X射线多晶体衍射的一些应用-X射线衍射分析.doc

X射线多晶体衍射的一些应用(1) 该题目下的文章录自《近代X射线多晶体衍射—实验技术与数据分析》（马礼敦，化学工业出版社，2004）第11章,这是第1部分。 只有晶体才会使射线衍射，因而X射线多晶体衍射主要应用于多晶物体。世界上的任何物体均是由某些材料构成的，而固体材料中的多数是属多晶体，非晶体和液体的某些问题，也可用X射线多晶栓衍射设备作研究，所以，X射线多晶体衍射应用的领域是很广泛的。 X射线多晶体衍射主要可用于下列几个方面。 （一）物质结构的测定 分子和晶体结构的测定 在过去，这主要通过单晶体衍射和某些光谱技术来进行，自全谱拟合数据分析方法提出以后，用多晶体衍射来测分子和晶体结构已经可能，目前还在发展。 晶体内微结构的测定 晶体具有周期性结构，但实际晶体的周期性是被破坏的，存在着各种各样的缺陷，这些缺陷即为实际晶体的微结构。除X射线多晶体衍射外，其他可用来测定微结构的方法还不多。 聚集体结构的测定 人们使用的材料在绝大多数情况下不是一块单晶体，而是由无数个小单晶聚集在一起的大块材料，这种多晶聚集体的性能不仅与构成聚集体的分子或晶体结构有关，还和聚集体结构有关。所谓聚集体结构是指此聚集体中包含了几个物相？这些物相是什么？它们的相对量是多少？每一个物相所含小晶粒的平均尺寸有多大？尺寸分布又怎样？这些小晶粒聚集时晶粒取向是混乱的，还是存在着择优取向？若聚集体包含几个物相，则这些物相的晶粒是均匀混合的还是偏聚在某个位置，取不均匀分布等这样一些问题。 （二）结构和性能关系的确定 测定不同层次的各种结构，这本身不是目的，目的应该是搞清楚结构和性能的关系，因为性能是和材料的使用密切相关的，人们之需要材料正在于使用。 （三）材料制备、加工和改性条件的选择及产品质量的控制 材料的结构与制备过程的各种条件密切有关，如组成配方、温度压力、加料速度、溶剂浓度等，而且在加式的过程中，还会发生变化的，只有合适的条件才能制得人合乎要求的材料。XPD常用来跟踪制备过程，检测中间产品及最终产品的状况，从而选择适当的制备条件。为了获得更优异的性能，需要对已有的材料进行改性，XPD也常常作为改性过程的检测手段，以获得最佳改性条件。 （四）物体在运用或存在的过程中结构变化的检测 物体在某种过程（一个物理过程、化学反应或若干地质年代等）中，性能常会慢慢地变化，有时会造成严重事故的发生。性能慢慢地变化，如催化剂催化活行的降低，金属材料的疲劳，地层中应力的变化等，有时会造成严重事故的发生。性能的变化常常伴随有结构的变化，利用XPD可检测结构的变化，弄清性能变化与结构变化的关系，从而检测和了解这些变化，采取适当措施以避免或减缓结构的变化，达到控制性能变化的目的。 X射线多晶体衍射可应用的领域十分广泛，可解决的问题也是各种各样的，下面只对某些领域的一些应用作扼要介绍，由此可见一斑。 冶金和机械工业 金属（合金）有悠久的使用历史，金属制品已用在人类生活的各个方面。近代，通过对冶金过程的改进和对金属材料的后处理，已制造适应各种复杂情况且具有特定性能的合金材料，以适应当前高科技发展的需要。 （一）熔焊中的相转变动力学和相图绘制 Joe Wong微束同步辐射对熔焊进行了原位、实时的空间分辨（PR）测量和时间分辨（TR）测量。利用PR绘制热影响区（HAZ）的相图，利用TR研究了熔区（FZ）和热影响区在熔化和冷却过程上的相变动力学和微结构。 使用斯坦福同步辐射装置（SSRL）31极扭摆器光束线BL10-2进行实验，电子能量3.0GeV，电子束流约为100mA。经聚焦和针孔，使光斑尺寸小至微米级，用一个长50mm的2048像元的位敏光二极管阵列探测器做记录。图11-1为一种C-Mn钢的空间分辨三维XPD图。图中所列为每隔15帧实测图列出一帧。从离熔焊中心2mm处开始向外扫描，入射线光子能量为10keV，针孔尺寸180μm，熔体的移动步长为200μm，停留时间20s。从图上可清楚地看到，在前8帧中，无任何衍射峰，是液态（在熔区内），第9帧上有一个小峰，是δ相，此后11帧是单一γ相（fcc）的谱，在以后9帧是γ相和α相的共存区，再以后就是单一的α相谱。离开熔焊区中心越远，温度越低，从谱可见，在不同温度区域存在的物相是不同的。在离开中心约6mm以后是常规的α相，说明熔焊的温度影响可见延续到约6mm。 图11-2是利用SRXPD图绘制的一个完整的相图，说明在熔焊中心周围物相的变化和分布情况。X、Y均为0处是熔焊中心。图中的细实线长框是α相的存在区域，虚线长框为γ相的存在区域，全黑的小段为δ相，粗实线框为液态。两框紧靠在一起，表示两相共存。圆弧线为计算的等温线，1529℃为熔点线，882℃为γ/（γ+α）界面而720℃为Fe3C/（γ+α）低熔线。 图1