材料分析与测试课件chapter 4 09-11.ppt

第四章 X射线衍射方法的实际应用 点阵常数的精确测定 任何一种晶体材料的点阵常数都与它所处的状态有关。 当外界条件（如温度、压力）以及化学成分、内应力等发生变化，点阵常数都会随之改变。 这种点阵常数变化是很小的，通常在10-5nm量级。 精确测定这些变化对研究材料的相变、固溶体含量及分解、晶体热膨胀系数、内应力、晶体缺陷等诸多问题非常有作用。所以精确测定点阵常数的工作有时是十分必要的。 （一）点阵常数的测定 X射线测定点阵常数是一种间接方法，它直接测量的是某一衍射线条对应的θ角，然后通过晶面间距公式、布拉格公式计算出点阵常数。以立方晶体为例，其晶面间距公式为： 根据布拉格方程2dsinθ=λ，则有： 在式中，λ是入射特征X射线的波长，是经过精确测定的，有效数字可达7位数，对于一般分析测定工作精度已经足够了。干涉指数是整数无所谓误差。所以影响点阵常数精度的关键因素是sinθ。 影响点阵常数精度的关键因素是sinθ 由图可见，当θ角位于低角度时，若存在一△θ的测量误差，对应的△sinθ的误差范围很大；当θ角位于高角度时，若存在同样△θ的测量误差，对应的△sinθ的误差范围变小；当θ角趋近于90°时，尽管存在同样大小的△θ的测量误差，对应的△sinθ的误差却趋近于零。 柯亨法 直线图解外推法仍存在一些问题。首先在各个坐标点之间划一条最合理的直线同样存在主观因素；其次坐标纸的刻度不可能很精确。 为避免这些问题，另一种方法是采用最小二乘法。这种实验数据处理的数学方法是由柯亨(M.U.Cohen)最先引入到点阵常数精确测定中的，所以也常常称之柯亨法。 （二）误差来源与消除 上述方法只是点阵常数精确测定中的数据处理方法，若要获得精确的点阵常数，首先是获得精确的X射线衍射线条的θ角。不同的衍射方法，θ角的误差来源不同，消除误差的方法也不同。 德拜照相法的系统误差来源主要有：相机半径误差，底片伸缩误差，试样偏心误差，试样吸收误差等 解决上述问题的方法常常采用精密实验来最大限度地消除误差。为了消除试样吸收的影响，粉末试样的直径做成φ0.2mm；为了消除试样偏心的误差，采用精密加工的相机，并在低倍显微镜下精确调整位置；为了使衍射线条更加峰锐，精确控制试样粉末的粒度和处于无应力状态；为了消除相机半径不准和底片伸缩，采用偏装法安装底片；为了消除温度的影响，将试样温度控制在±0.1℃。 （二）误差来源与消除 用衍射仪法精确测定点阵常数，衍射线的θ角系统误差来源有：未能精确调整仪器；计数器转动与试样转动比（2：1）驱动失调；θ角0°位置误差；试样放置误差，试样表面与衍射仪轴不重合；平板试样误差，因为平面不能替代聚焦圆曲面；透射误差；入射X射线轴向发散度误差；仪器刻度误差等。 试样制备中晶粒大小、应力状态、样品厚度、表面形状等必须满足要求。 直线外推法，柯亨法等数据处理方法也用来消除上述二种方法的误差。 X射线物相分析 材料或物质的组成包括两部分：一是确定材料的组成元素及其含量；二是确定这些元素的存在状态，即是什么物相。 材料由哪些元素组成的分析工作可以通过化学分析、光谱分析、X射线荧光分析等方法来实现，这些工作称之成分分析。 材料由哪些物相构成可以通过X射线衍射分析加以确定，这些工作称之物相分析或结构分析。 X射线物相分析 例如对于钢铁材料（Fe-C合金），成分分析可以知道其中C的%含量、合金元素的含量、杂质元素含量等等。但这些元素的存在状态可以不同，如碳以石墨的物相形式存在形成的是灰口铸铁，若以元素形式存在于固溶体或化合物中则形成铁素体或渗碳体。究竟Fe-C合金中存在哪些物相则需要物相分析来确定。用X射线衍射分析可以帮助我们确定这些物相； 进一步的工作可以确定这些物相的相对含量。前者称之X射线物相定性分析，后者称之X射线物相定量分析 X射线物相定性分析原理 X射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较晶体衍射花样来进行分析的。 对于晶体物质中来说，各种物质都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X射线衍射花样也就各不相同，所以通过比较X射线衍射花样可区分出不同的物质。 当多种物质同时衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加。它们互不干扰，相互独立，逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。 X射线物相定性分析原理 目前已知的晶体物质已有成千上万种。事先在一定的规范条件下对所有已知的晶体物质进行X射线衍射，获得一套所有晶体物质的标准X射线衍射花样图谱，建立成数据