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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 现代材料测试技术学问点识记、把握1. 材料现代分析方法的类别：基于电磁辐射及运动粒子束与材料相互作用的各种性质建立起来的分析方法已成为材料现代分析 方法的重要组成部分,大体可分为光谱分析、电子能谱分析、衍射分析和电子显微分析等四大类；此 外,基于其它物理性质或电化学性质与材料的特点关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分 析等方法,也是材料现代分析的重要方法；材料分析测试技术的进展,使得材料分析不仅包括材料整体的成分、结构分析,也包括材料表面与 界面分析、微区分析、形貌分析等内容；组织形貌分析A光学显微分析 ：光学显微镜最先用于医学及生物
2、学方面,直接导致了细胞的发觉,在此基础上 形成了 19 世纪最宏大的发觉之一 -细胞学说；冶金及材料学工作者利用显微镜观看材料的显微结构,例如：经过抛光腐蚀后可以看到不同金属或合金的晶粒大小及特点,从而判定其性能及其形成条件,使人们能够依据自己的意愿转变金属的性能,或合成新的合金；举例：纯钨丝退火过程中的组织变化；B. 扫描电镜分析： 扫描电子显微镜是用细聚焦的电子束在样品表面进行逐行扫描,电子束激发样 品表面发射二次电子,二次电子被收集并转换成电信号,在荧光屏上同步扫描成像；由于样品表面形貌各异,发射的二次电子强度不同；对应在屏幕上亮度不同,得到表面形貌像；目前扫描电子显微镜的分辨率已经达到
3、了 2nm 左右；举例：金属铸锭的树枝晶结构；化学法生长的纳米 ZnO；钢铁中的珠光体组 织（铁素体-Fe 和渗碳体 Fe3C间层混合物）；Al-Cu 合金； Ni 合金大变形冷轧后晶粒状态；C. 透射电镜分析 ：举例： Ni 合金大变形冷轧后晶粒状态；纯Al 热轧晶粒状态；D. 扫描探针显微镜： 1982 年创造扫描隧道显微镜；扫描隧道显微镜没有镜头,它使用一根探针；探针和物体之间加上电压,假如探针距离物体表面大约在纳米级的距离时,就会产生电子隧穿效应；电 子会穿过物体与探针之间的间隙,形成一股柔弱的电流；假如探针与物体的距离发生变化,这股电流也 会相应的转变；这样,通过测量电流可以探测物体
4、表面的外形,辨论率可以达到原子的级别；由于这项 神奇的创造, Binnig 和 Rohrer 获得了 1986 年的诺贝尔物理学奖；转变微探针的性能,可以测量样品表面的导电性、导磁性等等,现在已经成为巨大的扫描探针显微 镜SPM家族；建立在 SPM 技术之上的纳米加工工艺讨论、纳米结构理化性能表征、材料和器件纳米尺 它已被用来探测各种表面力、度形貌分析、 高密度储存技术, 是当今科学技术中最活跃的前沿领域之一；纳米力学性能、对生物过程进行现场观看；仍被用来将电荷定向沉积、对材料进行纳米加工等；晶体的相结构分析在材料科学领域,相是指具有特定的结构和性能的物质状态；材料中原子排列方式打算晶体的相结
5、 构,原子排列方式的变化导致了相结构的变化；在一种组织中可以同时存在几种相；同种材料在不同条 件下会以不同的相存在；转变加工成形工艺及后续热处理来获得不同的相组成,并实现可控的相变；物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶胞常数,确定物质的相结构；主要的物相分析手段 有三种： X 射线衍射 XRD 、电子衍射 ED及中子衍射 ND,其共同的原理是：利用电磁波或运动电子 束、中子束等与材料内部规章排列的原子作用产生相干散射,获得材料内部原子排列的信息,从而重组 出物质的结构；TEM 晶体的相结构分析：电子衍射 依据入射电子的能量大小,电子衍射可分为高能电子衍射和低能电子衍射；低能电子衍射 LE
6、ED 以能量为 10500eV 的电子束照耀样品表面,产生电子衍射；由于入射电子能量低,因而低 能电子衍射给出的是样品表面 15 个原子层的 结构 信息,故低能电子衍射是分析晶体表面结构的重 要方法,应用于表面吸附、腐蚀、催化、外延生长、表面处理等材料表面科学与工程领域；高能电子衍射分析 HEED,入射电子能量为 10200 keV；由于原子对电子的散射强（比 X 射线高 4 个数量级）,电子穿透才能差,因而透射式高能电子衍射只适用于对薄膜样品的分析；随着透射电子显微镜的进展, 电子衍射分析多在透射电子显微镜上进行；由于电子束可以在 电磁场作用下会聚得很细小,所以特殊适合测定微细晶体或亚微米尺
7、度的晶体结构；透射电子显微镜具有可实现样品选定区域电子衍射,并可实现微区样品结构 晶体的相结构分析 -中子衍射衍射分析与形貌观看相对应的特点；与 X 射线、电子受原子的电子云或势场散射的作用机理不同,中子受物质中原子核的散射,轻重原子对中子的散射才能差别比较小,中子衍射利于测定材料中轻原子分布；中子衍射仪价格较高, 不普及；名师归纳总结 第 1 页,共 4 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 成分和价键 电子 结构分析不同相的成分、基体与析出相的成分、同种化学成分和价键 电子结构包括宏观和微区化学成分元素的不同价键类型和化学环境；大部分成分和价键分析手
8、段都是基于同一个原理,即核外电子的能级分布反应了原子的特点信息；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点信息；依据出射信号的不同,成分分析手段可以分为两类：X 光谱和电子能谱,出射信号分别是X 射线和电子；X 光谱包括 X 射线荧光光谱 XRF 和电子探针 X 射线显微分析 EPMA两种技术,而电子能谱包括 X 射线光电子能谱 XPS、俄歇电子能谱 AES、电子能量缺失谱 EELS等分析手段；2. 电子衍射内容：单晶电子衍射分析及应用 我们进行观看的样品大半是多晶体,晶粒尺寸一般是微米数量级,但通过选区电子衍射方法,用选区光阑套住某一晶粒,获得就是单晶电子衍射花
9、样；单晶花样比多晶花样能供应更多的晶体学信息；由于电子衍射图可以认为是一个放大了的二维倒易点阵平面,其衍射电子束分布的几何外形与二维倒易点阵平面上倒易阵点的分布是相同的,所以电子衍射图的对称性可以用一个二维倒易点阵平面的对 称性加以说明；晶体的空间点阵与其倒易点阵是互为倒易的；电子衍射图与二维倒易点阵平面的直接对应关系,使得电子衍射图的说明变得简洁；当电子束沿n次旋转轴入射到晶体样品时,电子衍射图就具有n 次旋转对称性；每一个衍射电子束对应一个晶面,对电子衍射图的指标化就是将产生每一个衍射电子束对应的晶面指数找出来；一张电子衍射图相当于一个放大了的倒易点阵面,对电子衍射图的指标化就转化为对这个
10、倒易面上的倒易阵点进行指数标定；利用晶体几何学的学问就可以对倒易阵点进行指标化；与 X 射线物相分析相辅单晶电子衍射花样的基本应用：1 物相鉴定X 射线衍射始终是物相分析的主要手段,但是电子衍射的应用日益增多,相成；一方面,电子衍射物相分析的灵敏度特别高,就连一个小到几十甚至几个纳米的微晶也能通过现 代的纳米衍射技术给出清楚的电子衍射花样；另一方面,选区电子衍射都给出单晶电子衍射花样,当出 现未知的新结构时,可能比 X 射线多晶衍射花样易于分析；单晶花样仍可以得到有关晶体取向关系的信息等；电子衍射物相分析可以与形貌观看同时进行,仍能得到物相大小、外形、分布等重要信息；透射电子显微镜中加上 X
11、射线能谱仪和电子能量缺失谱仪附件,可直接得到所测物相的化学成分；物相验证的三个条件是 : 由衍射花样确定的点阵类型必需与ASTM 卡片中物相符合；衍射斑点指数必需自洽；主要低指数晶面间距与卡片中给出的标准d 值相符,答应的误差约为3左右；单晶电子衍射花样的基本应用：2. 晶体取向关系的验证晶体取向分析一般分为两种情形,一种是已知两相之间可能存在的取向关系,用电子衍射花样加 以验证,另一种是对两种晶体取向关系的猜测；在相变过程中,两相之间常有固定的取向关系,这种关系常用一对相互平行的晶面及面上一对平 行的晶始终表示；现举例说明如何用电子衍射花样来进行取向关系验证；某低碳钒钢金属薄膜样品,已知铁素
12、体 体心立方晶体,点阵常数a=0.2866 nm和 V4C3 析出相 面心立方晶体, a0.4130 nm两相的选区电子衍射花样负片示意如下列图；对两相花样分别指数化, 运算 已知相机常数 K=2.065 mm nm；3. 厄瓦尔德图 衍射矢量方程的几何图解：以晶体点阵原点 O 为圆心,以为半径 1/ 作一圆球面,从 O 作入射波波矢 k,其端点 O 为相应的倒易点阵的原点,称为厄瓦尔德反射球；当倒易阵点 G 与反射球面相截时,衍射方程成立,即衍射波矢k 就是从球心到这个倒易阵点的连线方向；反射球面是衍射方程的图解；产生衍射波的条件 ：只有当衍射矢量与倒易矢量相同时才可能产生强衍射,这就将衍射
13、与倒易空间联系在一起了；因此倒易空间也被称为波矢空间或衍射空间；入射电子波发生弹性散射的条件是它传递给晶格的动量恰好等于某一倒易矢量；. 由于电子波 很小,比 d 小两个数量级,所以衍射角 只有 12 度；. 由电子衍射的 Ewald 图解法可知,由于反射球半径相对于倒易阵点间距来说很大,在倒易原点附近可将反射球近似看成平面,所以 就是倒易截面的放大；一个倒易平面上的倒易点可同时与反射球相截；电子衍射花样名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 4 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4. 系统消光：由于 FHKL=0 而使衍射线消逝的现象称为系统消光；系统消光包
14、括 点阵消光和结构消光 ；点阵消光：在复杂点阵中,由于单胞的面心或体心上附加阵点而引起的 FHKL =0,称为点阵消光；结构消光：由微观对称元素螺旋轴、滑移面导致的 FHKL=0,称为结构消光；5. 单晶电子衍射特点：明锐的衍射斑点,靠近透射电子束的衍射斑点有较高的强度,外侧衍射束的强度逐步降低；衍射斑点的间距与晶面距离的倒数成正比；衍射斑点形成规章的几何外形-二维网格；; 衍射斑点的几何外形与二维倒易点阵平面上倒易阵点的分布是相同的；电子衍射图的对称性可以用一个二维倒易点阵平面的对称性加以说明转变晶体取向引起的倒易阵点与反射球面交截情形变化,从而导致电子衍射束的强度、数目以及 对称性都发生明
15、显变化,由于晶体取向的变化转变了衍射条件；6 多晶电子衍射：假如晶粒尺度很小,且晶粒的结晶学取向在三维空间是随机分布的,产生衍射束的样品中包含了众 多的晶粒,涵盖了全部的晶体取向,即同名晶面族对应的倒易阵点在倒易空间中的分布是等几率的,无 论电子束沿任何方向入射,同名晶面族对应的倒易阵点与反射球面相交的轨迹都是一个圆环形,由此产 生的衍射束均为圆形环线；全部衍射束形成的衍射花样为一些环绕透射束的同心圆环；多晶电子衍射特点： 半径恒定的同心圆环衍射线；同心圆环的半径依靠于点阵晶面间距；这些同心圆环衍射线的外形与入射电子束的方向无关；7非晶态物质衍射：非晶态结构物质的特点是原子的分布在特别小的范畴
16、内有肯定的序,即每个原子的近邻原子的排列 仍具有肯定的规律,出现肯定的几何特点；原子排列的短程序使得很多非晶态材料中仍旧较好地保留着 相应晶态结构中所存在的近邻配位情形,可以形成具有确定配位数和肯定大小的原子团,如四周体,八 面体或其它多面体单元；不再具有平移周期性,因此也不再有点阵和单胞；由于单个原子团或多面体中的 非晶态材料中原子团形成的这些多面体在空间的取向是随机分布的；原子只有近邻关系,反映到倒空间也只有对应这种原子近邻距离的一或两个倒易球面；反射球面与与它 们相交得到的轨迹都是一或两个半径恒定的,并且以倒易点阵原点为中心同心圆环；由于单个原子团或多面体的尺度特别小,其中包含的原子数目
17、特别少,倒易球面也远比多晶材料的 厚；所以,非晶态材料的电子衍射图只含有一个或两个特别弥散的衍射环；8. 选区电子衍射：原理在电镜的成像模式下,在物镜像平面上插入选区光阑,选定感爱好的区域,就犹如在样品平面上设定一个虚光阑,使虚光阑外的照明电子束被挡掉；再将电镜置于衍射模式,即可 获得选定区域的电子衍射花样；9. 透射电子显微分析 -图像的衬度 衬度： 图像上不同区域间明暗程度的差别；电子显微图像 ：是电子与物质相互作用后所携带的结构信息的记录；入射到试样中的电子束受到原 子的散射,在离开下表面时除了入射方向的透射束外,仍有受晶体结构调制的各级衍射束,它们的振幅 和相位都发生了变化,依选取成像
18、信息的不同,使获得的图像衬度显现了不同的形成机制；假如除透射束外仍同时让一束或多束衍射束参与成像,就会由于各束的相位相干作用而得到 晶格 条 纹像和晶体结构 原子像,前者是晶体中 原子面的投影 ,后者是晶体中 原子或原子团电势场的二维投影；用来成像的衍射束越多,得到的晶体结构细节越丰富；衍射衬度像的辨论率不能优于 1.5 nm（弱束 暗场像的极限辨论率） ,而相位衬度像能供应小于 1.5 nm 的细节；因此这种图像称为 高辨论像 ；用相位衬度方法成像,不仅能供应样品讨论对象的外形 构信息；相当于明场像 ,更重要的是供应了晶体结名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 4 页精选学
19、习资料 - - - - - - - - - 复习题 10. 缺陷不行见性判据对于给定的缺陷R 确定,当选用满意：g R = 整数 的 g 成像时,缺陷衬度消逝,即不行见；在面心立方晶体中 ,在各个双束条件下全位错的可见和不行见的衍射像示意图如下列图,图中右下角插入衍射成像所用的操作反射 g；由图可知,用 g020 成像,显现 ABCD 位错像,用 g200 成像,就 CD 位错消逝,但显现了 E 位错；再用 g12 成像, AC 位错消逝,仅存 BDE 位错成像；根据上述不同操作的反射 g 的衍射像,结合面心立方位错的类型,依据表进行判定,可便利确定出衍射像中位错的柏氏矢量；倾斜于薄膜表面的层
20、错：薄膜内存在倾斜于表面的层错,它与上、下表面的交线分别为 T 和 B,此时层错区域内的衍射振幅仍由距上表面的深度打算；但在该区域内的不同位置,晶体柱上、下两部分的厚度 t1 和 t2=t-t1 是逐点变化的, Ig 将随 t1 厚度的变化产生周期性的振荡,同时,层错面在试样中同一深度 z 处, Ig 相同；因此,层错衍衬像表现为平行于层错面迹线的明暗相间的条纹；晶粒、晶界：大多数材料是由各种取向的小晶体（一般称为晶粒）集合而成的,晶粒间界面（晶界）的性质对块体材料的性能有很大影响；晶界我们用取向差轴、角和界平面来表征,有些界面可能满意某些特定的几何条件,这类特殊界面的存在可能给予材料某些特殊
21、的性能；当晶界两边的晶粒点阵,共享（同时占位）肯定分数的相同阵点 位置时, 我们称其为重位点阵 （CSL ）； CSL 点阵用 n 表示 , 这里的 n 表示 CSL 点阵的单胞是标准单胞的 n 倍；两个坐标系间方向关系可用一个角和一个轴,即来确立；多晶材料中每个晶粒的取向是由其自身的晶体学坐标系定义的,不同晶粒之间取向的差异称为取向差 ；一般用这样的角 -轴（ ）对来描述晶粒间的取向差；晶体取向图必需揭示出样品表面全部晶粒和晶界的位置,这与一般金相或扫描电镜形貌图不同；在晶体取向图中,一个 晶粒 是被这样定义的：毗邻像素点间 取向差低于一个阈值角度 的像素点集合区；晶粒尺寸的分布 可在 ma
22、pping 上直接测量；另外仍可以得到 晶界取向差角度的分布资料 和 nd 特殊晶界分布位置 的信息；11透射电子显微分析应用领域：电子显微学在材料科学中应用的几个方面晶体缺陷讨论：位错、层错、畴结构,并结合材料的形变、断裂、相变；界面结构讨论：界面两侧点阵匹配、晶体取向和界面位错、界面结构和元素偏析、晶界的迁移等；相变过程讨论：相的外形分布、相结构、相变机制、新相形核和晶体缺陷关系、相变产物与母相的晶体学关系复习题 1光学显微镜的辨论本事物 面上两个靠近的物点所形成的像面上的两个 Airy 盘会叠加, 当两个斑重叠到叠加峰谷的强度是最高峰强度的 81%时,人眼可辨论,此时两 Airy 斑中心
23、间距恰好为第一暗环半径长,为此为 Lord Rayleigh 判据；所以物面上两点间距离为：r 0 R 0 0 . 61对光学显微镜： r 0= /2 M n sin在电子透镜中,球差对辨论本事的影响最为重要,由于没有一种简便方法能使其矫正过来,而其它像差,只要在设计、制造和使用时实行适当的的措施,基本上可以排除到不至于影响到辨论率的程度；. 兼顾衍射效应和球差,取两者的漫散园斑半径相等时的孔径角为正确,就有：0.61 / =Cs 3（在电镜情形下,很小）所以 正确 1.4 1/4 Cs-1/4,rmin=0.43 3/4 Cs1/4 ,如 100kV,0.0037nm,Cs=0.88mm,就
24、 rmin=0.2nm；12极图分析：取向空间. 用一组 1, ,2 值即可表达晶体的一个取向,且有：0 1 2 ,0,0 2 2 ；用 1, ,2 作为空间直角坐标系的三个变量就可以建立起一个取向空间,即欧拉空间；. 立方晶系：板材内的织构相对于轧板坐标系（轧向、横向、板法向）具有正交对称性 222；立方晶系自身通常具有的对称性432,所以一个取向在上述取向空间内会多次显现在不同的地方；这.名师归纳总结 - - - - - - -种多重性用 Z 表示；对于一般取向其Z 值为 96,对高对称性的取向其Z 值可能会是 48 或 24 等；因此分析取向分布函数取向时可大大缩减取向空间的范畴；通常取 01/2,0/2,02/2；这个范畴仍可划分成三个小的子空间,它对应着方向的三次对称性；第 4 页,共 4 页