金属材料的分析方法简介

金属材料的分析方法简介

研究所：龙绘葵 2002年7月

金属材料的分析方法简介

摘要：本文就金属材料分析中的X射线衍射分析、透射电镜分析、扫描电镜分析、电子探针及其它的一些表面显微分析方法的原理、性能和适用性等方面进行了简单的介绍。

金属材料的常规分析，在力学性能方面主要有拉伸、压缩、弯曲、剪切、硬度、成形等试验方法；在化学成分方面，主要有化学分析方法和光谱分析方法；内部组织结构方面主要是光学显微镜分析。这些方法是常用的试验方法，无需介绍。对于金属材料的常规生产检验和质量控制，进行这些常规试验基本上就可以了。但对于织构及内应力的测定，产品的缺陷及微区成分的分析，以及金属表面和内部更细微的组织结构和成分的分析，等等，这些方法是无法实现的。在现阶段，进行这些分析所采用的仪器是X射线衍射仪，电子显微镜，电子探针仪及其它的表面显微分析工具(包括离子探针仪、低能电子衍射仪、俄歇电子能谱仪、场离子显微镜、扫描隧道显微镜、X射线光电子能谱仪等)。这些试验方法和相应的仪器都是近几十年来建立并逐渐完善起来的，在金属材料的分析和研究中起着越来越广泛和重要的作用。随着科学技术的发展，必将会有更多、更先进的试验方法和仪器用于金属材料的分析。

1 X射线衍射

1.1 X射线衍射的基本概念

X射线在传播途中，与晶体中束缚较紧的电子相遇时，将发生经典散射。晶体由大量原子组成，每个原子又有多个电子。各电子所产生的经典散射线会相互干涉，使在某些方向获得加强，另一些方向则被削弱。电子散射线干涉的总结果被称为衍射。获得衍射花样的方法主要有：

1.1.1劳埃法：采用波长连续可变的连续X射线照射不动的单晶体，从中挑选出其波长满足布喇格关系的X射线使产生衍射。劳埃法是德国物理学家劳埃在1912年首先提出的，是最早的X射线分析方法，它用垂直于入射线的平底片记录衍射线而得到劳埃斑点。目前这一方法多用于单晶体取向测定及晶体对称性的研究。

1.1.2周转晶体法：采用单色X射线照射转动的单晶体，并用一张以旋转轴为轴的圆筒形底片来记录。这种方法主要用于确定晶体的结构。

1.1.3粉末法：采用单色X射线照射多晶体。试样是由数量众多、取向混乱的微晶体组成。各微晶体中某种指数的晶面在空间占有各种方位，这与运动的单晶体某种晶面在不同瞬时占有不同位置的情况是相当的，因此这种几何布置也可获得衍射。粉末法是衍射分析中最常用的方法。大多数材料的粉末或其板、丝、块、棒等均可直接用作试样，且其衍射花样可提供的分析资料又很多。这种方法主要用于测定晶体结构，进行物相定性、定量的分析，精确测定点阵参数，也可用于测定材料的内应力、织构、晶粒大小等。

粉末法是各种多晶体X射线分析法的总称，其中以德拜－谢乐法最具典型性，它是用窄圆筒底片来记录衍射花样。其余的还有聚焦照相法和平底片记录衍射花样的针孔法。而

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目前最具有实用性的是用各种辐射探测器(计数器)记录衍射X射线，也就是X射线衍射仪测量。近几十年来，衍射仪法在大多数场合下已取代了照相法，衍射仪测量具有方便、快速、精确等优点。衍射仪与电子计算机的结合，使操作、测量及数据处理基本上实现了自动化，而且大部分的测试项目都有专用程序。 1.2 X射线衍射仪测量 1.2.1物相定性分析

化学分析、光谱分析、X射线荧光光谱分析、X射线微区域分析(电子探针)等均可测量试样的元素组成，但X射线物相分析却可鉴别试样中的物相。物相包括纯元素、化合物和固溶体。当待测试样由单质元素或其混合物组成时，X射线物相分析所指出的是元素，因为此时元素就是物相；但当元素相互组成化合物或固溶体时，则所给出的是化合物或固溶体而非它们的组成元素。

X射线衍射分析是以晶体结构为基础的。每种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原子(离子或分子)的数目及位置等等，而这些参数在X射线衍射花样中均有所反映。尽管物质的种类有千千万万，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射线条的数目、位置以及强度是该物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。将未知物相的衍射花样与已知物相的衍射花样进行比较，当彼此吻合时，就能判定该未知物相。已知物相的衍射数据在粉末衍射卡片(JCPDS卡)中基本上都能查到。 1.2.2 物相定量分析

如果不仅要求鉴别物相的种类，而且要求测定各物相的相对含量，就必须进行定量分析。用X射线衍射方法进行物相定量分析的依据是：各物相的衍射线的强度随该相含量的增加而提高。当然，由于各物相对X 射线的吸收不同，使得衍射线“强度”与物相的“含量”并不完全成正比，而必须加以修正。定量分析常用的方法有：单线条法、内标法、K值法及参比强度法等。

1.2.3 宏观残余应力的测定

金属材料在加工和热处理等过程后，材料内部仍可能受到局部封锁住的应力作用，这种应力称为残余内应力，简称为残余应力。残余应力的来源常见的有凝固、相变、加工、表面处理、焊接等。X射线应力测量就是用X射线衍射测量多晶体材料表面应力的一种方法。

残余应力的测量方法很多，如机械法、电阻法、光学法等，而X射线应力测定方法由于它具备的特点，近几十年来已获得广泛的应用。X射线应力测定是非破坏性的，可以进行原位、工作状态的临时性测定，它所测到的仅是弹性应变(其它方法测到的是弹性应变和范性应变之和)，也可进行局部区域的测定。它的缺点是测量精度较差，测量的只是近表面部分的应力。

1.2.4金属中织构的测定

金属材料都是由许多细小晶粒构成的多晶体，如果这些晶粒的取向完全是无规则的，那么材料的物理性能应该是各向同性的。但若晶粒的取向有一定的规律性，或者说晶粒的某个或某些取向具有沿某个方向的倾向，则它的物理性质会表现出某种各向异性。这种某些晶向向一个或几个方向集中的现象称为择优取向，习惯上称为织构。织构不仅在金属材料的冷加工变形过程中出现，而且还可以在液体凝固、气相沉积、电解沉积、再结晶等过

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程中产生。由于形成过程和存在的状态不同，织构一般可分为三种类型：沉积织构、丝织构和板织构，而金属材料中比较典型的织构是丝织构和板织构，它们的特征和测量方法也是各不相同的。

研究织构的方法很多，有金相方法、磁学方法、光学方法等，但用X射线方法能确定织构的类型和程度，甚至能获得几种织构并存时它们的相对百分数。这种方法也不受材料的限制，是一种很重要的织构研究方法。

1.2.5其它方面的应用，如点阵常数的精确测定等。这些测量比较复杂，在此不作介绍。

2 透射电子显微镜(TEM)

2.1 透射电子显微镜的简单原理和特点

透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。世界上第一台电子显微镜是由德国柏林大学教授Knoll和Ruska在1932年设计制造成功的，最初的电镜的分辨率仅几个nm，而目前最先进的电镜的分辨率已达到0.14nm，即达到了原子尺度的水平，可满足观察分子和原子像的要求。 透射电镜的主要特点是可以进行组织形貌与晶体结构同位分析，利用成像操作可以在观察屏上得到反映样品组织形态的形貌图像，而利用衍射操作，在观察屏上得到的则是反映样品晶体结构的衍射斑点。透射电镜是由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统等几部分组成，而最核心的部分是电子光学系统，通常也称为镜筒。 2.2 透射电子显微镜的样品

电子显微镜出现后，最初人们试图把它应用于金相分析，但由于试样对电子束有强烈的散射作用，电子束的穿透能力受到很大的限制，通常100KV的电镜，其电子束只能穿透100～200nm，因而不能把金相样品直接放到电镜中观察，而需进行专门的制备。制备的方法现在有两种：

第一种是在20世纪40年代发明的复型技术，即用一种物质制成厚度小于100nm的薄膜把金相表面的浮雕复制下来，然后在电子显微镜中观察，显现材料的显微组织。后来，人们又成功地将复型技术应用于金属断口的分析，可以获得金属断裂的一些重要的微观特征。再后来发明的萃取复型可以将金属的某些组成相选择地提取下来，且保持原来在金属中的位置，对提取的粒子可利用电子衍射方法进行结构分析。

第二种是金属薄膜方法。由于复型一般只能反映试样表面的微观形貌特征，不能反映金属材料的内部结构，而后来发明的金属薄膜直接透射方法，不仅可以有效地发挥电子显微镜的高分辨率的特长，同时将样品的微观形貌、成分、晶体结构、晶体缺陷等联系起来分析，并可充分发挥电子显微镜各种附件的功能。金属薄膜的制备比较复杂，最终要得到的是100～200nm左右的薄膜，且不能有任何组织结构的变化。一般是用手工或化学抛光减薄的方法将试样减薄至0.05mm左右，然后用“窗口”法或双喷电解抛光法或离子抛光法将试样减薄至100～200nm。

2.3 透射电子显微镜在金属分析中的应用 2.3.1电子金相检验

电子金相就是用电子显微镜复型样品来观察金属材料的显微组织的类型、数量、分布、

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