上海交通大学：《材料组织结构表征》课程教学资源（课件讲义）2019-期中复习-X射线

材料组织结构的表征 一X射线衍射 密

材料组织结构的表征 —X射线衍射

·方向 2d sin0=nA 理论 。强度 Pa Vae 照相法 仪器 ·衍射仪 XRD 物相分析 30 20.degree 应用 晶格常数 ·残余应力 2(:)4 4n Y(o ·晶粒尺寸 sine

XRD • 理论 • 方向 • 强度 • 仪器 • 应用 • 照相法 • 衍射仪 • 物相分析 • 晶格常数 • 残余应力 • 晶粒尺寸 2 d sin   n  M hkl hkl p c P F L A e VV I 2 2 2    a 4

晶体结构 →2dsin0=n ·晶体学基本概念 ·点群与空间群 > 晶面间距 > 晶面夹角 正交 a+ ·立方 hih2 +kik2 +ll2 C0s0= 1 4h2+hk+k2),12 Vh好+k好+)h吃+k经+) ·六方 3a2 ·低指数的面间距较大，而高指数的晶 ·晶面夹角也是晶面法线夹角 面间距侧则较小

晶体结构 • 晶体学基本概念 • 点群与空间群 2d sin  n  晶面间距 • 正交 • 六方 • 低指数的面间距较大，而高指数的晶 面间距则较小 2 2 2 2 1                      c l b k a h dhkl 2 2 2 2 2 2 3 1 4( ) c l a h hk k dhkl      晶面夹角 • 立方 cos∅ = ℎ1ℎ2 + 𝑘1𝑘2 + 𝑙1𝑙2 ℎ1 2 +𝑘1 2 +𝑙1 2 )(ℎ2 2 +𝑘2 2 +𝑙2 2 • 晶面夹角也是晶面法线夹角

晶体结构 →2dsin0=nλ ·晶体学基本概念 ·点群与空间群 晶系与Bravais,点阵 >点群(point group):32种 Crystal system F R 宏观对称元素的组合： 旋转(1,2,3,4,5,6)、对称中心)、镜面(m)、1 旋转-反演(3等) Triclinic Table 2.7 Symbols of crystallographic point groups. Crystal First position Second position Third position Point group system Element Direction Element Direction Element Direction Monoclinic Triclinic lor1 N/A None None 1.i Monoclinic 2,m or 2/m Y None None 2,m,2m Orthorhombic Orthorhombic 2 or m X 2orm Y 2orm Z 222,mm2,mmm Tetragonal 4,4or Z None or X None or Base 4,44m,422, 4/m 2orm 2orm diagonal 4mm,42m, Tetragonal 4/mmm Trigonal 3or3 Z None or X None 3,3,32,3m,3m 2orm Hexagonal 6,6 or6/m Z None or X None or Base 6,6,6m,622, Hexagonal,Trigonal 2orm 2 or m diagonal 6mm,62m, 6/mmm Cubic 2,m,4 X 3or3 Body None or Face 23,m3,432,43m, Cubic or4 diagonal 2 or m diagonal m3m

晶体结构 • 晶体学基本概念 • 点群与空间群 2d sin  n  晶系与Bravais点阵  点群(point group)：32种 宏观对称元素的组合： 旋转(1,2,3,4,5,6)、对称中心(i)、镜面(m)、旋转-反演( 等) Z  3

晶体结构 →2dsin0=n ·晶体学基本概念 ·点群与空间群 >空间群(space group):230种 点群+微观对称 空间群辨认晶系 ●螺旋=旋转+平移，eg.41,42,43,44=4 ●滑移=镜面+平移，ega,b,c,n,d 立方晶系：第2位对称符号为3或3 Crystal system Point Space groups based on a given point group symmetry (total number group (the superscript indicates the space group number as 六方晶系：第1位对称符号为6,61,62,63,64,65或6 of space adopted in the International Tables for Crystallography groups) vol.A) Triclinie (2) P11 四方晶系：第1位对称符号为4,41,42,43或4 Hexagonal (27) 6 座s心g,Sn 6/m P6/m75.P6s/m76 622 832P62,6,22m,P621,%,2l1. P622177 菱方晶系：第1位对称符号为3,31,32或3 6mm P6mm183.P6cc184.P63cm185.P63mc186 6m2 P6m2187,P6c218,P62m.P62c0 6mmm P6/mmm91,P6/mcel92,P63/mcm93,P63/mmel 正交晶系：3位对称符号为2,21，镜面，滑移面 Cubic (36) 23 P2315,F236,1237,P213m,12131 m Pm320 ,Pn31,Fm3202,Fd0i,Im34,Pa305, 1a3206 口 432 240182 33m P43m213,F43m216.1a3m27,p43n218,F43c29,a3d20· Fd3m P6:/mmc m3m Pm3m2 Pn3n2 Pm3n Pn3m Fm3ms Fm3c22.Fd3m27.Fd3c228.Im3m229.Ia3d2

晶体结构 • 晶体学基本概念 • 点群与空间群 2d sin  n  空间群(space group)：230种 点群+微观对称  螺旋=旋转+平移, eg. 41 , 42 , 43 , 44=4  滑移=镜面+平移, eg. a, b, c, n, d • 立方晶系：第2位对称符号为3或 • 六方晶系：第1位对称符号为6, 61 ,62 ,63 ,64 ,65或 • 四方晶系：第1位对称符号为4, 41 ,42 ,43或 • 菱方晶系：第1位对称符号为3, 31 ,32或 • 正交晶系：3位对称符号为2, 21 ,镜面,滑移面  6  3  4 空间群辨认晶系  3

·X射线的本质 X射线的性质→2dsin0=n见 → ·X射线与物质的交互作用 >X射线本质 >韧致辐射-连续X射线谱 FM TV 波长很短， 104 1010一10 10￥ 0.01-10nm Misible Ligh 50mA 40 600 veength inanome线eTs) 40 亮度：X射线的强度 单位面积上的能量 30 人人J X-ray beam 2 30 3 × Storage ring Injection point 20 1一高压变压器2一灯丝变压着3一X射线管 SWL 0.05 0.1 0.15 ASWL A/nm 4一阳每6一阴段8一电子1一X射线 e eU==hc/=1.24/U 阴极射线管 Synchrotron radiation I连续谱=aZU2

X射线的性质 2d sin  n • X射线的本质 • X射线与物质的交互作用  X射线本质 波长很短， 0.01-10nm  韧致辐射-连续X射线谱 h max hc 0 eU   0 1.24 U 2 I 连续谱  iZU 亮度：X射线的强度 单位面积上的能量 阴极射线管 Synchrotron radiation

·X射线的本质 X射线的性质→2dsin0=n见 → ·X射线与物质的交互作用 特征辐射特征X射线谱 态（缠走K电子） 轨道兼并，兼并度 莫塞莱公式 i=W+s到 (Moseley) First observed by 跃迁遵守拉波特定则 Barkla Sadler M=士1，△j=0或灶1 K1(Z-) 兼并轨道电子数：2j十1 in1909 态（撞走L电有 IK IKe2=2:1 M态（撞走M电孔 K1= R K系、L系、M系 N态（撞走N电 境走价电子 中性原子 里德伯常数R L层到K层： Ka I(AKa)=51(AKp 如2 R=1.0974*107m1 M层到K层：KB I特征 =Ai(U-Uk” 屏蔽因子σ 当U心k=4时，1特征1连续最大 AKa >oror<AKa2

X射线的性质 2d sin  n • X射线的本质 • X射线与物质的交互作用  特征辐射-特征X射线谱 First observed by Barkla & Sadler in 1909 莫塞莱公式 （Moseley) 里德伯常数R K系、L系、M系 L层到K层： Kα M层到K层： Kβ 𝜆𝐾𝛼 𝜆𝐾𝛽 > or or < 𝜆𝐾𝛼2 跃迁遵守拉波特定则 l＝1， j＝0或1 兼并轨道电子数：2j+1 IKα1：IKα2=2:1 轨道兼并，兼并度j j = |l + s|   n I 特征  Ai U  Uk 当U/Uk=4时，I特征/I连续最大 X射线管工作电压选在(3-5)UK时为最佳， 连续谱造成的衍射背底最小

·X射线的本质 X射线的性质→2dsin0=n见→ ·X射线与物质的交互作用 >X射线与物质交互作用 成分分析 F(滤波片) 相位衬度成像 荧光辐射：重元素( Z>20) 热 吸收衬度成像 俄歇效应：轻元素、表面分析 透射X射线I-0e“mP,A=A0 「=0，相干散射」 散射X射线 人射X-光子 。俄欧电子 xRD分析 了不相干散射 。光电子 一反冲电子 电子 俄数电子 成分分析 光电子 光电效应 俄歇效应 荧光X射线Ka>o X射线与物质的相互作用形式， XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy 可分为散射和真吸收两大类 对化学价态敏感 分析成键信息

X射线的性质 2d sin  n • X射线的本质 • X射线与物质的交互作用  X射线与物质交互作用 成分分析 XRD分析 吸收衬度成像 相位衬度成像 X射线与物质的相互作用形式， 可分为散射和真吸收两大类 荧光辐射：重元素（Z>20) 成分分析 俄歇效应：轻元素、表面分析 XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy 对化学价态敏感 分析成键信息

·X射线的本质 X射线的性质→2dsin0=n见 → ·X射线与物质的交互作用 透射与吸收 175 一束单色X射线透过一层均匀 150 物质，其强度将随穿透深度 =e ut 4n≈K422Z3 的增加按指数规律减弱 125 100 41 质量吸收系数 Am= I e-in 75 多元物质 50 吸收限K ·射线波长愈长愈容易被吸收 吸收原子序数愈高射线被 25 AK AKB AKa 吸收得愈多 i=1 0.020.04a060.080.100.12 1/nm 款

X射线的性质 2d sin  n • X射线的本质 • X射线与物质的交互作用  透射与吸收 • 一束单色X射线透过一层均匀 物质，其强度将随穿透深度 的增加按指数规律减弱 • 质量吸收系数 • 射线波长愈长愈容易被吸收 ，吸收原子序数愈高射线被 吸收得愈多    l m  t l e I I   0 m t e I I    0 多元物质 𝜇𝑚 = ෍ 𝑖=1 𝑛 𝜇𝑚𝑖𝜔𝑖 3 3  m  K4  Z 吸收限 K K< K< K

·X射线的本质 X射线的性质→2dsin0=n见→ ·X射线与物质的交互作用 X射线吸收效应应用 √X射线衍射辐射源选择 √滤波片选择 ·入K(X射线)>入（样品吸收限）或 >入x2 入邓 (X射线)（滤波片吸收限）(X射线) k(X射线)Z样 (Z靶40) Cr 0,228960.229350.2209 0.8480.20701 5,98 20-25 Ti.So,Ca Fe 26 0.19360 0.19399 0.19373 0.17565 0.17438 7.10 25=30 Cr,V,Tl Mn Co 0.17889 0.17928 0.17902 0,162080.1881 7.71 30 Mn.Cr,V Fe 0.16578 0.16610 0.16591 0.15001 0.14880 8.20 30-35 Fe,Mn,Cr Co Cu 29 0.15405 0.15443 0.154180.13922 0,13804 8.80 35一40 Co.Fe,Mn 1.6 Mo 42 0.07003 0.07135 0,07107 0.063230,06198 20,0 50-55 Y.Se,Ru Nb.Zr A(A) (A) 63g 0.055940.05 0.05609 0.04020 0.04835 26.5 55-60 Ru.Mo,NbPd.Rh

X射线的性质 2d sin  n • X射线的本质 • X射线与物质的交互作用  X射线吸收效应应用  X射线衍射辐射源选择 • K (X射线)>K (样品吸收限)或 K (X射线)>Z样 滤波片选择 • K >K> K (X射线) (滤波片吸收限) (X射线) • Z滤= Z靶-1 (Z靶 40) K K