材料分析方法緒論課件

《材料分析方法》

緒論一、材料的組織結構與性能二、顯微組織結構的內容三、材料分析方法的基本原理和分類四、顯微組織結構與成分的傳統(tǒng)分析測試方法五、顯微組織結構與成分的現(xiàn)代分析測試方法六、本課程內容及要求材料科學與工程?是研究有關材料的成分、結構和制造工藝與其性能和使用性能間相互關系的知識及這些知識的應用。材料科學與工程對生產(chǎn)、使用和發(fā)展材料具有指導意義。一、材料的組織結構與性能1、組織結構與性能的關系結構決定性能。即材料的性能(包括力學性能與物理性能)是由其內部的微觀組織結構所決定的。不同種類材料固然具有不同的性能，即使是同一種材料經(jīng)不同工藝處理后得到不同的組織結構時，則具有不同的性能。（結構是理解和控制性能的中心環(huán)節(jié)?。?、微觀組織結構控制通過一定的方法控制其顯微組織形成條件，使其形成預期的組織結構，從而具有所希望的性能。必須具備兩個基礎條件：①認識了材料的組織結構與性能之間的關系；②認識了顯微組織結構形成的條件與過程機理。例如：在加工齒輪時，預先將鋼材進行退火處理，使其硬度降低，以滿足容易車、銑等加工工藝性能要求；加工好后再進行滲碳淬火處理，使其強度、硬度提高，以滿足耐磨損等使用性能要求。二、顯微組織結構的內容材料的顯微組織結構所涉及的內容大致如下：①顯微化學成分(不同相的成分，基體與析出相的成分，偏析等)；②晶體結構與晶體缺陷(面心立方、體心立方、位錯、層錯等)：③晶粒大小與形態(tài)(等軸晶、柱狀晶、枝晶等)；④相的成分、結構、形態(tài)、含量及分布(球、片、棒、沿晶界聚集或均勻分布等)；⑤界面(表面、相界與晶界)；⑥位向關系(慣習面、孿生面、新相與母相)；⑦夾雜物；⑧內應力(噴丸表面，焊縫熱影響區(qū)等)。1、材料分析方法的理論依據(jù)除了個別研究手段(如掃描探針顯微鏡)以外，基本上是利用入射電磁波或物質波(x射線、電子束、可見光等)與材料作用，產(chǎn)生攜帶樣品信息的各種出射電磁波或物質波(x射線、電子束、可見光等)，探測這些出射的信號，進行分析處理，即可獲得材料的組織、結構、成分、價鍵等信息。樣品入射信號（X射線、電子、離子、可見光）反射信息（X射線、電子、可見光）透射信息（X射線、電子、可見光）吸收信息（電子）樣品特征物理信息示意圖2、材料分析方法的分類按用途分為三類：組織形貌分析；物相分析；成分和價鍵分析。(1)

組織形貌分析：借助各種顯微技術，認識材料的微觀結構。表面形貌分析技術經(jīng)歷了光學顯微鏡(OM)、電子顯微鏡(SEM)、掃描探針顯微鏡(SPM)的發(fā)展過程。（2）物相分析物相分析是指利用衍射的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質的相結構。原理：利用電磁波或運動電子束、中子束等與材料內部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得材料內部原子排列的信息，從而重組出物質的結構。主要的物相分析手段有三種：x射線衍射(XRD)、電子衍射及中子衍射。四、顯微組織結構與成分的

傳統(tǒng)分析測試方法1、光學顯微鏡優(yōu)點：①是最常用的也是最簡單的觀察材料顯微組織的工具。②能直觀地反映材料樣品的微觀組織形態(tài)(如晶粒大小，珠光體還是馬氏體，焊接熱影響區(qū)的組織形態(tài)，鑄造組織的晶粒形態(tài)等)。缺點：①分辨率低(約200nm)和放大倍率低(約103倍)。只能觀察到100nm尺寸級別的組織結構，而對于更小的組織形態(tài)與單元(如位錯，原子排列等)則無能為力。②只能觀察表面形態(tài)而不能觀察材料內部的組織結構，更不能對所觀察的顯微組織進行同位微區(qū)成分分析。目前,光學顯微鏡已遠遠滿足不了當前材料研究的需要!材料的整體的成分分析也不能滿足材料研究的需要！元素在鋼中的分布不是絕對均勻的，即在微觀上是不均勻的。由于微區(qū)成分的不均勻性造成了微觀組織結構的不均勻性，以致帶來微觀區(qū)域性能的不均勻性，這種不均勻性對材料的宏觀性能有重要的影響作用。例如在淬火鋼中，未溶碳化物附近的高碳區(qū)形成硬脆的片狀馬氏體，而含碳量較低的區(qū)域則形成強而韌的板條馬氏體。片狀馬氏體在承載時往往易形成脆性裂紋源，并逐漸擴展而造成斷裂。五、顯微組織結構與成分的

現(xiàn)代分析測試方法介紹1、X射線衍射X射線衍射是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來分析材料的晶體結構、晶格參數(shù)、晶體缺陷(位錯等)、不同結構相的含量及內應力的方法。是最常用的物相定性分析方法！根據(jù)X射線與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號的特征去分析計算出樣品的晶體結構與晶格參數(shù)。2、電子顯微分析電子顯微技術就是應用電子顯微鏡和其它電子束儀器來研究微觀世界中的物質的組織形態(tài)、結構、組成及變化規(guī)律的學科。電子顯微分析包括：透射電子顯微分析掃描電子顯微分析電子探針顯微分析(1)透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）透射電鏡是采用透過薄膜樣品的電子束成像來顯示樣品內部組織形貌與結構的。特點：可以在觀察樣品微觀組織形態(tài)的同時，對所觀察的區(qū)域進行晶體結構鑒定(同位分析)；分辨率可達10-1nm，放大倍數(shù)可達106倍。

(3)電子探針顯微分析電子探針顯微分析是利用聚焦得很細的電子束打在樣品的微觀區(qū)域，激發(fā)出樣品該區(qū)域的特征X射線，分析特征X射線來確定樣品微觀區(qū)域的化學成分。將掃描電鏡與能譜儀結合來，則可以在觀察微觀形貌的同時對該微觀區(qū)域進行化學成分同位分析。

光譜分析方法：是基于電磁輻射與材料相互作用產(chǎn)生的特征光譜波長與強度進行材料分析的方法。

如X射線熒光光譜、紅外光譜等。前者可用于材料的成分分析，后者可用于分子結構的分析。

4、光譜分析六、本課程內容及要求1、內容2、學習要求（1）掌握X射線衍射儀、X射線應力測定儀、透射電鏡、掃描電鏡、電子探針的基本原理、實驗方法以及應用；（2）能與專門從事X射線衍射與電子顯微分析工作的人員共同制定試驗方案與分析試驗結果；（3）了解X射線光電子能譜儀、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的原理和應用；（4）在實際工作中能正確地選用本課程中介紹的儀器和實驗方法。

3、學習方法建議：（1）認真做好學習過程的每一環(huán)節(jié)（聽課、課后消化及作業(yè)）；（2）學習過程中多進行分析方法之間的比較和歸納。（3）多閱讀相關的參考教材和文獻。

參考資料1、周玉，《材料分析方法》,機械工業(yè)出版社2、常鐵