x射线衍射在材料科学与工程应用

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1、X射线衍射在材料科学与工程应用司光宇学号：H101901202材料科学与工程专业摘要：x射线衍射在研究晶体，物相，微观应力等方面发挥着很大的用途，对于研究微观结构可以提供一定的依据，可以对于未知的材料推测其组成及其成分。关键词：x射线衍射，物相，晶体结构，应力，合金分析材料科学与工程专业学习及研究内容：材料科学基础、材料研究与测试方法、物理化学、材料工程基础、材料生产工艺及设备、功能材料学、量子力学、固体物理、材料物理性能、半导体材料、磁性材料。晶体的结构，材料的弹性畸变与变形，金属的传热，金属扩散，钢的热处理，材料的表面改性等。则

2、在研究本专业的内容时，需要x射线衍射技术的表征，便于对材料微观组织的研究，应力分析，主要表现如下1x射线衍射研究方法1.1劳厄法：①确定晶体取向;②确定晶体的对称;③利用劳厄斑点内部精细结构研究体亚结构。1.2旋转或回摆晶体法。本方法应用单色的X射线,试样旋转或回摆,人射X射线和旋转轴重合。此方法主要用于确定晶胞的大小,点阵常数和晶体的取向。1.3粉末法主要用于相图中固态相界的测定,新相的结构分析,固溶无序一有序相变的研究。材料热处理及相转变过程中析出相的定性分析;金属合金范性形变机理的研究,包括冷加工、回复和再结晶过程的研究,形变

3、织构、晶粒度、内应力的测定,位错的观察等;合金中夹杂物分析;点阵参数的精确测量1.4衍射仪法。2.X射线衍射在材料科学学科的应用2.1X射线衍射在金属学中的应用X射线衍射，用于研究金属和合金的晶体结构，可以得到很多重要内容。比如钢铁的组织观察与分析，α铁素体向奥氏体转化时是由体心立方向面心立方的转化，以致其组织性能发生变化，用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究取得了成果。研究点阵在合金中有序无序转变的研究，由得到的相图可以制定相应的加工工艺，X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某

4、些非晶态物质微观结构的有效方法。2.2对于未知新材料的物相分析,结构分析主要为定性分析和定量分析。定性分析把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；定量分析根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。2.3精密测定点阵参数相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，致密度，从而确定固溶体类型；包含间隙固溶体，置换固溶体。2.4单晶与多晶的取向分析晶体的单晶与多晶具有一定的取向，研究金属的形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动，扭折等，

5、也与取向的测定有关。2.5晶粒大小和微观应力的测定由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。2.6对晶体结构不完整性包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。2.7合金相变包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。2.8结构分析对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。2.9液态金属和非晶态金属研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。3x射线衍射设计实

6、验未知晶体物相分析及各相组成3.1实验原理：物相分析，即分析某种材料中含有哪几种结晶物质，或是某种物质以何种结晶状态存在。根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质方法，就是X射线物相分析。利用X射线衍射分析可确定某结晶物质属于立方、四方、六方、单斜还是斜方晶系。。晶态物质组成元素或基团如不相同或其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就显现出差异。因此，通过样品的X射线衍射图与已知的晶态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定；通过对样品

7、衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分析；定性分析原理由布拉格(Bragg)方程得晶体的每一个衍射峰都和一组晶面间距为d的晶面组的关系:2dsinθ=nλ式中，为入射线与晶面的夹角，λ为入射线的波长。另一方面，晶体的每一条衍射线的强度Ｉ又与结构因子Ｆ模量的平方成正比：I=I0K

8、F

9、^2V式中，I0为单位截面上入射Ｘ射线的功率；Ｋ为比例因子，与实验衍射几何条件、试样的形状、吸收性质、温度及一些物理常数有关；V为参加衍射的晶体的体积；

10、F

11、2称为结构因子，取决于晶体的结构，它是晶胞内原子坐标的函数，由它决定了衍射的强度。

12、可见d和

13、F

14、2都是由晶体的结构所决定的，因此每种物质都必有其特有的衍射图谱。因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。通常利用PDF衍射卡片进行物相分析。定量分析原理K值法原理K值与加入标样含量无关，无需作定标曲线，且K值易求，称K值法