“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 普通高等教育“十五”国家级规划教材 面向21世纪课程教材 材料分析方法 第3版 主编周玉 参编漆璿 范雄 宋晓平 孟庆昌饶建存 魏大庆 主审刘文西 崔约贤 机械工业出版社
本书主要包括材料X射线衍射分析和材料电子显微分析两大部分。 书中介绍了用X射线衍射和电子显微技术分析材料微观组织结构的原理、 设备及试验方法。其内容包括：X射线物理学基陆、X射线衔射方向与西 度、多晶体分析方法、物相分析及点阵参数精确测定、宏戏残余应力的测 定、多晶体织构的测定、电子光学基础、透射电子显微镜、电子衍射、晶 体薄衍衬成像分析、高分辨透射电子显微术、扫描电子显微镜、电子背 散射街射分折技术、电子探针显微分析、其他显微结构分析方法及实验指 导。书中的实例分析注重引入了材斜微观组织结构分析方面的新成果。 为方便选用本书的教师授课，本书配有电子课件，位于机械工业出版 社教育服多网上(wmW.cmpedu.cpm),向授课教师免费提供。 本书可以作为材料科学与工程学科的本科生和研究生教材或教学参考 书，也可供材料成形及控制工程等其他专业师生和从事材料研究及分析检 测方面工作的技术人员学习参考。 图书在版编目(CP)数据 材料分析方法/周玉主编，一3版.一北京：机械工业出版社，2011.6 (2013.1面白3 普通高等教育“十一五”国家级规划教材。普通高等教育“十五”国 家级规划教材.面向21世纪课程教材 1SBN978-7-111-342304 【,①材，Ⅱ，①固：Ⅲ.①工程材料一分析方祛-高等学校一教材 V.①TB3 中国版本图书馆CP数据核字(2011)第084459号 机械工业出板社（北京市百万庄大2号 每等码1007) 版式设计：霍永明 :李秋 责任印制：乔宇 三河市南杨庄国丰装订厂装订 月第3 184- 2通页·56千学 标准书号：SBN9787-111342304 定价.42.00元 凡斯本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部可换 电话服务 网络服务 社服务中心：(010)88361066 t门户网：http://www,cmpbook.cor 销售一部：(010)68326294 销售二部：(010)88379649 教材网：hp:/ww.empedu.com 读者购书热线：(010)88379203封面无防伪标均为盗版
第3拟前官 本书第1版曾获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖，并被列入普通高等教育“十 五”国家级规划教材。第2版再版时被评定为“面向21世纪课程教材”。2009年入选普通高 等教育“十一五”园家领规划教材。本书第3版是在第2版的基础上进行编写的，对第2版的 内容进行了部分修改，并增加了一部分新内容。 本书第2版主要包括材料X射线衍射分析和材料电子显微分析两大部分内容。本次修 订仍然以这两部分为主，在第二篇材料电子显微分析部分增加了“电子背撒射衍射分析技术” 一章，在“其他显微结构分析方法”一章中，增加了“红外光谱”、“澈光拉曼光谱”、“紫外可见 爱收光谱”、“原子发射光谱”、“原子吸收光谱”、“核磁共振”、“电子能量损失谱”和“扫描透射 电子显微镜”等八节，并对其他章节的部分内容及图片进行了适当的修改和补充。 本书从内容上力求简明扼要，从分析仪器的结构和工作原理出发，介绍分析方法的原理和 道用范围，针对具体分析实例并与实践教学相结合，注重培养学生利用现代分析方法解决实际 问题的能力。书中一些实例是编者亲身科研工作的成果，部分照片是编者来自利用电于显微 镜拍的。“材料分析方法”是村料、治金学科必修的公共技术基破课之一，也是机械学科中 材料成形及控制工程专业的技术蒸础瀑之一，还可作为物理、化学、生物、生命科学、精密加工 与特种加工及新兴交叉学科的纳米技术等学科专业选修误之一。因此，本教材在诸多学科专 业有着广泛的使用 科学技术的飞速发展对村料的分析手段不新提出新的要求，新的分析方法随之不新涌现」 由于目前我国高校教学参考书的种类与发达国家相比尚不够多，因此本书在第2版的荟础上 又增加了一些新内容，其内容的总学时数多于本课程的学时数，并附有实脸指导，以供学生自 学参考和不同学校或学科专业选择。 本次修订，第一、六、七章及实验三、四由上海交通大学漆溶编写，第二、三、四、五章及实验 一、二由广东工业大学范雄编写，第八、九章由西安交通大学宋晓平编写，第十、十一（一至五 节及第七节)、十三，十五、十六（一至六节）章及附录由哈尔滨工业大学周玉编写，第十一章第 六节及实验五、六、七、十由哈尔滨工业大学庆昌编写，第十二章由哈尔滨工业大学饶建存编 写，第十四、十大（七至十四节）章及实验八、九由哈尔滨工业大学魏大庆编写。全书由周玉统 稿并担任主编，由天津大学刘文西教授、哈尔滨工业大学崔约资教授担任主审。本次修订中 藻瑞和孟庆昌分别对第2版中材祥X射线衍射分折和村料电子显微分析部分的内容迸行核 对及局部修改， 由于编者水平有限，加之时间仓促，书中若有不当之处，敬请读者批评指正。 编者若
第公拟前言 本书列入普通高等教育“十五”国家级规划教村，并被评定为教育部“面向21世纪课程教 村”。本书是在普通高等教育“九五”部级重点教村《材料分析方法》的基础上进行修订出版 的，本书第1版获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖。 第1版包括X射线衍射分析、电子显微分析和物理性能分析三大部分内容。本次修订，将物 理性能分析部分去掉，只包括X射线衍射分析和电子显微分析两大部分，并在X射线衍射部分 增加了“多晶体织构测定”一章，在电子显做分析都分中增加了“高分辨电子显微分析”一章和 “衍射动力学”及“背微射电子衍射”两节，并对其余的内容及有关图片进行适当的补充与修政。 随着新一轮专业目录的实施及进一步发展改革楚势，全国离校都本着加强专业基猫，拓宽 专业口径的原则，加大一级学科中公共专业基础课与技术基础课的比例，减少专业课的比例， 或将有此方向专业溪列为选修课。与此相适应，教材的建设也必须应高等教育的改革与发 展的需要。 “材料分析方法”是材料、治金学科必修的公共技术础课之一，也是机械学科中材料成 形及控制工程专业的技术基础课之一。物理、化学、生物、生命科学、精密加工与特种加工及新 兴交叉学科的纳米技术等学科专业，也将“材料分析方法”作为其选修课之一。因此，该教材 有较广的使用范围。 本书从内容上力求筒明苑要，抓住本质与精华，讲清基础原理与常用方法。尽量增加一些 用该方法解决具体问题的典型范例。注重培养学生应用分析方法解决具体问题的能力，让学 生在解决实际问题的实麦中掌握常用的分析方法。书中有些实例是编者亲身科研工作的成 果，一些照片是编者亲自在电子显微镜上拍摄的。 随着科学技术的飞速发展，新的分析方法不断涌现。本书第十五章介绍了扫指隧道显微 镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、离子探针显微分析(PMA)、场 离子显微镜(FM)和原子探针(ATOM,PROBE)、俊数电子能谱仪(AES)和其他分析方法。 考虑到目前我国高校教学参考书种类与发达国家相比尚不够多。因此，本书编入的内容 较丰富，其内容的总学时数多于本课程的学时数，并附有实验指导书，以供学生自学参考和不 润学校成学科的选择。 本次修订，第一、六、七章及实验三、四由上海交通大学漆踪编写，第二、三、四、五章及实验 二曲广东工业大学范堆编写。第八、九章由西安交通大学宋晓平编写，第十、十一章，十三 章第一、二、三、四、五节，第十四、第十五章及附录由哈尔澳工业大学周玉编写。第十二章由哈 你滨工业大学饶建存编写，第十一章第六节、第十三章第六节及实验五、六、七、八由哈尔滨工 业大学孟庆昌编写。全书由周玉统稿并担任主编，由天津大学刘文西教投担任主审。 由于编者水平所限，加之时问关系，书中恐有不当之处，敬请读者批评指正。 编者
第1版前育 本书是根据1996年9月在贵阳召开的金属村料及热处理教学指导小组第二届第一次会 议精神立项投标，并通过1996年12月在北京清华大学召开的材料工程类教学指导委员会评 审，按照原机械部“九五”表材编写出版要求编写的，是部属重点教村。 随着新专业目录的实施，各高校都本着加强专业基础、拓宽专业口径的原则，加大学科内 公共专业基础课与技术基础课的比例，减小专业谋的比例。与此相适应，教材建设也必须符合 专业目录调整的需要 “材料分析方法”是材料、治金筹学科必修的公共技术基础课之一，也是机械学科的材料 成形与控制工程专业技术基础课之一，物理、化学，生物及机械学科中精密加工与特种加工等 相关领城的学生也将“材料分析方法”作为其选修课之一，因此该教材具有较广的使用范国。 《村料分析方法》内容包括：材料X射线衍射分析、材料电子显微分析、材料物理性能分析 三大部分。国外同类专业也有相应的参考书和教材，但所涉及的材料范围早已扩展到整个材 料的领城，两国内这方面现有的教材无论是从名称还是从内容上看，都基本局限于金属材料 这显然不适应当前材料科学与工程学科发展的葡要。本教村的编写就是将其研究对象在原来 金属村料的恭础上，又扩充了无机非金属的范例，并适当引入新的分析方法，以便与国际接轨。 本书从内容上力求筒明栀要，抓住本质与精华，讲清基本原理与常用方法，尽量增加用波 方法解决具体问题的范例。不局限于就方法西讲方法，注重培养学生应用分析方法解决具体 问题的能力，让学生在解决实际问题的实践中逐渐掌握常用的分析方法。 根据本科生的层次要求别去已往教材中部分内容较深、且使用较少的旧内容。X射线部 分只讲到宏观应力测定，织构测定、晶块尺寸测定及单品体衍射分析及衍射动力学等没有编 入；电子显微分析部分除讲迷了透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)与电子探针(EPMA)外，还 介绍了扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等新的分析方 法。 本课程授课学时为60学时，但考虑到目前我国教学参考书种类有限，因此本教材编入的 内容较广，内容的总含量多于上课时数，以供学生自学参考和不同学校的选择，最后并附有实 验指导。 本书第一、六章及实验三由上海交通大学漆璃教授编写，第二、三、四、五章及实殓一、二由 广东工业大学范雄教授编写，第七、八章由西安交通大学宋晚平教授编写，第九、十、十一、十 二、十三章及附录由哈尔滨工业大学周玉教授编写，第十四、十五章曲大连理工大学陈琲瑕教 投写，第十六、十七、十八章及实验八、九、十由哈尔滨工业大学宋学孟教授编写，实验四、五、 六、七由哈尔澳工业大学孟庆昌教授编写。全书由周玉教投担任主编，天津大学刘文西教授 担任主审。 由于编者水平有限，加之时间仑促，书中恐有不当之处，敬请读者批评指正。 编者
目 录 第3版前言 第六章宏观残余应力的测定. 71 第2版前点 第一节物体内应力的产生与分类 第1版前言 第二节 X射线宏应力测定的 结论 基本原理： .72 第一篇 材料X射线衍射分析 第三节 安通应力测定方法 75 第一章 X射线物理学基础 第四节 X射线宏观应力测定中的 些问页 80 第省X射的性香 习题 84 第一指X射线的产生及X时线送 6 第三节 X射线与物质的相互作用 第七章 多品体织构的测定 85 习题· 第一节 极射赤面投影法 85 15 第二章X射线衍射方向 17 第二节 织构的种类和表示方法 89 第一节 第三节 丝织构指数的测定. 95 品体几何学简介 第四节 第一节 极图的测定. 布拉格方程 22 第三节 X射线衍射方法 28 第五节 反极图的测定 100 习题 习题 102 29 第三章X射线衍射强度 31 第二篇 材料电子显微分析 第一节 多品体稻射图相的形成 31 第八章 电子光学基础. 105 第二节 单位品胞对X射线的散射与 第 电子被与电磁透镜 109 结构因数， 32 第二节 电磁透镜的像差与分讲率 108 第三节 洛伦兹图数 35 第三节 电磁透镜的景深和焦长 111 第四节 影响衍射强度的其他因数 36 习题 112 第五背 多晶体行射的积分强度公式 38 第九章 透射电子显微镜. 113 男题 38 第一 透射电子显微镜的结构与成像 第四章 多晶体分析方法 40 原理 113 第一节 德用潮乐法. 40 第二背主要部体的结构与工作臣期 .*117 第二节 其他照相法简介 第三节透射电子显徽镜分携本和放大倍数 第三节X射线行射仪 的测定 119 另题 54 习题 121 第五章 物相分析及点阵参数精确 第十章 电子衍射 122 测定 第一节瓶述. 122 第一节 定性分析 第二节电子衍射原甲 123 第二节 定量分析 第三节 电子显微镜中的电子衍射 131 第三节点阵参数的桔确测定一 .62 第四节单晶体电子行射花样标定 135 第四节非晶态物质及其品化过程的X射 第五节复杂电子衍射花样 ,137 线行射分析 习题 140 习题. .70 第十一章晶体薄膜衍衬成像分析.141
录馨|n 141 第一节离子探针显微分析 232 第二节 薄膜样品的制备方法 .141 镜一节低能由子衍射分析 234 第三节 衙射衬度咸像原理 第三节 电子能谱分析 238 背 消光距离 146 第四节 场离子感微镜与原子探 243 第五节 衍材运动学 147 第五节 扫描隧道显微镜与原子力 第六节 衍村动力学简 154 显微镜 4248 第七节晶体缺路分析 157 第六节 X射线光电子能谱分析 254 习恶 165 第七节 红外光谱 257 第十二章高分辨透射电子显微术 166 第八节 影光拉曼光谱 ,4264 第一节 高分辨透射电子显微镜的结构 第九节 紫外可见吸收光谱 268 特征 166 第十节 原子发射光谐 272 第二节 高分排电子显微像的原理 167 第十一节 原子吸收光诺 276 第三节 高分辨透射电子显微镜在材料科 筑+一节核磁共据 279 学中的应用 176 第十三节 由子能量裙失进 ,285 习题 183 第十四节 扫搭透射电子显微镜 .288 筐十三音扫描电子显微镜 184 男置 第一节 电子束与固体样品作用时产生 实验指导 291 的信号 184 实验 单相立方系物质X射线粉末相 第二节 扫描电子感微镜的构造和工作 计算 291 原理 186 实验二 用X射线衍射仪送行多品体物质 第三节 扫描电子显微镜的主要性能 的相分析. 292 第四节 表面形貌村度原理及其应用 190 实验三 宏薄成余应力的测定 .296 第五节 原子序数村度原理及其应用 195 实验四 金属板织构的测定 .300 习题 198 实验五 透射电子显微镜结构原理及明 第十四章 电子背散射行射分析 暗扬成像 .303 技术 实验六 选区电子衔射与品体取向分标 .306 第一节概述 199 实验七扫描电子显微镜的结构原理及图像 第二节 电子背散射衍射技术相关品体学 311 取向基副 199 实险八 电子背散射射技术的工作原理 第三节电子登散衍射技术硬件系统 209 与黄池花样现察及标定 315 第四节 由子背散射街射技术原理及龙样 实验九 电子背散射稻射技术的数据处理 标定 211 及其分析应用 第五节电子背散射衔射技术成像及 实验十电子探针结构原理及分析 分析 215 方法 321 第六节 电子背散射衍射技术数据处理 .220 附录 324 习题 224 明录A物理常数 324 第十五章电子探针显微分析 .225 附录B 质量吸收系数，p 324 第一节 电于探针仪的结构与工作原理 225 附录C原子散射因数「 第二节电子探针仪的分析方法 附录D各种点阵的结构因数2 326 及应用 229 附录E 粉末法的多重性因数P 326 习题 231 327 第十六章其他显微结构分析方法 232 附录F角因数+cas20 sin'0cos6
」墨材料分析方法 附录G德拜函数(，上之值 .329 附录L常见晶体标准电子行射花样.336 附录M立方与六方品体可能出现 附录H某些物质的特征湿度O .329 的反射 .340 附录1（品。9的数值 .330 附录N特征X射线的被长和能 附录】应力测定常数. .332 量表. .341 附录K立方系晶面间夹角 .333 参考文献. .343
绪 论 本课程是一门试验方法课，主要介绍采用X射线衍射和电子显微镜来分析材料的微观 组织结构与显微成分的方法。 一、材料的组织结构与性能 1.组织结构与性能的关系 结构决定性能是自然界永恒的规律。材料的性能（包括力学性能与物理性能）是由其 内部的微观组织结构所决定的。不同种类材料固然具有不同的性能，即使是同一种材料经不 同工艺处理后得到不同的组织结构时，也具有不同的性能（例如：同一种钢淬火后得到的 马氏体硬，而退火后得到的珠光体软)。有机化合物中同分异构体的性能也各不相同。 2.微观组织结构控制 在我们认识了材料的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件与过程机理 的基础上，我们则可以通过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其形成预期的组织结 构，从而具有所希望的性能。例如：在加工齿轮时，预先将钢材进行退火处理，使其硬度降 低，以满足容易车、铣等加工工艺性能要求；加工好后再进行渗碳淬火处理，使其强度、硬 度提高，以满足耐密损等使用性能要求。 二、显微组织结构的内容 材料的显微组织结构所涉及的内容大致如下：①显微化学成分（不同相的成分，基体 与析出相的成分，偏析等)：②晶体结构与晶体缺陷（面心立方、体心立方、位错、层错 等)；③晶粒大小与形态（等轴晶、柱状晶、枝晶等）；④相的成分、结构、形态、含量及 分布（球、片、棒、沿晶界聚集或均匀分布等）；⑤界面（表面、相界与晶界）；⑥位向关 系（惯习面、李生面、新相与母相）；⑦夹杂物；⑧内应力（喷丸表面、焊缝热影响区等）。 三、传统的显微组织结构与成分分析测试方法 1.光学显徽镜 光学显微镜是最常用的也是最简单的观察材料显微组织的工具。它能直观地反映材料样 品的微观组织形态（如品粒大小，珠光体还是马氏体，焊接热影响区的组织形态，铸造组 织的品粒形态等)。但由于其分辫率低（约200nm)和放大倍率低（约1000倍），因此只能 观察到100m尺寸级别的组织结构，而对于更小的组织形态与单元（如位错、原子排列等） 则无能为力。同时由于光学显微镜只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织结构，更不 能对所观察的显微组织进行同位微区成分分析，而目前材料研究中的微观组织结构分析已深 入到原子的尺度，因此光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要。 2.化学分析 采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均成分（所含每种元素的平均 含量)，并可以达到很高的精度，但不能给出所含元素分布情况（如偏析，同一元素在不同 相中的含量不同等)。光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。而实际上元素在钢中的分 布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀的。恰恰是这种微区成分的不均匀性造成了微观组
