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材料分析方法
材料分析基础全面知识点总结，几乎概括每一个知识点和考点
编辑于2020-06-13 00:36:51- 相似推荐
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材料分析方法
电子束与物质相互作用及电子光学基础
电子束与物质相互作用产生的各种信号及特点
散射
弹性散射：只变方向，不变能量
非弹性散射：方向、能量都改变
衰减能量转化为热、光、X射线、二次电子……
激发的信号
二次电子
定义：入射电子束轰击下离开的样品的核外电子
特点
表面形貌敏感性
空间分辨率高：入射电子束无明显侧向扩张
信号收集率高：自身能量低，易受电场作用，加正电压，使电子进入检测器
产生范围小（样品层10nm以内）
激发率：δ正比于1/cosθ
背散射电子
定义：入射电子被样品原子核反弹回的电子
特点
原子序数敏感性
背散射电子产额随原子序数增大而增大
用于形貌分析；显示原子序数衬度，定性做成分分析
分辨率低
收集率低
能量和入射电子相当，收集到的信号来自大范围
信号收集率低：背散射电子能量高，运动方向不易偏转
透射电子
定义：入射电子穿过薄样品成为透射电子
由微区的厚度、成分和晶体结构决定
特征X射线
定义：样品原子被入射电子激发，内层电子处于激发态，外层电子向内层跃迁填补空缺释放的能量
用途：定性/定量微区成分分析
俄歇电子
定义：能级跃迁，使空位层的外层电子发射出去
特点
能量具有特征值
近表面性质
适于表面薄层分析
能量很低
适于分析轻元素和超轻元素
吸收电子
入射电子能量被吸收殆尽
吸收电子信号和二次电子或背散射电子信号互补，强度相反，图像衬度相反
轻元素的滴状作用体积、重元素的半球状作用体积的形成原理
电磁透镜的聚焦原理
一种轴对称不均匀分布的磁场
螺旋式近轴运动，与聚焦类似
电磁透镜的基本特点
1/F=1/L1+1/L2（L1:物距，L2：相距，F焦距）
焦距总为正
材料组织形貌分析
扫描电镜SEM
SEM电镜成像原理
电子光学系统作用：获得扫描电子束，作为使试样产生各种物理信号的激发源
电子枪
电磁透镜——聚光作用：将电子枪的束斑逐级缩小50微米到几纳米
扫描线圈——使电子束偏转，并在样品表面做有规则扫动
样品室
获得较高信号强度和扫描像分辨率——较高亮度+尽可能小束斑直径
样品制备
取样
尺寸
5~10mm
大小小于样品座
处理方式——镀膜
真空镀膜
离子溅射镀膜
化学浸蚀法
电解浸蚀法
二次电子像的衬度原理
二次电子特点：对试样表面形貌敏感
入射电子束强度一定时，二次电子信号强度随试样倾斜角θ的增大而增大
角度越大二次电子产额越多，荧光屏上亮度越大
形貌分析
背散射原子序数衬度原理
原子序数越大，背散射电子产额越大
背散射电子形貌衬度特点
形貌分析不及二次电子
结构分析
二次电子像和背散射像之间的区别
二次电子
与原子序数无关，试样表面倾斜角越大，二次电子的信号强度越大，图像越亮
二次电子是入射电子束轰击下离开的样品的核外电子，由于是非弹性相互作用，存在能量损失。
背散射
原子序数越大，背散射电子产额越大，信号越强，图像越亮
入射电子与原子核弹性作用，无能量损失
透射电镜TEM
透射电镜结构
电子光学系统
照明系统
电子枪
热电子发射型
场发射型
聚光镜
作用：调节照明强度、孔径角和束斑大小
成像系统
物镜
作用：形成高分辨电子显微图像，透射电镜分辨率主要取决于物镜
中间镜
作用：控制电镜总放大倍数，控制成像或衍射操作
投影镜
作用：把中间镜成像进一步放大或缩小，达到照相要求
光阑
聚光镜光阑
限制照明孔径角
物镜光阑
提高成像衬度
选区光阑
特定视场成像或衍射分析用
观察记录系统
电源与控制系统
真空系统
透射电镜成像原理
成像：中间镜的物平面与物镜的像平面重合
衍射：中间镜的物平面和物镜的焦平面重合

TEM样品的主要制备方法
被观察的样品对入射电子束是“透明的”，适宜厚度约200nm
复型样品
表面复型技术
操作要求
金相试样表面仔细抛光，避免引起表层组织变化
注意各种复型方法对样品表面浮雕的复制能力
透射电子显微镜下对复型材料
塑料一级复型P105
最简单
已浸蚀的金相试样表面直接浇铸
制备方法
局限性
只能做金相试样分析，不宜做表面起伏较大的断口分析
断口高度差较大，无法做出较薄的复型膜
分辨率不高、电子束照射下易分解
碳一级复型P105
特点
碳粒子直径较小，分辨率高
试样被破坏
已制备好的金相试样表面直接蒸发沉积碳膜（光谱纯碳）
子主题
制备方法
塑料-碳二级复型P106
目前最常用；有二者的部分优点；对金相组织和断口形貌观察，尤其是断口样品，比一级复型有更多应用
制备方法
特点
不破坏金相试样原始表面
对粗糙的断口样品比剥离比较容易，膜不易损坏
导热导电性好，在电子束照射下较为稳定
最终复型是带有重金属投影的碳膜
分辨率和塑料一级复型相当
粉末样品P109
支持膜的制备
粉末 均匀分布于支持膜上
制备方法

金属块状样品（制成薄膜试样）
薄膜样品要求
薄膜样品组织结构和大块样品相同
样品具有一定的透明度，或样品厚度小于500nm
薄膜样品应具有一定的刚度
机械切割小于0.5mm
手工减薄厚度小于100um——电解减薄至所需样品
步骤
1.机械切割至厚度小于0.5mm
2.金相砂纸研磨或化学抛光——减薄0.05mm-0.1mm
3.电解抛光——孔洞边缘厚度小于500nm
手工减薄厚度小于50um——离子减薄至所需样品
步骤P117
原理P117
优点
制备试样厚度均匀，薄区面积大，试样表面清洁
几乎适用于所有固体材料和试样制备
缺点
对试样减薄速度慢，制作成本高
薄膜截面样品
制备步骤P119
厚度衬度成像原理
原理：厚的部分透过电子束弱，薄的地方透过电子束强，在荧光屏上形成有衬度的像
衬度
明场像
定义：物镜光阑挡住衍射光束，让透射束通过
暗场像
定义：物镜光阑挡住透射光束，让衍射束通过
特点：暗场像的衬度比明场像好
不同像的作用，不同情况应用哪种
形貌分析
结构分析
X射线散射
相干散射（于原波长相同）
原因：物质中受迫振动的电子向空间各个方向辐同频率电磁波所发生的干涉现象
特点：不损失X射线能量，只改变传播方向
非相干散射（不同）
原因：
特点：波长随位向而改变，不存在固定位向关系，散射线之间不发生干涉作用
X射线的吸收
产生原因：原子内部电子跃迁，发生X射线光电效应和俄歇效应。造成X射线强度被衰减
衰减规律P152
X射线吸收限应用：X射线探伤
X射线衍射学
X射线的本质
产生X射线基本条件
产生并发射自由电子
使电子做定向的高速运动
障碍物阻止电子，使电子突然减速或停止
连续X射线
特征
连续谱总强度
X射线谱图像特点
X射线强度沿波长连续分布
短波限的存在——一个电子与靶材碰撞放出的能量全部给予一个光子，此光子的波长
强度最大波长
定义：具有连续波长的X射线（白色X射线谱）
标识（特征）X射线
定义：在连续X射线谱上叠加若干一定波长谱线（该谱线与靶极的材料有关，是某种元素的标志），又称单色X射线
特征
他们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值
波长不受管电压、管电流的影响，只取决于阳极靶材元素的原子序数
阳极靶的原子序数越大，相应于同一系的特征谱波长越短
如何产生
产生原理：样品原子被入射电子激发，内层电子处于激发态，外层电子向内层跃迁填补空缺释放的能量
产生方法：对于给定的阳极靶材，管电压达到某一特定值VK
X射线衍射几何
劳厄方程P171
方法
干涉函数空间分布特征
干涉函数
图像
特点：由主峰和副峰组成，N1>100时，强度集中在主峰，副峰可忽略
晶体对X射线的衍射只在一定方向才能产生衍射射线，而且每条衍射线本身具有一定强度分布范围
标量形式
布拉格方程P175
基本假设
晶体有许多平行原子面堆积成
衍射线看做原子面对入射线的反射
推导过程P176

干涉加强的条件
n：整数，反射级数
θ：半衍射角
2θ：衍射角
d:最大晶面间距
讨论
特征和镜面反射类似
与镜面反射不同：满足布拉格方程才能发生衍射
产生衍射条件
λ<2d
不发生消光
简单点阵：HKL任意都可以发生衍射
底心点阵：H、K全为奇或全为偶
体心点阵：H+K+L为偶数
面心点阵：H、K、L全奇或全偶
选用波长越短，出现衍射线数目越多
干涉面和干涉指数

H=nh
K=nk
L=nl
干涉指数
晶面指数：互质整数
干涉指数：可以有公约数
干涉面：为了简化布拉格方程引入的反射面
衍射花样和晶体结构的关系
布拉格方程反映出晶体结构中晶胞大小及形状变化
布拉格方程未反映出晶胞中原子种类和位置
衍射矢量方程P179
衍射矢量

厄瓦尔德图解法P180
图解
定义
沿入射线方向长度为1/λ的矢量
矢量末端在倒易点阵原点O*
以矢量起始端C为中心，以1/λ为半径画球，为反射球
衍射条件：与反射球面相交的倒易点阵都满足衍射条件，方向为中心与交点的连线
等同
X射线衍射强度
一个电子对X射线的衍射
单个电子的散射强度与电子质量的平方成正比
原子核质量>>电子，原子核受迫振动忽略不计
一个原子对X射线的衍射
散射因子
理想状况：原子钟所有电子集中在一点同时振动
实际：电子的散射波之间存在相位差
原子散射因子f：表达一个原子散射和一个电子散射之间的对应关系：

单胞对X射线的衍射
结构因子
推导：晶胞中含有n个原子，散射振幅各不相同，不是简单相加
表达式
结构因素公式的应用（会写）
不同晶体结构消光规律（系统消光：FHKL=0）
点阵消光
发生衍射条件
简单点阵：HKL任意都可以发生衍射
底心点阵：H、K全为奇或全为偶
体心点阵：H+K+L为偶数
面心点阵：H、K、L全奇或全偶
概括

结构消光P188
产生衍射的条件
充分条件
满足布拉格方程
FHKL≠0
影响衍射强度的其他因素
多重性因子：晶体中各（HKL）面的等同晶面（组）的数目称为各自的多重性因子
晶面间距相等的晶面（组）为等同晶面组
吸收因子：试样对X射线吸收造成衍射强度衰减
温度因子
多晶体粉末法的衍射几何（倒易球的概念）
倒易球
定义：等同晶面组{HKL}在倒易空间中倒易矢量的轨迹
半径：r=1/dHKL
各等同晶面族的倒易阵点都分布在同一个倒易球上面
粉末法成像原理
满足衍射条件时，根据埃瓦尔德图解原理，反射求与倒易球相交，交线为一系列垂直于入射线的圆
衍射圆环：所得到的衍射花样为以入射线与底片交点为中心的同心圆
德拜-谢乐法
设计原理：衍射几何
基本结构
基本特点
相机半径等于底片曲率半径
相机直径一般为57.2mm或114.4mm，是衍射花样计算简化
试样架位于相机中心轴
光阑主要作用：限制入射线的不平行度，固定入射线的尺寸和位置
承光管：观察入射线和试样的相对位置
样品制备
底片安装
正装法：衍射角从底片中心向两侧逐渐增加，适用于物相分析
反装法：衍射角从底片中心向两侧逐渐减小，适用于点阵常数的测定
不对称安装法：可直接测定圆筒底片的曲率半径，可校正由于底片收缩、试样偏心及相机半径不准确产生的误差，适用于点阵常数的精确测定
测量和计算
前反射区
（2θ<90°，θ用角度表示）
后反射区
（2θ>90°，φ用角度表示）
劳厄法的衍射几何及衍射花样的几何解释
劳厄法
简介
连续X射线照射不动单晶体
高强度连续X射线，高效成像
射线强度与阳极靶原子序数成正比
工作电压：30-70kV
基本方法：透射法、背射法
成像原理P211：所有位于A、B两个反射球之间的倒易结点都满足衍射条件
衍射花样
方法二P212：同一晶带的倒易阵点线段构成一个过原点的倒易结点线段平面，该平面与反射球相交，交线为一个圆
X射线应用分析
成分分析：确定组成物质的元素成分及含量
物相分析：确定各种元素的存在状态、晶体结构等
定性物相分析
原理：每种晶体有特有的衍射花样，而混合物就是机械叠加各种衍射花样
方法：检索PDF卡片P270-274
哈纳瓦尔特（Hanawalt）索引
字母索引
步骤
获得衍射谱
确定衍射线峰位
以三强线查索引
定量物相分析
原理
各相衍射线强度随该相含量增加而增强
因为吸收作用，强度不严格正比于含量
X射线物相定量分析加以修正
方法
内标法P276
K值法P278
点阵常数精确测定的原理
原理:判断衍射线的位置（2θ），以衍射花样指数化为基础，通过布拉格方程和晶面间距公式计算点阵常数
影响因素
入射X射线波长
晶面指数（HKL）
sinθ（主要原因）
点阵常数相对误差和cotθ成正比（θ尽可能接近90°）
德拜谢乐法系统误差283-286
相机半径误差
底片伸缩误差
试样偏心误差
试样吸收误差
衍射仪法主要误差
不能利用外推函数消除的误差
测角仪零点的调整误差
2θ/θ的2:1驱动匹配误差
技术测量系统滞后误差
可利用外推函数消除的误差
平板式样误差
试样表面的离轴误差
试样透明度误差
宏观应力测量的基本原理
单轴应力状态
基本公式
X射线测量宏观应力主要是测量残余应变（虎克定律）
平面应力状态295
织构
定义：材料中晶粒取向趋于一定方向的聚集现象。也叫择优取向
分类306
丝织构
板织构
丝织构的衍射几何
透射电镜下材料相结构分析
电子衍射结构分析
电子衍射原理（偏离矢量的物理意义）
透射电镜各光阑的作用
单晶电子衍射花样
标定方法
应用
衍射衬读的成像原理
明场像成像原理：透射电子束直接成像
暗场像成像原理：用衍射花样中的一个衍射斑点，套用这个斑点去做弱束暗场像
其他显微分析手段
电子探针
俄歇电子能谱仪AES
主题
对比
碳膜厚度基本相同；塑料膜有一个面是平面，膜的厚度随试样的位置而异
塑料：不破坏试样；碳：破坏试样
塑料：分辨率低；碳：分辨率比塑料高一个数量级