1、材料现代分析方法 X射线内应力的测定1X射线荧光光谱分析射线荧光光谱分析(XRF)College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定2本章主要内容1.1 XRF简介简介1.2 波长色散波长色散XRF构造及工作原理构造及工作原理1.3 定性和定量分析定性和定量分析1.4XRF样品制备样品制备1.5 XRF的优势和局限性的优势和局限性College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定31.1 XRF简介简介College of MSE, CQU1895年，德国物理学家伦年，德国物理学家伦琴发现琴发现X射线射线1896年，法国科学家乔治年，法国科学家乔
2、治发现发现X射线荧光射线荧光20世纪世纪40年代末，弗利德年代末，弗利德曼和伯克斯利用盖克计数曼和伯克斯利用盖克计数器研制出波长色散器研制出波长色散X射线荧射线荧光光谱仪光光谱仪XRF-1800波长色散型波长色散型X射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪材料现代分析方法 X射线内应力的测定41.1 XRF简介简介College of MSE, CQU X射线光谱分析技术是一种化学成分分析，相对于传统的化射线光谱分析技术是一种化学成分分析，相对于传统的化学分析，最大的优点就是无损检测，应用领域及其广泛，如：学分析，最大的优点就是无损检测，应用领域及其广泛，如：冶金、材料、地质、环境及工业等。冶金、材料、地
3、质、环境及工业等。 它具有分析速度快、样品前处理简单、可分析元素范围广、它具有分析速度快、样品前处理简单、可分析元素范围广、谱线简单，光谱干扰少等优点。谱线简单，光谱干扰少等优点。 X射线荧光光谱分析不仅可以分析块状、粉末还可以分析液射线荧光光谱分析不仅可以分析块状、粉末还可以分析液体样品。体样品。材料现代分析方法 X射线内应力的测定51.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU波长色散波长色散X射线荧光光谱仪分为三大类射线荧光光谱仪分为三大类u扫描型扫描型u多元素同时分析（多道）多元素同时分析（多道）u组合型组合型-扫描型与固定元素通道组合扫描
4、型与固定元素通道组合基本结构基本结构u 光源、滤波片、原级（入射）准直器、分光晶体、二光源、滤波片、原级（入射）准直器、分光晶体、二级（出射）准直器、探测器和测角仪级（出射）准直器、探测器和测角仪材料现代分析方法 X射线内应力的测定61.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU光源光源uX射线管射线管-产生产生X射线射线uX射线管铍窗厚度主要影响原子序数小于射线管铍窗厚度主要影响原子序数小于16的元素，对的元素，对原子序数大于原子序数大于30的元素影响较小。的元素影响较小。u铑是最好的靶材之一，其原子序数相对较大，所产生的铑是最好的靶材之一，其原
5、子序数相对较大，所产生的连续谱和连续谱和K系、系、L系特征谱特别适用于轻、重元素测定。系特征谱特别适用于轻、重元素测定。材料现代分析方法 X射线内应力的测定71.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU常用不同靶材常用不同靶材X光管适用范围光管适用范围阳极阳极重元素重元素轻元素轻元素备注备注Rh良优适用于轻、重元素，Rh K系谱线对Ag、Cd、Pd有干扰Au优差通常用于重元素的痕量分析，不包括Au、As、SeMo良差用于贵金属分析，Mo K谱线激发Pt族元素L谱线，并且不干扰Rh-Ag的K系谱线Cr差优用于轻元素常规分析，Cr谱线干扰Cr和Mn的
6、测定，对激发Ti和Ca的谱线很有效材料现代分析方法 X射线内应力的测定81.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU滤光片滤光片u消除或降低来自消除或降低来自X射线管发射的原级射线管发射的原级X射线谱，尤其是射线谱，尤其是靶材的特征靶材的特征X射线谱对待测元素的干扰，改善峰背比，提射线谱对待测元素的干扰，改善峰背比，提高分析的灵敏度。高分析的灵敏度。材料现代分析方法 X射线内应力的测定91.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU准直器准直器u具有不同间距的平行金属板具有不同间距的平行金属板u一级准
7、直器（入射狭缝）一级准直器（入射狭缝）-将样品发射出来的将样品发射出来的X射线荧光射线荧光通过准直器变为平行光束照射到晶体上。通过准直器变为平行光束照射到晶体上。u二级准直器（出射狭缝）二级准直器（出射狭缝）-将晶体分光后的光束变为平将晶体分光后的光束变为平行光束进入探测器。行光束进入探测器。u一级准直器对谱仪分辨率起重要作用，距离越小、分辨一级准直器对谱仪分辨率起重要作用，距离越小、分辨率越高，但强度越低。率越高，但强度越低。材料现代分析方法 X射线内应力的测定101.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU分光晶体分光晶体u获得待测获得待测X
8、射线谱的核心部件射线谱的核心部件u选取原则：选取原则：分辨率好，减少谱线干扰；分辨率好，减少谱线干扰；衍射强度高；衍射强度高；衍射后得到的特征谱线的峰背比高；衍射后得到的特征谱线的峰背比高；不产生高次衍射线；不产生高次衍射线；晶体受温度、湿度影响小。晶体受温度、湿度影响小。材料现代分析方法 X射线内应力的测定111.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU分光晶体分光晶体u根据布拉格定律，所选晶体的根据布拉格定律，所选晶体的2d必须大于待分析元素的必须大于待分析元素的波长；波长；u高高2角条件下，谱线宽度增大，强度降低。角条件下，谱线宽度增大，强
9、度降低。u由于受谱仪结构的限制，由于受谱仪结构的限制，2一般小于一般小于148度。度。材料现代分析方法 X射线内应力的测定121.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU分光晶体分光晶体常用晶体的常用晶体的2d值及适用范围值及适用范围材料现代分析方法 X射线内应力的测定131.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU探测器探测器u流气式正比计数管、封闭式正比计数管和闪烁计数管流气式正比计数管、封闭式正比计数管和闪烁计数管探测器的选择探测器的选择材料现代分析方法 X射线内应力的测定141.2 波长色散
10、波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU基本原理基本原理uX射线管产生入射射线管产生入射X射线（一次射线），照射到被测样射线（一次射线），照射到被测样品上。样品中的每一种元素会放射出具有特定能量特征品上。样品中的每一种元素会放射出具有特定能量特征的二次的二次X射线（荧光射线（荧光X射线）。二次射线）。二次X射线投射到分光晶射线投射到分光晶体的表面，按照布拉格定律产生衍射，不同波长的荧光体的表面，按照布拉格定律产生衍射，不同波长的荧光X射线按波长顺序排列成光谱。这些谱线由检测器在不同射线按波长顺序排列成光谱。这些谱线由检测器在不同的衍射角上检测，转变为脉冲信号
11、，经电路放大，最后的衍射角上检测，转变为脉冲信号，经电路放大，最后由计算机处理输出。由计算机处理输出。材料现代分析方法 X射线内应力的测定151.2 波长色散波长色散XRF的构造及原理的构造及原理College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定161.3 定性和定量分析定性和定量分析College of MSE, CQU定性分析定性分析- Moseley定律定律u元素的元素的特征特征X射线的波长射线的波长( )随元素的原子序数随元素的原子序数( Z )增加，增加，有规律地向短波方向移动。有规律地向短波方向移动。 式中式中k, S是常数，所以只要测出了特征是常数，所以只
12、要测出了特征x射线的波长射线的波长，就可以，就可以求出产生该波长的元素，即可做定性分析。求出产生该波长的元素，即可做定性分析。材料现代分析方法 X射线内应力的测定171.3 定性和定量分析定性和定量分析College of MSE, CQU定量分析定量分析u荧光荧光X射线的强度射线的强度Ii与分析元素的质量百分浓度与分析元素的质量百分浓度Ci的关系的关系可以用下式表示：可以用下式表示： 式中式中m是样品对一次是样品对一次X射线和荧光射线的总质量吸收系数，射线和荧光射线的总质量吸收系数，K为为常数，与入射线强度常数，与入射线强度I和分析元素对入射线的质量吸收系数有关。和分析元素对入射线的质量吸收
13、系数有关。在一定条件下（样品组成均匀，表面光滑平整，元素见无相互激在一定条件下（样品组成均匀，表面光滑平整，元素见无相互激发），荧光发），荧光x x射线强度与分析元素含量之间存在线性关系，根据射线强度与分析元素含量之间存在线性关系，根据谱线的强度可以进行定量分析。谱线的强度可以进行定量分析。miiKCI材料现代分析方法 X射线内应力的测定181.4 XRF样品制备样品制备College of MSE, CQU理想待测试样应满足的条件理想待测试样应满足的条件u有足够的代表性（因为荧光分析样品的有效厚度一般只有足够的代表性（因为荧光分析样品的有效厚度一般只 有有10100；u试样均匀；试样均匀；u
14、表面平整、光洁、无裂纹；表面平整、光洁、无裂纹；u试样在射线照射及真空条件下应该稳定、不变型、不试样在射线照射及真空条件下应该稳定、不变型、不引起化学变化；引起化学变化；u组织结构一致组织结构一致!材料现代分析方法 X射线内应力的测定191.4 XRF样品制备样品制备College of MSE, CQUu金属及其它块状样品金属及其它块状样品浇注浇注- -切割切割- -磨光或抛光或车制磨光或抛光或车制要求：表面平整、光洁、无裂纹、无气孔、干净无污要求：表面平整、光洁、无裂纹、无气孔、干净无污染染材料现代分析方法 X射线内应力的测定201.4 XRF样品制备样品制备College of MSE,
15、 CQUu粉末样品粉末样品一般脆性材料，如矿石、水泥、陶瓷、耐火材料、渣一般脆性材料，如矿石、水泥、陶瓷、耐火材料、渣以及部分合金都可以制成粉末。以及部分合金都可以制成粉末。粉碎粉碎-研磨研磨-加压成型加压成型烘干烘干-添加添加-混合混合-研磨研磨-压块压块粒度问题：粒度问题：200目以上为平均指标目以上为平均指标粘结剂：疏松不易成块的样品，压片时可以加入一定粘结剂：疏松不易成块的样品，压片时可以加入一定（一般（一般10-15%）的粘结剂，如硼酸、淀粉等）的粘结剂，如硼酸、淀粉等材料现代分析方法 X射线内应力的测定211.4 XRF样品制备样品制备College of MSE, CQUu粉末样
16、品粉末样品一般脆性材料，如矿石、水泥、陶瓷、耐火材料、渣一般脆性材料，如矿石、水泥、陶瓷、耐火材料、渣以及部分合金都可以制成粉末。以及部分合金都可以制成粉末。粉碎粉碎-研磨研磨-加压成型加压成型烘干烘干-添加添加-混合混合-研磨研磨-压块压块粒度问题：粒度问题：200目以上为平均指标目以上为平均指标粘结剂：疏松不易成块的样品，压片时可以加入一定粘结剂：疏松不易成块的样品，压片时可以加入一定（一般（一般10-15%）的粘结剂，如硼酸、淀粉等）的粘结剂，如硼酸、淀粉等材料现代分析方法 X射线内应力的测定221.4 XRF的优势和局限性的优势和局限性College of MSE, CQUXRF与传统
17、化学分析相比与传统化学分析相比u无损检测无损检测u重复性高重复性高u分析速度快分析速度快u测试过程简单测试过程简单材料现代分析方法 X射线内应力的测定231.4 XRF的优势和局限性的优势和局限性College of MSE, CQUXRF与能谱分析相比与能谱分析相比(WDXRF与与EDXRF)美国美国Thermo QuanX X射线荧光能谱仪射线荧光能谱仪uWDXRF分辨率较分辨率较EDXRF分辨率高分辨率高uWDXRF分析范围广，速度快分析范围广，速度快uEDXRF对样品制样无要求对样品制样无要求材料现代分析方法 X射线内应力的测定241.4 XRF的优势和局限性的优势和局限性Colleg
18、e of MSE, CQUXRF与与ICP仪器法相比仪器法相比uICP需要融掉样品，相对需要融掉样品，相对于于XRF样品前处理较复杂样品前处理较复杂uICP的基体效应小，微含的基体效应小，微含量元素测量占优势，而量元素测量占优势，而XRF对高含量元素测量准确度更对高含量元素测量准确度更高高材料现代分析方法 X射线内应力的测定251.4 XRF的优势和局限性的优势和局限性College of MSE, CQU局限性局限性u基体效应还是比较严重基体效应还是比较严重,试样要求严格试样要求严格u难于作绝对分析，定量需标样难于作绝对分析，定量需标样u容易相互元素干扰和叠加峰影响（容易相互元素干扰和叠加峰
19、影响（Pb与与As，Ti与与V等）等）u荧光分析的样品有效厚度一般为荧光分析的样品有效厚度一般为0.1mm材料现代分析方法 X射线内应力的测定26College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定27本章主要内容1.1 FIB系统介绍系统介绍1.2 FIB-SEM构造及工作原理构造及工作原理1.3 离子束与材料的相互作用离子束与材料的相互作用1.4 FIB主要功能及应用主要功能及应用College of MSE, CQUn参考书：顾文琪等，聚焦离子束微纳加工技术，北京工业大学出版社，参考书：顾文琪等，聚焦离子束微纳加工技术，北京工业大学出版社，2006。材料现代分析方法
20、 X射线内应力的测定281.1 FIB系统介绍系统介绍College of MSE, CQUn聚焦离子束聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的系的系统是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小统是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪器尺寸的显微加工仪器n用荷能离子轰击材料表面，实现材料的用荷能离子轰击材料表面，实现材料的剥离、沉积、注入和改性剥离、沉积、注入和改性n目前商用系统的离子束为液相金属离子目前商用系统的离子束为液相金属离子源源(Liquid Metal Ion Source,LMIS)n 金属材质为镓金属材质为镓(Gallium, Ga)，因为镓元，因为镓元素
21、具有低熔点、低蒸气压及良好的抗氧化素具有低熔点、低蒸气压及良好的抗氧化力力n现代先进现代先进FIB系统为双束，即离子束系统为双束，即离子束+ 电电子束（子束（FIB+SEM）的系统。在）的系统。在SEM微观微观成像实时观察下，用离子束进行微加工。成像实时观察下，用离子束进行微加工。Zeiss Auriga FIB-SEM system材料现代分析方法 X射线内应力的测定29FIB技术发展史技术发展史College of MSE, CQUn1950s：Mueller发明气体场发射离子源（发明气体场发射离子源（GFIS）；）；n1970s：GFIS应用到聚焦离子显微镜（应用到聚焦离子显微镜（FIM
22、）；）；n1974-75：J. Orloff 和和L.W.Swanson分别将分别将GFIS应用于应用于FIB。此时的。此时的GFIS束流低束流低(10pA),分辨率约分辨率约50纳米；纳米；n1974：美国：美国Argonne国家实验室的国家实验室的V.E.Krohn 和和G.R.Ringo发现在电场作用下毛发现在电场作用下毛细管管口的液态镓变形为锥形，并发射出细管管口的液态镓变形为锥形，并发射出Ga+离子束；离子束；n1978：美国加州休斯研究所的：美国加州休斯研究所的R.L.Seliger等人建立了第一台等人建立了第一台Ga+液态金属离子源液态金属离子源的的FIB系统，束斑直径系统，束斑
23、直径100nm，束流密度，束流密度1.5A/cm2，亮度达，亮度达3.3x106A/（cm2.sr），），束能量束能量57keV；n1980s：商品型：商品型FIB投入市场，成为新器件研制、微区分析、投入市场，成为新器件研制、微区分析、MEMS制作的重要制作的重要手段；手段；n1980s-90s：开发出：开发出SEM-FIB双束、双束、FIB多束、全真空多束、全真空FIB联机系统。联机系统。FIB加工系统的发展与点离子源的开发密切相关加工系统的发展与点离子源的开发密切相关材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU30FIB系统分类系统分类nFIB曝光系统曝光系统
24、nFIB注入系统注入系统nFIB刻蚀系统刻蚀系统nFIB沉积系统沉积系统nFIB电路、掩模修电路、掩模修整系统整系统nSIM成像分析系统成像分析系统n高能高能FIB系统（系统（100keV）n中能中能FIB系统（系统（10-100keV）n低能低能FIB系统（系统（0 材料表面为压应力； M0 材料表面为拉应力 材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU76注意：注意：每次反射都是由与试样表面呈不同每次反射都是由与试样表面呈不同 取向的同族（取向的同族（hkl）面所产生的（）面所产生的（如在无应如在无应力状态下，各衍射角都相同，但有应力存力状态下，各衍射角都相同
25、，但有应力存在时，各方向变形不同，故在时，各方向变形不同，故2角也各不相角也各不相同）。同）。因此因此2的变化反应了试样表面处于不同方的变化反应了试样表面处于不同方位上同族（位上同族（hkl）晶面的面间距的改变。）晶面的面间距的改变。材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU77 为尽量避免测量时的误差，多取 方位进行测量，用最小二乘法求出2 - sin2 直线的最佳斜率。 一般=0、15、30、 45, 测量对应的2角，绘制2 - sin2关系图。2sin衍射仪法测定2- sin2曲线常用方法有两种：1、 法材料现代分析方法 X射线内应力的测定College
26、of MSE, CQU782、0o45法（两点法） 取（0) 为0和45（或其他两个适当的角度），分别测量2，作直线求M值；适用范围： 已知2-sin2关系呈良好线性或测量精度要求不高的工件。 材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU79 测定具体操作步骤如下： . 选择反射晶面（hkl）与入射波长的组合，使产生的衍射线有尽可能大的角（角越接近90，系统误差越小），计算无应力的衍射角2。 （以低碳钢为例：选用CrK测（211）线，由布拉格方程算出2 0=156.4，则0=78.2）. 测定 =0时的数据（有应力存在） 令 入 射 线 与 样 品 表 面 呈0=
27、78.2，计数器在205附近与样品连动扫描，记录与样品表面平行的（211）面的衍射线，测得2 =154.92材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU80. 测定 = 45： 样品连同样品台顺时针转动45，转动时与计数器“脱钩”，即计数器保持不动；计数仍在20附近（与样品台）连动扫描，此时记录的衍射线是样品中其法线与样品表面法线夹角为45的（211）晶面所产生的，测出此时的衍射角 2=155.96；. 计算M值：45045022222222222sinsinsin 45 sin 0sin 45M材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE,
28、CQU81 为尽量避免测量时的误差，多取 方位进行测量，用最小二乘法求出2 - sin2 直线的最佳斜率。 一般=0、15、30、 45, 测量对应的2角，绘制2 - sin2关系图。2sin衍射仪法测定2- sin2曲线常用方法有两种：1、 法材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU82iiM20sin222sin2关系的直线方程为：根据最小二乘法原理，得出误差表达式，并式中的常数项求偏导，解方程组得:niniiinininiiiiinnM1122411122)sin(sin2sin)sin2(最小二乘法处理如下：材料现代分析方法 X射线内应力的测定Coll
29、ege of MSE, CQU83材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU84 3、 0 45法与sin2法的适用性： 若在X-ray穿透范围内，样品存在织构、晶粒粗大、偏离非平面应力状态等情况，2 -sin2 将偏离线形关系，此时采用0 45法会产生很大误差，因此用sin2 法 。 当晶粒小、织构少、微观应力不严重时，直线斜率也可由首位两点决定，用045法即可。材料现代分析方法 X射线内应力的测定2、测量方法、测量方法 根据根据平面与测角仪平面与测角仪2扫描平面的几何关系，扫描平面的几何关系，可分为同倾法与侧倾法两种测量方式。可分为同倾法与侧倾法两种测量方式
30、。 同倾法的衍射几何特点，是同倾法的衍射几何特点，是平面与测角仪平面与测角仪2扫描平面重合。扫描平面重合。 同倾法中设定同倾法中设定角的方法有两种，即固定角的方法有两种，即固定0法和固定法和固定法。法。 College of MSE, CQU85材料现代分析方法 X射线内应力的测定A、同倾法、同倾法 同倾法的衍射几何特点同倾法的衍射几何特点 ，是，是 平面与测角仪平面与测角仪2 扫描平面重合。扫描平面重合。College of MSE, CQU86材料现代分析方法 X射线内应力的测定B、侧倾法、侧倾法 侧倾法的衍射几何特点是平面与测角仪侧倾法的衍射几何特点是平面与测角仪2扫扫描平面垂直，如图所
31、示。描平面垂直，如图所示。College of MSE, CQU87材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU881、试样要求、试样要求 为了真实且准确地测量材料中的内应力，必须高度重视被测为了真实且准确地测量材料中的内应力，必须高度重视被测材料组织结构、表面处理和测点位置设定等，相关注意事项如材料组织结构、表面处理和测点位置设定等，相关注意事项如下。下。A、材料组织结构、材料组织结构 常规的常规的X射线应力测量，只是对无粗晶和无织构的材料才有射线应力测量，只是对无粗晶和无织构的材料才有效，否则会给测量工作带来一定难度。效，否则会给测量工作带来一定难度。 对于非
32、理想组织结构的材料，必须采用特殊的方法或手段来对于非理想组织结构的材料，必须采用特殊的方法或手段来进行测试，但某些问题迄今未获得较为圆满的解决。进行测试，但某些问题迄今未获得较为圆满的解决。四、四、X射线宏观应力测定中的一些问题射线宏观应力测定中的一些问题材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU89 如果如果晶粒粗大晶粒粗大，各晶面族对应的德拜环则不，各晶面族对应的德拜环则不连续，当探测器横扫过各个衍射环时，所测得连续，当探测器横扫过各个衍射环时，所测得衍射强度或大或小，衍射峰强度波动很大衍射强度或大或小，衍射峰强度波动很大，依，依据这些衍射峰据这些衍射峰测得
33、的应力值是不准确测得的应力值是不准确的。的。 为使德拜环连续，获得满意的衍射峰形，为使德拜环连续，获得满意的衍射峰形，必必须增加参与衍射的晶粒数目须增加参与衍射的晶粒数目。 为此，为此，对粗晶材料一般采用回摆法进行应力对粗晶材料一般采用回摆法进行应力测量测量。目前的大多数衍射仪或应力仪，都具备。目前的大多数衍射仪或应力仪，都具备回摆法的功能。回摆法的功能。材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU90 材料中材料中织构，主要影响应力测量织构，主要影响应力测量2与与 sin2的的线性关系线性关系，影响机制有两种观点：一种观点认，影响机制有两种观点：一种观点认为，为
34、，2与与sin2的非线性，是由于在形成织构过的非线性，是由于在形成织构过程中的不均匀塑性变形所致；程中的不均匀塑性变形所致； 另一观点则认为，这种非线性与材料中各向另一观点则认为，这种非线性与材料中各向异性有关，不同方位即异性有关，不同方位即角的同族晶面具有不同角的同族晶面具有不同的应力常数的应力常数K值，从而影响到值，从而影响到2与与 sin2的线性的线性关系。关系。材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU91 由于理论认识上的局限，使得织构材料由于理论认识上的局限，使得织构材料X射线射线应力测量技术一直未获得重大突破。应力测量技术一直未获得重大突破。 目前
35、唯一没有先决条件并具有一定实用意义目前唯一没有先决条件并具有一定实用意义的方法是，的方法是，测量高指数的衍射晶面测量高指数的衍射晶面。 选择高指数晶面，选择高指数晶面，增加了所采集晶粒群的晶增加了所采集晶粒群的晶粒数目粒数目，从而增加了平均化的作用，削弱了择，从而增加了平均化的作用，削弱了择优取向的影响。优取向的影响。 这种方法的缺点是，对于钢材必须采用波长这种方法的缺点是，对于钢材必须采用波长很短的很短的Mo-K线，而且要滤去多余的荧光辐射，线，而且要滤去多余的荧光辐射，所获得的衍射峰强度不高等。所获得的衍射峰强度不高等。材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, C
36、QU92B、表面处理、表面处理 对于钢材试样，对于钢材试样，X射线只能穿透微米至十几射线只能穿透微米至十几微米的深度，测量结果实际是这个深度范围的微米的深度，测量结果实际是这个深度范围的平均应力，试样表面状态对测试结果有直接的平均应力，试样表面状态对测试结果有直接的影响。要求影响。要求试样表面必须光滑，没有污垢、油试样表面必须光滑，没有污垢、油膜及厚氧化层膜及厚氧化层等。等。 特别提醒，由于机加工而在材料表面产生的特别提醒，由于机加工而在材料表面产生的附加应力层最大可达附加应力层最大可达100m，因此需要对，因此需要对试样试样表面进行预处理表面进行预处理。 预处理的方法，是利用预处理的方法，是
37、利用电化学或化学腐蚀电化学或化学腐蚀等等手段，去除表面存在附加应力层的材料。手段，去除表面存在附加应力层的材料。材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU93 如果实验目的就是为了测量机加工、喷丸、如果实验目的就是为了测量机加工、喷丸、表面处理等工艺之后的表面应力，则不需要上表面处理等工艺之后的表面应力，则不需要上述预处理过程，必须小心保护待测试样的原始述预处理过程，必须小心保护待测试样的原始表面，不能进行任何磕碰、加工、电化学或化表面，不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。学腐蚀等影响表面应力的操作。 为测定应力沿层深的分布，可用电解腐
38、蚀的为测定应力沿层深的分布，可用电解腐蚀的方法进行逐层剥离，然后进行应力测量。方法进行逐层剥离，然后进行应力测量。 或者先用机械法快速剥层至一定深度，再用或者先用机械法快速剥层至一定深度，再用电解腐蚀法去除机械附加应力层。电解腐蚀法去除机械附加应力层。材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU94 3、 0- 45法与sin2法的适用性： 若在X-ray穿透范围内，样品存在织构、晶粒粗大、偏离非平面应力状态等情况，2 -sin2 将偏离线形关系，此时采用0- 45法会产生很大误差，因此用sin2 法 。 当晶粒小、织构少、微观应力不严重时，直线斜率也可由首位两点
39、决定，用045法即可。材料现代分析方法 X射线内应力的测定作业：在利用X射线衍射仪测定应力时，为什么要选择高指数晶面(角大)？Dept. of MSE, CQU95材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU960o cot 180)1 (2 EK22/MsinKn由于由于X射线应力常数射线应力常数K与与cot0值成正比，而待测应力又与值成正比，而待测应力又与应力常数成正比，因此布拉格角应力常数成正比，因此布拉格角0越大则越大则K越小，应力的越小，应力的测量误差就越小。测量误差就越小。n此外，根据布拉格方程此外，根据布拉格方程2dsin = ，选择高角衍射还可以，
40、选择高角衍射还可以有效减小仪器的机械调整误差等。有效减小仪器的机械调整误差等。材料现代分析方法 X射线内应力的测定97College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定98本章主要内容2.1 织构的基本概念织构的基本概念2.2 材料织构的表达方法材料织构的表达方法2.3 材料宏观织构检测原理材料宏观织构检测原理2.4 宏观织构测量技术宏观织构测量技术College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定992.1 织构的基本概念织构的基本概念v 多晶体由许多晶粒组成，但就其多晶体由许多晶粒组成，但就其晶粒取向晶粒取向分布而言，分布而言，可分为两种情况
41、：可分为两种情况：p一种是取向分布呈完全无序状态；一种是取向分布呈完全无序状态；p另一种是取向分布偏离完全无序状态，呈现某种另一种是取向分布偏离完全无序状态，呈现某种择优择优分分布布趋势。具有择优取向的结构状态称为趋势。具有择优取向的结构状态称为织构织构。板材的织构现象College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定College of MSE, CQU100v 天然的和人工制造的多晶材料很少是取向分布完天然的和人工制造的多晶材料很少是取向分布完全无序的，绝大多数都不同程度地存在着取向织构。全无序的，绝大多数都不同程度地存在着取向织构。例如：例如：p结晶岩石和矿石由熔
42、体结晶时，或在变质岩形成过程，结晶岩石和矿石由熔体结晶时，或在变质岩形成过程，均含形成织构；均含形成织构；p金属材料在液固结晶，气相沉积，电解沉积等过程中金属材料在液固结晶，气相沉积，电解沉积等过程中都会形成各种特征的织构；都会形成各种特征的织构；p冷加工冷加工( (冷拉，冷轧，挤压等冷拉，冷轧，挤压等) )过程会形成过程会形成变形织构变形织构，在随后的退火过程又可形成在随后的退火过程又可形成再结晶织构再结晶织构。材料现代分析方法 X射线内应力的测定101织构的种类织构的种类织构：按其择优取向分布特点分为两大类。织构：按其择优取向分布特点分为两大类。（1）丝织构：）丝织构：金属材料中的晶粒以某
43、一结晶学方向平某一结晶学方向平行于（或接近平行于）线轴方向行于（或接近平行于）线轴方向的择优取向。 丝织构存在于拉、轧或挤压成形的丝、棒材及各种镀层。 特点：特点：多晶体中各晶粒的某晶向与丝轴或镀层表面法线平行，则丝织构指数表示为丝织构指数表示为。College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定102（2）板织构：）板织构：存在于轧制、旋压等成形的板、片状构件内。在变形过程中，多数晶粒不仅倾向于以某一晶向某一晶向平行于材料的某一特定外观方平行于材料的某一特定外观方向向，同时还以某一晶面（某一晶面（hkl）平行于材料的特定）平行于材料的特定外观平面（板材表面）外观平面（
44、板材表面），这种类型的择优取向称为板织构，一般以以(hkl)uvw表示表示特点：特点：各晶粒的某晶向与轧向（轧向（RD）平行；各晶粒的某晶面 hkl 与轧面轧面平行。College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定1032.2 2.2 材料织构的表达方法材料织构的表达方法p取向的定义n 设空间有一由设空间有一由x, y, z 3个互相垂直的坐标轴组成的个互相垂直的坐标轴组成的直角参考坐标直角参考坐标系系。再设有一个。再设有一个立方晶体坐标系立方晶体坐标系，其坐标排列方式为：，其坐标排列方式为：100方向方向平行于平行于x轴，轴，010方向平行于方向平行于y轴，轴，00
45、1方向平行于方向平行于z轴，轴，且且3个晶个晶体方向分别同与之平行的体方向分别同与之平行的x, y, z 坐标轴保持同向。坐标轴保持同向。 人们把晶体坐标系中晶体方向在参考坐标系内的这种排布人们把晶体坐标系中晶体方向在参考坐标系内的这种排布方式称为方式称为起始取向起始取向或或初始取向初始取向。College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定104n 若把一多晶体或单晶体放在坐标系若把一多晶体或单晶体放在坐标系Oxyz内，则每个晶粒或晶体内，则每个晶粒或晶体坐标系的坐标系的方向通常不具有上述排列，方向通常不具有上述排列，因此他们不具有初始取因此他们不具有初始取向，而只有
46、一般的取向。向，而只有一般的取向。 如果把一具有初始取向的晶体坐标系做某种转动，使它与一单如果把一具有初始取向的晶体坐标系做某种转动，使它与一单晶体或多晶体内一晶粒的晶体坐标系重合，这样转动过的晶体坐晶体或多晶体内一晶粒的晶体坐标系重合，这样转动过的晶体坐标系就具有了与之重合的晶体坐标系的取向。标系就具有了与之重合的晶体坐标系的取向。 取向取向描述了物体从初始取向出发相对于参考坐标描述了物体从初始取向出发相对于参考坐标系的转动状态。系的转动状态。College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定105Sample Coordinate System (SCS)Cryst
47、al Coordinate System (CCS)CCS2CCS1SCS取向取向取向差取向差n 样品坐标系与晶体坐标系的关系样品坐标系与晶体坐标系的关系College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定106p取向的表征(1) 密勒指数（Miller indices）(2) 欧拉角（Euler angles ） (3) 旋转矩阵（Rotation matrix G）(4) 旋转轴角（Angle/axis of rotation）College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定107(1). 密勒指数密勒指数(hkl)uvw , (hkl)/轧
48、面, uvw/轧向 hkl Miller指数族College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定108Examples Miller IndicesTNR001 112 111 111 110College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定109 第三次：第三次： XOY面绕新的面绕新的Z轴转轴转 角角 第二次：第二次： YOZ面绕新的面绕新的X轴转轴转 角；角；(2). 欧拉角欧拉角p Euler角角 的的物理物理意义：意义：,12 经过以下三次旋转操作，可实经过以下三次旋转操作，可实现现样品坐标轴样品坐标轴与任意的与任意的晶体坐标晶体坐标轴
49、轴重合重合。 第一次：第一次：XOY面绕面绕Z轴转轴转 角；角；XYZ12College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定110立方金属轧板常见取向的欧拉角及其晶面晶向指数的换算College of MSE, CQU材料现代分析方法 X射线内应力的测定111p The rotation of the sample axes onto the crystal axes, i.e. CCS = g . SCS1, 1, 1 are angles between 100 and RD, TD, ND2, 2, 2 are angles between 010 and RD,
50、 TD, ND3, 3, 3 are angles between 001 and RD, TD, NDltwksvhrugggggggggg333222111333231232221131211coscoscoscoscoscoscoscoscos(3). 旋转矩阵旋转矩阵College of MSE, CQU行矢量：晶体坐标轴在样品坐标轴的投影行矢量：晶体坐标轴在样品坐标轴的投影列矢量：样品坐标轴在晶体坐标轴的投影列矢量：样品坐标轴在晶体坐标轴的投影材料现代分析方法 X射线内应力的测定112p若用矩阵表示经任意若用矩阵表示经任意 转动所获得的取向，则可推导出转动所获得的取向，则可推导出如下
