，則形成一個(gè)六面體（hexahedron），如下圖第6頁(yè)/共41頁(yè)性質(zhì)受環(huán)境影響（氣氛溫度受力狀態(tài)）組織結(jié)構(gòu)效能（使用性能）合成/制備成分理論及材料與工藝設(shè)計(jì)第7頁(yè)/共41頁(yè) 在實(shí)際應(yīng)用中，材料更被分為很多不同的種類，如金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料、生物材料等等不一而足。 各行業(yè)對(duì)材料的要求不盡相同，其對(duì)材料性能的關(guān)注也不相同，提出問(wèn)題的角度和解決問(wèn)題的思路更是不相同。 由于不同國(guó)

5、家地區(qū)技術(shù)發(fā)展水平不同，其對(duì)材料的使用要求也很不相同。 正因?yàn)椴牧峡茖W(xué)覆蓋面廣泛，又處于各傳統(tǒng)學(xué)科交叉邊緣，所以有關(guān)材料科學(xué)技術(shù)信息的分布也是很雜亂的，這就給有關(guān)材料科學(xué)技術(shù)的信息收集、整理與分析帶來(lái)更大的難度。第8頁(yè)/共41頁(yè)第9頁(yè)/共41頁(yè) 20世紀(jì)以來(lái)，學(xué)科運(yùn)動(dòng)中的分化與綜合速度比以往任何時(shí)候都迅速，新學(xué)科層出不窮。特別是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交叉學(xué)科作為一個(gè)新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)已成為學(xué)科增長(zhǎng)的主流。 一門(mén)新學(xué)科的建立，必須有本學(xué)科特有的定義和研究對(duì)象；必須有經(jīng)過(guò)精心研究而建立起來(lái)的理論體系；必須有能回答新問(wèn)題、新情況、新挑戰(zhàn)的邏輯起點(diǎn)和學(xué)科方法，以及展現(xiàn)新的發(fā)展領(lǐng)域和科學(xué)層次的能力。第10頁(yè)/

6、共41頁(yè) 以金屬材料為例，在英、美等國(guó)，研究它的科學(xué)叫“Metallurgy”，包括兩個(gè)定義:vMetallurgy是一門(mén)學(xué)科，從事于從礦石中提取金屬，精煉及提純金屬，從金屬制備有用物品，譯為“冶金學(xué)”；vMetallurgy是一門(mén)科學(xué)，它從宏觀到原子的層次研究金屬結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系，宜譯為“金屬學(xué)”。第11頁(yè)/共41頁(yè) 大學(xué)專業(yè)的設(shè)置，反映了學(xué)科的發(fā)展和變遷。 40年代初：礦冶專業(yè) （分）采礦和冶金兩個(gè)專業(yè)； 以后：冶金 （分）物理冶金（金屬錠到制品）和化學(xué)冶金（礦石到金屬錠）； 再以后：物理冶金 （分）力學(xué)冶金（金屬力學(xué)性能），正如力學(xué)從物理中分出一樣。 學(xué)科獨(dú)立而出，它又趨向于與它密切相

7、關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合，發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)的應(yīng)用部分。 中文“冶金”與英文“Metallurgy”相對(duì)應(yīng)，若狹義的“冶金”理解為“冶煉金屬”，那么冶金學(xué)的三個(gè)分支也可命名為： 化學(xué)冶金 金屬化學(xué) 物理冶金 金屬物理 力學(xué)冶金 金屬力學(xué)第12頁(yè)/共41頁(yè) 關(guān)于材料科學(xué)與工程（MSE），從已知“材料”定義，答復(fù)什么是“科學(xué)”，什么是“工程”？ 科學(xué)對(duì)于現(xiàn)象的觀察、描述、確認(rèn)、實(shí)驗(yàn)研究及理論解釋，叫科學(xué)。 工程將科學(xué)原理應(yīng)用到實(shí)際目標(biāo)，如設(shè)計(jì)、組裝、運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)而有效的結(jié)構(gòu)、設(shè)備或系統(tǒng)，叫工程。 將材料作為研究對(duì)象的材料科學(xué)和材料工程。便有如下相應(yīng)的定義： 材料科學(xué)是一門(mén)科學(xué)，它從事材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解

8、的研究。它的目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型以及解釋這種結(jié)構(gòu)與材料性能之間的關(guān)系。 材料工程是工程的一個(gè)領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地，而又為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。第13頁(yè)/共41頁(yè) 比較上述兩個(gè)定義可知：材料科學(xué)的核心問(wèn)題是結(jié)構(gòu)，有什么樣的結(jié)構(gòu)，就有什么樣的性能， “不計(jì)成本” ；而材料工程則要全面考慮前述的材料的五個(gè)判據(jù)（資源、能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、性能）。 作為MSE整體，美國(guó)MSE調(diào)查委員會(huì)（COMAT）給出如下定義： MSE是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和它們的性能與用途之間有關(guān)的知識(shí)和應(yīng)用的科學(xué)。 對(duì)于Metallurgy（材料學(xué)），顧名思義，可定義如下： 研究材料的學(xué)科叫

9、材料學(xué)。 顯然，這一定義的內(nèi)涵比“材料科學(xué)、材料工程與MSE”三者均少。 自然現(xiàn)象有“宏觀”與“微觀”之分，這兩個(gè)概念移用于經(jīng)濟(jì)學(xué)，在20世紀(jì)6070年代，美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)界風(fēng)靡一時(shí)地將經(jīng)濟(jì)學(xué)分為“宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)(Macro-economics)”與“微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)（Micro-economics）”。前者著眼于分析整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)；后者則側(cè)重于分析單個(gè)經(jīng)濟(jì)單位。 第14頁(yè)/共41頁(yè)“材料學(xué)的體系”及“材料的應(yīng)用與發(fā)展” 1引論1 0 展望9系統(tǒng)8科研6經(jīng)濟(jì)7選用宏觀材料學(xué)材料學(xué)2失效3性能4結(jié)構(gòu)5工藝微 觀 材 料學(xué)材料按空間尺度從大到小有：宇觀宏觀細(xì)觀微觀介觀 第15頁(yè)/共41頁(yè) 宏觀材料學(xué)（Macro

10、-Materialogy）著眼于從整體上分析材料問(wèn)題。即以材料的整體作為研究對(duì)象系統(tǒng),考慮它與環(huán)境（自然的及社會(huì)的）之間的交互作用；分析在環(huán)境的作用下,材料內(nèi)部宏觀組元（各類材料、各種材料）的自組織問(wèn)題。 微觀材料學(xué)（Micro-Materialogy）著眼于材料在自然環(huán)境（力、熱、電、磁、光、化學(xué)等）作用下所表現(xiàn)出來(lái)的各種行為（即性能）,以及這些行為與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 “行為”材料的性能,用于表征材料在給定外界條件下的行為。第16頁(yè)/共41頁(yè) 環(huán)境e(Enviroment)、結(jié)構(gòu)S(Structure)、性能P(Property)，從哲學(xué)角度考慮，e及S分別是事物變化的外因及內(nèi)因，P

11、是變化的結(jié)果。從這三個(gè)基礎(chǔ)概念，可總結(jié)出兩個(gè)基本方程： P = f(e，S) S = E，RE事物（或系統(tǒng)）內(nèi)組元（Element）的集合。R組元間關(guān)系（Relationship）的集合。第17頁(yè)/共41頁(yè)礦礦冶地質(zhì)化工高分子陶瓷采礦冶金物冶化冶化學(xué)力冶物冶社會(huì)科學(xué)力學(xué)物理MSE材料學(xué)187918881937188819751986198919371966第18頁(yè)/共41頁(yè)時(shí)間時(shí)間(年年) 學(xué)科名稱學(xué)科名稱 18651879 地質(zhì)與采礦工程地質(zhì)與采礦工程 18791884 采礦工程采礦工程 18841888 采礦工程采礦工程(地質(zhì)、采礦、冶金地質(zhì)、采礦、冶金) 18881890 采礦與冶金采礦

12、與冶金 18901927 采礦工程與冶金采礦工程與冶金 19271937 采礦與冶金采礦與冶金 19371966 冶金冶金 19661975 冶金與材料科學(xué)冶金與材料科學(xué) 1975至今至今 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程(MSE) 第19頁(yè)/共41頁(yè)物理金屬學(xué)向金屬材料系統(tǒng)科學(xué)轉(zhuǎn)變階段 物理金屬學(xué)成熟階段 物理金屬學(xué)生長(zhǎng)階段 物理金屬學(xué)孕育階段 分解論向系統(tǒng)論轉(zhuǎn)變期 分解論盛期 分解論初期 樸素整體論時(shí)期 1980 19001980 19世紀(jì) 19世紀(jì)以前 化學(xué)冶金學(xué) 金相學(xué) 金相電子顯微鏡 冶金學(xué) 宏觀熱力 材料表面與界面科學(xué) 物理冶金學(xué) 學(xué)及相圖 合金統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)及相圖計(jì)算 粒子光學(xué) 晶體學(xué)

13、晶體X射線衍射學(xué) 多功能電子顯微鏡 材料力學(xué) 彈性、塑性及斷裂力學(xué) 電子微區(qū)探針?lè)治銎?金屬與合金電子理論 場(chǎng)離子發(fā)射顯微鏡 晶體的缺陷及位錯(cuò)理論 場(chǎng)電子發(fā)射顯微鏡 固體中原子擴(kuò)散及相變理論 材料的物理性質(zhì)理論 （電、磁、熱、光等） 第20頁(yè)/共41頁(yè)結(jié)構(gòu)材料 ：多用金屬材料功能材料：多用陶瓷材料、高分子材料金屬材料（黑色金屬、有色金屬）陶瓷材料 （工程陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷） 復(fù)合材料 高分子材料（塑料、合成纖維、橡膠、涂料等）第21頁(yè)/共41頁(yè) 金屬材料：良好的力學(xué)性能和理化性能，較好的加工工藝性能，價(jià)格便宜或適中，性能覆蓋面大、廣泛。但資源有限，特殊環(huán)境下，金屬不能勝任。 陶瓷材料：優(yōu)良的理化性

14、能，極好的耐高溫性能，但脆，加工性能差，高級(jí)陶瓷材料昂貴，可靠性差。 高分子材料：高彈性，耐磨性好，原料豐富。但導(dǎo)電導(dǎo)熱性差，強(qiáng)度低，不耐高溫，易老化、易燃燒。 復(fù)合材料：具有單一材料的復(fù)合性能，可按需要進(jìn)行人為的設(shè)計(jì)制造。但低檔、高檔多，缺少中擋。趨勢(shì)：三足鼎立；由于科技的發(fā)展，金屬材料的地位，與20世紀(jì)相比有所下降；傳統(tǒng)材料的地位難以被取代。第22頁(yè)/共41頁(yè) 何為“材料”？材料是一類有用的物質(zhì)。 (肖紀(jì)美語(yǔ)) 這里“有用”即指材料的某一種可為人類所利用的“性能”，而性能必然與物質(zhì)的“結(jié)構(gòu)”密切相關(guān)。那么，材料不言而喻就是探討“某種材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系”。當(dāng)然，研究之目的并非僅是揭示

15、其關(guān)系或機(jī)制，更重要的在于控制“結(jié)構(gòu)”得到人們所期望的“性能”。第23頁(yè)/共41頁(yè)(1)顯微化學(xué)成分(不同相的成分，基體與析出相的成分，偏析等)(2)晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷(面心立方、體心立方、位錯(cuò)、層錯(cuò)等)(3)晶粒大小與形態(tài)(等軸晶、柱狀晶、枝晶等)(4)相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布(球、片、棒、沿晶界聚集或均勻分布等)(5)界面(表面、相界與晶界)(6)位向關(guān)系(慣習(xí)面、孿生面、新相與母相)(7)夾雜物(8)內(nèi)應(yīng)力(畸變內(nèi)應(yīng)力或組織應(yīng)力、噴丸表面、焊縫熱影響區(qū)等)第24頁(yè)/共41頁(yè)電磁波粒子束 由于遵從布拉格衍射定律，兩者一樣的，即波-粒二象性 如用X射線衍射分析(XRD)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分

16、析,只能對(duì)毫米級(jí)、不能對(duì)微米及納米級(jí)微區(qū)進(jìn)行分析,無(wú)法把形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位地結(jié)合起來(lái)。 （2）電子衍射：XRD測(cè)定。 （1）第25頁(yè)/共41頁(yè)(3)中子衍射： 采用中子源用于氫元素(H、Li)等的探測(cè),但造價(jià)高。(4)高分辨率電子顯微鏡： 常用于測(cè)定晶格的微觀分析方法。(5)場(chǎng)離子電子顯微鏡： 能清晰地顯示樣品表層的原子排列和缺陷,在研究原子的位置、大小方面很有優(yōu)勢(shì)。第26頁(yè)/共41頁(yè)v 最常用的也是最簡(jiǎn)單的觀察材料顯微組織的工具，v 能直觀地反映材料樣品的組織形態(tài)(如晶粒大小、珠光體還是馬氏體、焊接熱影響區(qū)的組織形態(tài)、鑄造組織的晶粒形態(tài)等) v 分辨率低（約200nm），放大倍率

17、低（約1000倍即103倍）為可見(jiàn)光源，玻璃透鏡。因此只能觀察到102 nm尺寸級(jí)別的組織結(jié)構(gòu)，而對(duì)于更小的組織形態(tài)與單元(如位錯(cuò)、原子排列)則無(wú)能為力。v 光學(xué)顯微鏡只能觀察表面形態(tài)而不能觀察材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，更不能對(duì)所觀察的顯微組織進(jìn)行同位微區(qū)成分分析。 進(jìn)行幾千個(gè)原子的晶粒大小、表面形態(tài)、相的形成等分析。第27頁(yè)/共41頁(yè) XRD,是利用X-Ray在晶體中的衍射現(xiàn)象來(lái)分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體缺陷(位錯(cuò)等)、不同結(jié)構(gòu)相的含量以及內(nèi)應(yīng)力的方法。 這種方法是建立在一定的晶體結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上的間接方法。即根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射X-Ray信號(hào)的特征去分析計(jì)算出樣品的晶體結(jié)構(gòu)與晶格參數(shù)，并

18、可以達(dá)到很高的精度。 然而,由于它不是像顯微鏡那樣直接可見(jiàn)的觀察，因此也無(wú)法把形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位地結(jié)合起來(lái)。 由于X-Ray聚焦的困難，所能分析樣品的最小區(qū)域(光斑)在“毫米”數(shù)量級(jí)，因此對(duì)微米、納米級(jí)微觀區(qū)域的選擇性分析也是無(wú)能為力的。第28頁(yè)/共41頁(yè) EM是用高能電子束作光源，用磁場(chǎng)做透鏡制造的具有高分辨率和高放大倍數(shù)的電子光學(xué)顯微鏡。(1).透射電子顯微鏡(TEM，Transmission Electron Microscope)v TEM是采用透過(guò)薄膜樣品的電子束成像來(lái)顯示樣品內(nèi)部組織形態(tài)與結(jié)構(gòu)的。v 可以在觀察樣品微觀組織形態(tài)的同時(shí)，對(duì)所觀察的區(qū)域進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)鑒定同位分

19、析。v TEM最早由德國(guó)發(fā)明。其分辨率為10-1nm，放大率 106倍(100萬(wàn))，但制樣困難。第29頁(yè)/共41頁(yè)(2).掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope) SEM是利用電子束在樣品表面掃描激發(fā)出來(lái)代表樣品表面特征的信號(hào)成像的。 最常用來(lái)觀察樣品表面形貌（斷口等），還可觀察樣品表面的成分分布情況。 法國(guó)最早，60年代開(kāi)始。分辨率可達(dá) 1nm，放大倍數(shù)可達(dá) 2105倍(10萬(wàn)倍)。第30頁(yè)/共41頁(yè)（3）.電子探針顯微分析(EPMA，Electron Probe Micro-Analysis) EMPA是利用聚焦的超細(xì)的電子束打在樣品的微觀區(qū)域，激

20、發(fā)出樣品該微區(qū)的特征X-Ray，分析其X-Ray的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)確定樣品的微觀區(qū)域的化學(xué)成分。 將掃描電鏡（SEM）與電子探針顯微分析（EPMA）結(jié)合起來(lái)，則可在觀察微觀形貌的同時(shí)對(duì)該微觀區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分同位分析。第31頁(yè)/共41頁(yè)(4).掃描透射電子顯微鏡(STEM，Scanning Transmission Electron Microscope) STEM同時(shí)具有SEM和TEM的雙重功能。 若配上電子探針附件(分析電鏡)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀區(qū)域的組織形貌觀察，晶體結(jié)構(gòu)鑒定和化學(xué)成分測(cè)試“三位一體”的同位分析。 (5).超高壓透射電子顯微鏡 可用于較厚的樣品。(6).場(chǎng)離子電子顯微鏡 第32頁(yè)/共

21、41頁(yè) 包括掃描隧道顯微鏡STM(在1981年由Dr.Gerd Binnig發(fā)明，垂直方向分辨率達(dá)0.01nm，水平方向分辨率達(dá)0.1nm,由此于1986年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)）、掃描探針(SPM)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。 觀察微觀形貌的同時(shí)對(duì)該微觀區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分同位分析。 1986年由Dr.Gerd Binnig發(fā)明原子力顯微鏡?？蓽y(cè)量表面原子間的力，測(cè)量表面的彈性、塑性、硬度、摩擦力等性質(zhì)。 第33頁(yè)/共41頁(yè)(1) X射線熒光分析(2) 原子吸收光譜(3) 質(zhì)譜分析(4) 中子活化分析(5) 電子探針和質(zhì)子探針(6) 俄歇電子譜AES(7) 光電子譜儀(8) 二次粒子質(zhì)譜第34頁(yè)/共41頁(yè) 化學(xué)分析只能給出一塊試樣材料的平均成分(所含每種元素的平均含量)，并可以達(dá)到很高的分析精度，但不能給出所含元素的分布情況(如偏析，同一元素在不同相中的含量等)。 光譜分析給出的結(jié)果也是樣品的平均成分。 實(shí)際上，微區(qū)成分不均勻性（元素在鋼中的微觀不均勻性） 微觀結(jié)構(gòu)不均勻性 微區(qū)性能不均勻性 決定材料宏觀性能。 第35頁(yè)/共41頁(yè) 采用超高壓、超高溫、極低溫等，是目前比較熱門(mén)的研究方向。 第36頁(yè)/共41頁(yè)表面成分的快速分析研究樣品表面組成和結(jié)構(gòu)量子化學(xué)的研究 由激發(fā)源發(fā)