X射線衍射譜線的線形分析6注意事項及應(yīng)用實例

X射線衍射譜線的線形分析姜傳海上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2005年7月一、緒論二、衍射譜線的數(shù)學(xué)表達三、寬化效應(yīng)及卷積關(guān)系四、譜線寬化效應(yīng)的分離五、不完整晶體結(jié)構(gòu)表征六、注意事項及應(yīng)用實例六、注意事項及應(yīng)用實例1、多晶體X射線衍射線的精煉(1)實驗數(shù)據(jù)處理(2)結(jié)構(gòu)精煉(3)各種方法比較及其可靠性2、試樣與標樣的要求(1)試樣的要求(2)標樣的要求3、應(yīng)用實例1、多晶體X射線衍射線的精煉X射線衍射線形分析用于研究微觀晶體性質(zhì)屬于古老的粉末法之一，1918年Scherrer公式問世并得到應(yīng)用。Scherrer指出：試樣中晶粒大小反比于衍射線積分寬度小而微觀應(yīng)變正比于譜線寬度。上實際60年代后期獲得了長足的發(fā)展，今后的發(fā)展趨勢如下：A、大力借助于計算機的輔助作用，以便解決線形擬合、重疊峰分離、線形背底截取、全譜線形取舍和各個峰的解析等；B、發(fā)揮其它分析手段的旁證，如TEM、SEM、Raman譜，正電子湮沒譜等，把用不同手段測出的同一微觀結(jié)構(gòu)參量大小相互比較；C、大力發(fā)揮線形分析的實際應(yīng)用，特別是發(fā)揮X射線分析的非破壞性、平均性和對材料結(jié)構(gòu)變化的靈敏性優(yōu)點；D、具體材料微觀結(jié)構(gòu)模型的建立，提出新的X射線參量與材料結(jié)構(gòu)參量之間的定量關(guān)系。(1)實驗數(shù)據(jù)處理實驗數(shù)據(jù)初步處理包括A、測試數(shù)據(jù)平滑，計算機多點平滑法，其目的在于去掉差錯記錄點和波動實驗點，進行某種平均化過程。B、衍射峰背底扣除及峰位確定。此時要注意相鄰衍射峰背底相干擾及高角處散射背底的變化等問題。背底水平不能估計得過高。尋峰方法有中點連線法、拋物線法、切線法等。C、多級衍射線分析結(jié)果平均。由于多級衍射是指相同晶粒沿相同方向的不同反射級次的線條測量后分析結(jié)果，這些結(jié)果應(yīng)互相一致，例如由(111)晶面和(222)干涉面測試分析結(jié)果應(yīng)近似相同，但由于衍射角不同、線形不同，故對同一種物理量得到不同大小值應(yīng)取其平均或進行擬合。(2)結(jié)構(gòu)精煉結(jié)構(gòu)精煉包括A、儀器因數(shù)校正，一般利用一種認為是無缺陷的完整標準晶體樣品與有缺陷的待測試樣在完全相同的衍射幾何條件下分別測得幾何線形和總線形。B、X射線衍射參量分析，比如譜線峰位、譜線峰面積、譜線峰非對稱性、譜線峰半高寬、積分寬度，整個線形(profile)的柯西分量、高斯分量等。C、晶體結(jié)構(gòu)參量精煉，比如晶胞參數(shù)，晶面間距，晶胞中原子坐標，形變晶體中亞晶塊大小有效值，塊內(nèi)微觀應(yīng)變平均值，位錯密度平均值，位錯分布參量平均值，抽出型、插入型和孿生型層錯幾率，堆垛層錯能，體彈性貯能密度平均值等。D、晶體性能表征：例如基于積分強度作物相鑒定，基于應(yīng)變變化線形分析表征微觀應(yīng)力。由于X射線衍射方法直接測量的不是應(yīng)力而是應(yīng)變，常用應(yīng)變表達參量再乘以彈性常為后才可表征出應(yīng)力。(3)各種方法比較及其可靠性線形分析有三種方法，即近似函數(shù)法、傅氏分析法和方差法。要比較各種方法的優(yōu)缺點以及由它們所得到的晶體結(jié)構(gòu)類型和不完整性(晶體缺陷)參量數(shù)值大小和可靠性程度的估計是困難的，因為各自處理方法和定義不同。但在經(jīng)過長期分析測試對比中也發(fā)現(xiàn)它們之間有某種對應(yīng)關(guān)系。堆垛層錯密度或幾率表示有堆垛層錯晶面占此方向上總晶面的百分數(shù)，它又分為抽出型、插入型和孿生型三種。為了測定某一具有一定結(jié)構(gòu)不完整性的晶體衍射物理線形，必須使用一定精度的幾何儀器在一定條件下進行測量，得到含有物理因素和幾何因素在內(nèi)的總衍射線形，其中幾何線形可由認為是無缺陷的完整晶體的標準試樣得到。2、試樣與標樣的要求(1)試樣的要求在X射線衍射分析中，對試樣要求不太苛刻，且屬非破壞性分析，比電子顯微鏡分析更為方便。然而，X射線衍射線形分析對試樣也有一定的要求。A、在衍射儀測量中要求有較大的照射體積，一般需要幾立方毫米以上，如對薄膜試樣進行分析中則需要有20mm2以上的照射面積。B、求試樣為一平整表面，要求被照射表面即反射X射線的表面嚴格處于測角儀轉(zhuǎn)軸上，其試樣表面與轉(zhuǎn)軸重合度誤差不能大于0.05mm。C、作為X射線分析試樣的照射表面的組成、應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特征等都必須能代表整體材料內(nèi)部平均情況。除非測試目的只是為了分析表面一層信息以外。D、對待測試樣必須進行各種因數(shù)校正。但由于吸收系數(shù)、彈性常數(shù)、溫度因數(shù)、角度因數(shù)等的計算比較復(fù)雜，故經(jīng)常以選擇合適標樣與待測試樣在相同衍射條件下測試，用實驗數(shù)據(jù)校正代替計算理論校正。(2)標樣的要求A、被選擇的標樣要盡可能完整無缺陷，標樣越完整其衍射線形越窄，它與待測試樣衍射線形差別越大，分析結(jié)果越可靠?？捎门c待測試樣組成相同材料作為標樣，必須在真空中充分退火，并且不使晶粒長得過大。標樣晶粒尺寸在10μm左右。B、標樣盡可能與待測試樣為同種物質(zhì)或相似物質(zhì)，這樣可減少對吸收效應(yīng)的校正與計算。C、盡量選擇與待測試樣反射角相同或相近的標樣線條，以減少角因子的校正計算。D、使標樣與待測試樣能在相同輻射波長和相同入射光束幾何條件下，得到各自可測量的衍射線條。如果上述各點均有困難時，只好選擇其它物質(zhì)為標樣。3、應(yīng)用實例X射線衍射線形分析在合金材料力學(xué)性能預(yù)測上的應(yīng)用α-黃銅在單軸拉伸中加工硬化與位錯組態(tài)的X射線衍射線形分析形變奧氏體不銹鋼堆垛層錯的X射線衍射線形分析形變奧氏體不銹鋼堆垛層錯的X射線衍射線形分析總結(jié)(1)選擇合格的試樣與標樣非常重要；(2)確保被測試樣與標樣的衍射曲線良好，每個衍射峰的數(shù)據(jù)點足夠多；(3)對被測試樣與標樣衍射譜線進行強度校正及

Kα雙線分離；(4)利用被測試樣與標樣衍射譜線的Kα1線形，進行線形分離，獲得被測試樣的物理線形；(5)對被測試樣的物理線形進行分離，確定其細晶線形及顯微畸變線形等；(6)根據(jù)細晶線形及顯微畸變線形等的積分寬度，進行相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)表征。線形分析的適用范圍A、亞晶塊或相干衍射疇大小分析