材料分析测试方法实验指导书

1《材料分析测试方法》实验指导书仲洪海编写无机非金属材料工程系2009年8月2实验一X射线衍射仪的结构及原理一、实验目的1、概括了解X射线衍射仪的结构及使用。2、练习用PDF(ASTM)卡片及索引对多相物质进行相分析。二、X射线衍射仪的简介（D/MAX-RB）它是由X射线发生器、测角仪、信号检测系统、计算机系统、数据处理和应用软件等构成。应用软件可进行衍射线条的指标化、物相定性分析、计算非晶体材料径向分布函数、X射线衍射线条的分析、残余奥氏体的测定。Ka双线分离等。总之衍射仪目前已具有采集衍射资料、处理图形数据、查找管理文件以及自动进行物相定性分析等功能。图2－15是X射线衍射仪的中心部分——测角仪的示意图。D为平板试样，它安装在试样台H上，试样台可围绕垂直于图面的轴O旋转。S为X射线源，也就是X射线管靶面上的线状焦斑，它与图面相垂直，与衍射仪轴平行。由射线源射出的发散X射线，照射试样后即形成一根收敛的衍射光束，它在焦点F处聚集后射进计数管C中。F处有一接收狭缝，它与计数管同安装在可围绕O旋转的支架E上，其角位置2θ可从刻度尺K上读出。衍射仪的设计使H和E的转动保持固定的关系，当H转过θ度时，E即转过2θ度。这种关系保证了X射线相对于试样3的“入射角”与“反射角”始终相等，使得从试样生的衍射线都正好艰聚焦并进入计数管中。计数管能将X射线的强弱情况转化为电信号，并通过计数率仪、电位差计将信号记录下来。试样连续转动时，衍射仪就能自动描绘出衍身强度随2θ角的变化情况。测角仪的光学布置也在图2－15中展示。S为靶面的线焦点，其长轴方向为竖直。入射线和衍射线要通过一系列狭缝光阑。K为发散狭缝，F为接收狭缝，分别限制入射线及衍射线束在水平方向的发散度。防散射狭缝还可排拆试样的辐射，使峰底比得制到改善。S1，S2为梭拉狭缝，是由一组相互平行的金属薄片所组成，相邻两片间的空隙在0.5mm以下，薄片厚度大约为0.05mm，长为60nn。梭拉狭缝可以限制入射线及衍射线束在垂直方向的发散度至大约2º。衍射线在通过狭缝L、S2及F后便进入计数管C中。在衍射仪中，X射线的探测元件为计数管。计数管及其附属电路称为计数器。常用的计数器有正比计数器、盖革计数器及闪烁计数器。G-测角仪圆；S-X射线源；D-试样；H-试样台；F-接收狭缝；C-计算机；E-支架；K-刻度尺三、物相分析方法物相定性分析是X射线衍射分析中最常见的一项测试。首先，仪器按所给的衍射条件进行衍射数据的自动采集，接着进行寻峰处理并自动启动检索程序。当检索开始4时，操作者要选择输出级别(扼要输出、标准输出或详细输出)，选择所检索的数据库。指出测试时所使用的靶、扫描范围、实验误差范围估计，并输入试样元素的信息等。此后系统将进行自动检索匹配，并将检索结果打印输出。虽然物质的种类千千万万，但却没有两种衍射花样完全相同的物质。某种物质的多晶体衍身线条的的数目、位置及其强度，就是这种物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。哈那瓦特(J•••••••••••••••D•Hanawalt)于1938年创立了一套迅速检索的方法。1969年又由英、美、法、加四国成立了粉末衍射标准联合委员会－“简称JCPDS”的国际性组织，由它负责编辑和出版粉末衍射卡片，称为PDF卡片。现已出版36集，4万多张。衍射图形上线条的位置由衍射角2θ决定，而θ取决于波长λ及面间距d，其中d是决定晶体结构的基本量。因此，在卡片上列出一系列d及对应的强度I，就可以代替衍射图样。下面仅就实验及分析过程中的某些具体问题作一简介。1、试样衍射仪一般采用块状平面试样，它可以是整块的晶体，也可用多种晶体的粉末压制。金属样可从大块中切割合适的尺寸，经砂轮、砂纸磨平即可。粉末样品应有一定的粒度要求，这与德拜相的要求基本相同(颗粒大小约在1～10μm数量级。粉末要过200～325目筛子)。不过由于在衍射仪上照射面积较大，允许采用稍粗的颗粒。根据粉末的数量可压在玻璃制成的通框或浅框中。压制时一般不加粘合剂，所加压力以使粉末样品粘牢为限，压力过大可能导致颗粒的择优取向。当粉末数量很少时，可在平玻璃片上抹一层凡士林，再将粉末均匀覆上。2、测试参数的选择实验参数选择的合理与否是影响实验精度、实验结果的重要因素，因此试样测试之前，须考虑确定的实验参数很多。1）X射线管阳极的种类、滤片、管压、管流的选择前面已作过介绍，不再详述。2）关于狭缝宽度、扫描速度、时度常数、计数量程、走纸速度等的选择：(1)、测角仪狭缝光阑的选择在测角仪光路中，有发散狭缝光阑，防散射缝光阑，接收狭缝光阑和在窗口与5发散狭缝之间以及接收狭缝与防散射狭缝之间的两个梭拉狭缝光阑，但梭拉狭缝是固定不变的，需要选择的是：a、发散狭缝有1/30°、1/12°、1/16°、1/4°、1/2°、1°、5/2°b、防散射狭缝有1/30°、1/12°、1/16°、1/4°、1/2°、1°、5/2°c、接收狭缝有0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、2.0mm发散狭缝是用来限制入射线在测角仪平行方向上的发散角。它决定了入射线在试样上的照射面积和强度。对发射狭缝的选择应以入射线的照摄面积不超出试样的工作表面为原则。增大发散狭缝，虽可增加衍射线的强度，但在θ角较小时，过大的狭缝将使光束照射到试样槽外的试样架上，这样反而使衍射强度下降，并使由试样带来的背底强度升高，故须控制低角时射线束照射的范围不致超出试样框之外。接收狭缝对衍射线峰的高度、峰－背比及峰的积分宽度都有明显影响。增大接收狭缝，虽可增加衍射峰的强度，但也增加了背底强度，反而降低峰－背比和角分辨率，这对探测弱衍射线不利，故接收狭缝要依据工作因素、工作目的来选择。若要提高分辨率、则应选较小的接收狭缝，基要为测衍射强度，则应加接收狭缝。防散射狭缝对衍射线，只影响峰背比，其它的选择通常与发散狭缝一致。一般物相分析时，选择发散狭缝为1/4°～1°，防散射狭缝为1/4°～1°，接收狭缝为0.2mm或0.4mm。(2)、测角仪的扫描速度扫描速度指计数管在测角仪圆上均匀转动的角速度，以度/min表示。增大扫描速度，即可节约测试时间，但同时将导致强度和分辨率的下降，并使衍射峰的位置向扫描方向偏移。造成峰的不对称宽化，故为提高测量精度，应尽量选小扫描速度，一般物相分析中常用的扫描速度为1°/min或2°/min。(3)计数率仪的时间常数时间常数是对衍射强度进行记录的时间间隔的长短。增大时间常数使衍射线峰的轮廓背底变得平滑，但同时却使衍射强度和分辨率降低，并使衍射峰向扫描方向偏移，造成衍射峰的不对称宽化。故为提高测量精度，应选尽可能小的时间常数。一般物相分析中选时间常为1－4s。(4)、计数量程6计数量程可对衍射强度进行适当地衰减调节，以获得适当大小的衍射峰。若量程过小，衍射峰过高可能超出记录范围，从而描画不出完整的衍射峰。一般物相分析中，选量程×2，定标衰减×1。(5)、自动记录仪的走纸速度若要测量各2θ角度下衍射线强度的分布情况。则必须在计数管侧角仪圆周转动的同时，让自动记录仪中的记录纸做同步转动，此转动速度即为走纸速度。加快走纸速度，可以提高角度分辨率从而提高测量精度，但却有可能使弱的或弥散的衍射线淹没在背底之中。一般物相分析时，选走纸速度为300～400mm/h。3、计数参数的选择用盖革计数器时，在坪区，计数率随电压增加得很慢，且为线性，所以盖革管应在这个区域内工作。但要使计数率与X射线强度(即光子数目)准确地成正比，则必须保证施加稳定电压，大约1400V。衍射仪的开启，与X射线晶体分析仪有许多相似之处，特别是X射线发生器部分。对于自动化衍射仪，很多工作参数可由微机上的键盘输入或通过程序输入。此外，还可以设置寻峰扫描，阶梯扫描等其它方式。还可对同一衍射作正反两方向扫描，用其平均值更能反映衍射峰的真实位置。4、衍射图的分析先将衍射图上较明显的衍射峰的2θ值量度出来。测量可借助于三角板和米尺。将米尺的刻度与衍射图的角标对齐，令三角板的直角边沿米尺沿动，另一直角边与衍射峰的对称线重合。并以此做为峰的位置，借助于米尺，可以估计出百分之一度(或十分之一度)的2θ值，并通过布拉格方程求对应的d值。又按衍射峰的高度估计出各衍射线的相对强度。有了d系列与I系列之后，取前反射区三根最强线为依据，查阅索引，用尝试法找到可能的卡片，再进行详细对照。也可借助字母索引起检索。确定一个物相之后，将余下线条进行强度的归一处理，再录找第二相。有时也可根据试样的实际情况作出推断，直至所有的衍射线均有着落为止。对于成份不固定的材料，这在金属材料的研究工作中是经常遇到的，例如固溶体型合金，是没有卡片的。因成份不同，点阵参数、晶体结构都有变化，不能用一张卡来表示这种材料。分析多相合金时，经常会遇到不同相的衍射线相重合的情况，就给选择线条及分7析结果造成很大困难。在这种情况下，必须要有充分的旁证材料，才能获得满意的结果。卡片本身是实测的结果，它本身就含一定的误差。而对待测试样的实验工作也含有一定的误差，而且，在实测的条件下不可能与制造卡片的实测条件完全相同。因此在比较这二组数据时，可能会有较大的差别而得不到正确的判断结果。别外，在核对卡片时，衍射线条一般应当不少于八条。否则，可供比较的数据太少，难以得到正确的结果。比较数据d时，应当控制严格一些，二者的误差最好不要超过2%，而比较衍射线强度时，就可以放宽要求。四、实验内容及报告要求：1）由教师在现场介绍衍射仪的构造，进行现场操作，并描画一两个衍射峰。2）以2～3人为一组，按事先描绘好的多相物质的衍射图进行物相定性分析。3）记录下分析的衍射图实测条件，将实验数据及结果以表格形式列出。实验二透射电子显微镜的结构及原理一、实验目的：1、熟悉透射电镜的基本构造，了解电镜的操作规程2、试样的典型组织观察二、透射电子显微镜的结构：透射电子显微镜(简称透射电镜，TEM)是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜，是观察和分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。它用聚焦电子束作为照明源，使用对电子束透明的薄膜试样(几十到几百nm)，以透射电子为成像信号，其工作原理如下：电子枪产生的电子束经1～2级光镜会聚后均匀照射到试样上的某一待观察微小区域上，入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应。透射出试样的电子经物镜、投影镜的三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上，荧光屏把电子强度分布转变为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上显出与试样形貌、组织、结构相结应的图像。81、透射电子显微镜主要由光学成像系统、真空系统和电气系统三部分组成。（1）、光学成像系统透射电镜的光学成像系统组装成一直立的圆柱体，称为镜筒。包括照明、透镜成像放大以及图像观察记录等系统。图2－23为透射电镜镜筒剖面图。a、照明部分电子显微镜的照明部分是产生具有一定能量、足够亮度(电流密度)和适当小孔径角的稳定电子束的装置，它包括产生电子束的电子枪和使用电子束会聚和聚光镜。电子枪：通常透射电镜中使用的电子枪为发叉式钨丝(丝直径为0.1～0.15mm)阴极、控制栅板和阳极构成的三极电子枪，图2－24为三极式电子枪工作原理图。考虑到操作安全，电子枪的阳极接地(0电位)，阴极加上负高压(－50～200kV)，控制栅板加上比阴极负几百至几千伏的偏压。整个电子枪相当于一个由阴极、栅板和阳极组成的静电透镜，栅板的大小决定了阴极和阳极之间的等电位面分布和形状，从而控制阴极的电子发射电流，因此称为控制栅极。电子枪工作时，由阴极发射的电子受到电场的加速穿过阳极孔照射到试样上，在穿过电场时，发散的电子束受到电场的径向分量的作用，使从栅极出来的电子会聚通过一最小截面(直径为dc)，这里电子密度最高，称为电子枪交叉点，它是电子显微镜的实际电子源。发叉式钨丝三极电子枪的主要优点是结构简单，不需要很高的真空度(10－4Torr)；它与以后介绍的六硼化镧电子枪及发射枪相比，缺点是使用寿命短，一般只有几十小时到上百小时，并且亮度不够高。聚光镜：降光镜为磁透镜，它是用