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1、粉末衍射方法的应用第1页，本讲稿共24页当今分析研究对晶体微观结构的当今分析研究对晶体微观结构的分析越来越多，运用的方法也是分析越来越多，运用的方法也是越来越多，而其中的越来越多，而其中的x射线衍射也射线衍射也被越来越多的应用。这次我要对被越来越多的应用。这次我要对x射线衍射中粉末衍射的应用进行射线衍射中粉末衍射的应用进行介绍。介绍。第2页，本讲稿共24页 粉末衍射的应用有物相分析、晶胞参数精确测定及其应用以及衍射线强度分布数据的应用，我就对其中的晶胞参数精确测定进行讲解。精确的晶胞参数数据能够反映一种物质的不同样品间在结构上的细微差异，或者一种晶体的结构在外界物理化学因素作用下产生的的微小变
2、化。它有很多重要的应用，例如在相图研究、固溶体研究、晶体的密度、热膨胀系数的测定、金属材料中应力的测定以及矿物学中类质同象系列的研究等方面，均需要有精确的晶胞参数数据。返回第3页，本讲稿共24页新型粉末衍射仪 与之配套的高精密度测角仪第4页，本讲稿共24页X射线发生器射线发生器 第5页，本讲稿共24页X射线强度测量系统返回第6页，本讲稿共24页1.衍射角的测量误差与与d值误差值误差d的的关系关系微分bragg方程可以得到:qqcotD-=Ddd这个式子给出了d的相对测定误差和的关系。从上式可见，无论是为了精确测定晶胞参数或者是为了比较结构参数的差异或变化，原则上都应该尽可能使用高角度衍射线的数
3、据 第7页，本讲稿共24页下表是当=0.01时，对于不同衍射角的晶面所引入的d值测定的相对误差d/d:角度1020406080d/d 0.0990.0480.0210.0100.003q第8页，本讲稿共24页当d/d=0.001时，不同衍射角的衍射线的位移2：（度）-2 线的位移（mm）（对于570.3的debye相机）CuK1-CuK2双重线间的间距（2度）100.0200.010.05200.0420.020.10400.0960.050.24600.1980.100.49800.6050.3251.61第9页，本讲稿共24页衍射角测定中的系统误差：衍射角测定中的系统误差有几方面的来源：一
4、是物理因素带来的，如X射线折射的影响，波长色散的影响等；二是测量方法的几何因素产生的。用Debye相机进行精确测定时，仪器方法的几何因素如半经误差，底片收缩，样品偏心，以及样品的吸收等都能引入显著的系统误差，在此不作详细叙述 第10页，本讲稿共24页精确测定晶胞参数的方法精确测定晶胞参数的方法 为了精确测定晶胞参数，必须有精确的数据，通常有两种方法，1用标准物质进行校正，2适当的处理方法。和以前作实验时基本上原理一样。返回第11页，本讲稿共24页3精确晶胞参数数据的应用精确晶胞参数数据的应用(1)精确晶胞参数数据的应用精确晶胞参数数据的应用(2)固溶体成分的测定(3)固溶度的测定(4)金属材料
5、中宏观应力的测量(5)测定有关的晶体性质数据测定有关的晶体性质数据第12页，本讲稿共24页谢谢观赏!祝大家新年快乐!哈哈哈 第13页，本讲稿共24页固溶体也就是固态溶液，它是指在固态条件下，在一种组分内溶解其他的组分，由组成的呈单一物象的均匀固体，也就是说，固溶液是由两个或两个以上的物质组成的。其中含量较高的可以看做是溶剂，其他的看作是溶质，固溶体就是由溶质均匀地“溶解”在固体溶剂后形成的，固体溶剂大多是晶体。其中，二元金属固溶剂是最简单的合金也是最简单的固溶体。1.固体类型的研究 第14页，本讲稿共24页 根据溶质质点在溶剂中所占的位置不同，可将固溶体分为填隙式、置换式和缺位式。可想而知，填
6、隙式就是指溶质的原子只填充于溶剂晶格的原子间的空隙，此类的固溶体不多，多数是过度原子空隙里包含C,B,N和H等生成间隙物相。置换式是溶质的原子代替了部分溶剂晶格中的相应原子并占有其配位的位置而形成的固溶体，如矿石和离子化合物中广泛的各种混晶，其成分成分可以可连续变化，从而组成同类同相系列。缺位式也较为少见，这类固溶体中并不是每个结构位置都有质点占据，而是有空位存在着。第15页，本讲稿共24页 固溶体类型的确定主要是依据实验计算的晶胞内所含原子的总质量。从实验测量的晶胞参数和密度便可以计算得到的晶胞的总质量；从晶胞的总质量和固溶体的元素重量可以计算得单位晶胞中的各种原子或离子的数目；从而可以得知
7、是否与结构位置的数目相当。这和以前无机中学过的晶胞的计算的原理基本是一样的。例题返回第16页，本讲稿共24页例如：一种奥氏体为例，其元素重量组成为：Fe=86.5，Mn=12.1%，C=1.34%，结构为面心立方，a0=3.631埃，密度测值=7.83克厘米。http:/则：晶胞的总质量m=*（a0）3=7.83*3.6313*10-24克根据重量组成计算可得到一个晶胞内各种原子的数目n如下：N=m*N*Fe%/Fe=m*N*86.56%/55.85=3.5n=mNMn%Mn=mN12.10%54.93=0.5n=mNC%C=mN1.34%12=0.25所以 在一个晶胞中的各种原子的总数为4.
8、25，Fe和Mn原子有相近的半径，其原子数目之和正好为4，占据了全部的结构位置，所以碳原子只能处于它们的间隙空间中，从碳的原子半径考虑这是可能的。返回第17页，本讲稿共24页2.固溶体成分的测定固溶体成分的测定固溶体的结构参数随着其成分的改变而改变，在固溶度范围内变化是连续的，因而它的各种性质的变化也是连续的。因此若事先已知或者建立了固溶体的成份与结构参数关系的某种实验曲线，就可以利用精确的结构参数进行固溶体成份的测定；与此相仿，也可以利用精确的结构参数进行固溶体其他性质的测定 例子返回第18页，本讲稿共24页这是一个矿物学中的例子。在矿物晶体中，类质同象现象十分普遍，从固溶体的观点看来，类质
9、同象混晶就是置换置换式固溶体。现在已经积累了较丰富的各种矿物类质同象系列的成分与结构关系的实验曲线或公式。对于对称度较高的等轴晶系和部分中级晶系的晶体，大多直接采用晶胞参数，因为它可以根据较多的衍射线来求得尽可能精确的数值；对于低级晶系和部分中级晶系的晶体往往用某一特定衍射线的d值来进行测定，因为单测定一个d值较测定其晶胞参数简单，而且某些d值随成分的改变更为显著。第19页，本讲稿共24页天然生成的闪锌矿（立方的-ZnS）大都含有作为同晶置换的铁，成分中的FeS的含量增多时a0会相应增大，其中的关系式为http:/a0=5.40930.0005637x-0.000004107x2式中x为FeS
10、的摩尔百分含量，按此关系可以用X射线精确测定a0从而求得闪锌矿中FeS的含量。参考闪锌矿中FeS的固溶极限与温度的关系，则可进而根据闪锌矿中FeS的含量推知该矿物形成时的温度。这一应用被称为X射线地质温度计。由闪锌矿的成份数据求得的矿物生成温度的精确度为50。返回第20页，本讲稿共24页用固溶体的结构参数随成分连续变化关系的原理，可以进行固溶度的测定，例如可以精确测定合金体系相图从单相区到两相区的相应界.固溶度的测定固溶度的测定例子返回第21页，本讲稿共24页这里以二元合金体系为例。假定我们要测定某二元合金体系如1图，当B含量较少时为单相区，该相是B在A中的固溶体；当B逐渐增加，在温度T时含量
11、大于P点时出现新相C。可以想象，随着B含量的增加，开始时衍射图只有晶体A的衍射线，达到P点处C相的线条才出现，但此时C相含量很少，它的衍射线强度很弱，很难测准P点的横坐标。然而我们可以通过测定A相固溶体的结构参数a0（也可以用对于每一个温度都将能得到类似图b中的关系曲线，曲线表明其它某一晶面的d值）随体系中B含量的变化，结构参数经折点后则不随B含量的增加而变化，这一点所对应的B的含量能测定得较为准确，此点即该温度下相图中单相区与两相区的界点P。图a A-B二元合金相图中的一种情况 图b 固溶体的晶胞参数随溶质和增加而改变，达到溶度限度后保持不变 第22页，本讲稿共24页金属材料中的应力可以区分
12、为宏观应力和两种微观应力，这些应力对材料的性能有不同的影响。这三种应力对应于材料晶体结构三种情况的畸变，这些畸变能分别对X射线衍射线产生下列效应线条位移、线条宽化和线条强度降低，所以可以用x衍射来测量金属材料中的各种作用力。4.金属材料中宏观应力的测量金属材料中宏观应力的测量返回第23页，本讲稿共24页测定有关的晶体性质数据测定有关的晶体性质数据晶体的性质参数往往是直接和晶胞参数或晶面距离相联系的，例如密度、热膨胀系数等，然而这些数据有时是不能用通常的方法测定或不能准确测定，但是利用X射线衍射就可以方便地测定。根据每个晶胞所含每种原子的数目和由晶胞参数可以计算出晶胞的容积，便可计算出它的理论密度返回第24页，本讲稿共24页