一元素在不同相中的含量不同等)。光谐分析给出的结果也是样品的平均成分。而实除 上元素在钢中的分布不是绝对均的，即在微观上是不均勾的。恰恰是文种微区成分的 不均匀性造成了徽视组织结构的不均匀性，以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均 匀性对材料的宏观性能有重要的影响作用。例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区 形成硬脆的片状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏体。片状马氏体 在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐扩展而造成断裂。 四，X射线衍射与电子显微镜 L.X射线径射(XRD,X-Ray Diffraction) XD是利月X射线在品体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺 陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法。这种方法是建立在一定晶体结构模型 基础上的间接方法。即根据与品体样品产生衍射后的X射线信号的特征去分桥计算出 样品的品体结构与晶格参数，并可以达到很高的精度。然而由于它不是像显微镜那样直 观可见的观察，因此也无法把形貌观滨与品体结构分析微观同位地结合起来。由于X射 线聚焦的困难，所能分析样品的最小区域（光斑）在毫米数量级，因此对微米及纳米级的微 观区域进行单独选择性分析也是无能为力的。 2,子昆微镜(EM.Electron microscope) E是用高能电子束作光，用磁场作透镜制造的具有高分辨率和高放大倍数的电 子光学显微镜。 】时由子显(TEM Transmission Ele ope)。TEM是采用透过薄膜样品 的电子束成像来显示样品内部组织形态与结构的。因此它可以在观察栏品微观组织形态 的同肘，对所规察的区域进行晶体结构鉴定（同位分析）。其分拼率可达10-tm,放大倍 数可达10倍。 2)扫描电子显微镜(SEM,Scanning Electron Mircoscope)。SEM是利用电子束在样品表 面扫描激发出来代表样品表面特征的信号成像的，最常用来观察样品：表面形貌（断口 等)。分辨率可达到1m,放大倍数可达2×10倍。还可以观察样品表面的成分分布情 况。 3)电子探针显微分析(FPMA,letron Prohe Micmo-Analysis)。FPMA是利用聚焦得很细 的电子束打在样品的微观区域，激发出样品该区域的特征X射线，分析其X射线的波长 和强度来确定样品微观区域的化学成分。将扫描电镜与电子探针结合来，则可以在观察 微观形貌的同时对该微观区域进行化学成分同位分析。 4)扫描透射电子显微镜(STEM,Scanning Electrin Micoscope)。STEM同时 具有SM和TEM的双重功能，如配上电子探针附件（分析电镜）则可实现对微观区域的组 织形貌窥察，晶体结构鉴定及化学成分测试三位一体的同位分析。 五、本课程内容及要求 1内容：本课程主要讲授X射线衍射分析的基本原理、实验方法及应用，透射电镜 扫描电镜、电子探针显微分析的菇木原理与方法及应用。 2要求：掌挥基本原理、了解常用的实验方法，在实际工作中能正确地洗用本黑程中 介绍的实验方法，并能与专门从事X射线与电子显微分析工作的人员共同制定试验方案 与分析试验结果。 ·2
第一章 X射线的性质 §1-1引 言 X射线是1895年11月8日由德国物理学家伦琴(W.C.R0lgem)在研究真空管高压放 电现象时偶然发现的。当时，他发现凳子上的镀有氧亚销酸钡的硬纸板发出荧光。这 现象引起了细心的伦琴的注意，求实、求是的心理促使他对此进行了认真的思考。他分 析，这可能是存在一种不同于可见光的射线，而且可能是由真空管加人高电压时引起的 他试者用纸挡，用木块挡都挡不住，甚至可以透过人的骨骼！这一发现令他兴奋不已 一连数日工作在实验室里流连忘返。由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取 名为X射线，后人也叫伦琴射线。他的发现在社会上立即引起了一场风波，但他坚信自 已的发现，并潜心研究这种射线的性质。从1895到1897年间，他搞清楚了X射线的产 生，传播、穿透力等大部分待性。伦琴的这·伟大发现使得他于1901年成为世界上第 位诺贝尔奖获得者 人类在利用某种自然现象的时候，未必是先了解这个现象的本质。X射线发现仅半 年就被医务界用来进行骨折诊晰和定位了，随后又用于检查铸件中的缺陷等。这些实践 的发展使得人们在对X射线性质还不十分了解的时候便创造了X射线透视技术(adig apy)。到1912件时，X射线的诸多性质已祭被探明，这一年德国物理学家劳埃(M.o Lme)以其创造性的试验发现了X射线在晶体上的衍射(x-yictiom),从而证明了X 射线是光的种，有其波动性；同时义证实了品体结构的周期性。于是研究物质微观结构 的新方法不断涌现，X射线的发现和应用使人们对品体的认识从光学显微镜的微米数量 级深入到纳米数量级，从而对金属的特性才有了更加接近本质的认识。本章将对X射线 的性质和X射线与物质相互作用时的基本特性作原理性的介绍。 §1-2X射线的本质 X射线的本质与可见光、红外线、紫外线以及字宙射线完全相同，均属电磁被或电磁 辐射，同时具有波动性和粒子性特征，波长较可见光短，约与晶体的品格常数为同一数量 级，在10-cm左右。X射线波长的单位用纳米(m)米表示，也常用埃(A)来表示。按现 行国家标准，m为法定单位。1nm=10-9m=10i。还有一种用晶体学单位的相对表示方 法，叫做X单位或kX单位，kX=1000X=方解石(CaC0)的(211)晶面间距/3.02945，随 测试精度的进步，这一数值也在变化，现在认为1kX=1.002056±0.000005A。 常见的各种电磁波的波长和频率如图1】所示。用于晶体结构分析的X线波长 般为0.25-0.05，由于波长较短，习惯上称之为“硬X线”，金属部件的无损探伤希望用 更短的波长，一般为0.1-0,005nm。用于医学透视上的X射线的波长很长，故称之为“软 X线”。 3
射线种类 波长 Y射线 0-1x单位，XU 10- (硬) 一 「 外线 线 一见光 10- 10- 10 1o-3 超高颊) t0- -1cm 10 10-s 103 -TV.M爱十1o-笼 010-1m 0 10 10 :MIz-100 你雅电波0. 1012 103-1km 10 下（低） 10 10 长，被 0 1kHz-1 (超低频) 10- 10 图】地磁谱（各种射线的上、下限并非分严格，图示仪为大致的范出） X线的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传扬：它的粒子性则主要表现 为它是由大墨的不连续粒子流构成的，这些粒子流称为光子。X射线以光子的形式辎射 和吸妆时具有质量、能量和动量。描述X射线的被动性的参最频常、波长λ与描述粒子 性的参量能量e、动量p之间存在下述关系 t=lw =he (1-1) (1-2) 式中—普朗克常数，等于6.625×10小s; -X射线的速度，等于2.998×10m/s X射线的波长较可见光短得多，所以能量和动量很大，具有很强的穿透能力。 电磁波是一种横波，当“单色”X射线即波长一定的X射线沿x方向传播时，同时具 有电场矢量E和磁场矢量H,这两个矢量总以相同的周相，在两个相互垂直的平面内（即 y、名方向)作周期振动，苴与x方向相垂直，传播速度等于光速。在X射线分析中我们记 录的是电场强度矢量E引起的物理效应，因此以后我们只讨论E矢量的变化，而不再提 及磁场强度矢量H。电场矢量E随X射线传播时间或传播距离的变化呈周期性波动，波 振幅为A,如图1-2所示。X射线的强度用波动性的观点描述可以认为是单位时间内通过 垂直于传播方向的单位截面上的能量的大小，强度与波振解A的平方成正比，1：A2,如 图1-2所示。X射线的强度用粒子性指述为单位时间内通过单位截面的光量子数目。X 射线的绝对强度的单位是J/(m2·s)。不过，由于X射线的绝对强度难以测定，通常使用 4·
相对值，如感光底片的相对黑度、探测器（计数管）的计数等。 +Ei (a) (b) 图1-2E的变化 ()x一定时E随：的变化：(b)t一定时E随x的变化 被粒二象性是X射线的客观属性，但是在一定条件下可能只有某一方面的属性表现 得较明显，条件变化后可能又使另一特性变得明显。X射线的波动性反映在物质运动的 连续性和在传播过程中发生的干涉、衍射等过程中；而它的粒子性特征则突出地表现在与 物质相互作用和交换能量的时侯。当X射线与物质原子或电子相互作用时，光子贝能整 个地被原子或电子吸收或散射。从原姻上讲，对同-·辐射所具有的波动性与粒子性的描 述，既可以用时间和空间展开的数学形式来描述，也可以用统计学的方法确定在某时间和 桌位置粒子出现的概率。因此我们必须同时接受波动和粒子两种模型。 §1-3X射线的产生及X射线管 可见光（热光源）的产生是由大量分子，原子在热激发下向外辐射电磁波的结果。而 X射线则是由高速运动者的带电粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且.与该物质中的内 层电子相作用而产生的。这就是说，X射线产生要有几个基本条件：(1)产生自由电子： (2)使电子作定向高速运动：(3)在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。根据 这个原理，很容易理解X射线发生器的构造原理，图-3是一种封闭式X射线管(x-y tube)的示意图。其主要构造有以下几个部分： 真空 停灯丝 接变压器 金横紧集罩 图13X射线警岛而示黄图 ()阴极阴极的功能是发射电子。它由钨丝制成，在通以一定的电流加热后便能释 放出热辐射电子。 (2)阳极阳极又称之为靶(arg)。是使电子突然减速并发射X射线的地方。常用靶 材主要有Cr,Fe、Co、Ni、Cu、Mo,AgW等，在软X射线装置中常用A1靶。 5
(3)窗口窗口是X射线射出的通道。通常窗口有两个或四个，窗口材料要求既要有 足够的强度以维持管内的高真空，又要对X射线的吸收较小，玻璃对X射线的吸收较大， 所以不用，较好的材料是金属铍，有时也用硼酸铰娌构成的林德曼坡璃。 阴极发射的电子在数万伏的高压下向阳极加速，为使电子束集中，在阴极灯丝外加上 聚焦罩，并使灯丝与聚焦罩之始终保持100~40V的电位差。高速电子与阳极靶作用 产生X射线，X射线是向西周发散的，大部分被管壳吸收，只有通过窗口的才能发射出去 得以利用。电子束袭击阳极靶时只有1%的能量转化为X射线能量，其余的99%都转变 为热能，所以从技术上必须将靶固定在高导热性的金属（黄铜或紫钥）之上，并通冷却水以 防止宠的熔化 为满足X射线管使用性能的要求，还要设计一定形状的 灯 焦点(focal sp@)。焦点是阳枚靶表面被电子束轰击的一块面 射线窗口 积，X射线就是从这块面积上发出的。焦点的尺寸和形状是X 千税面 射线管的重要特性之一。焦点的形取决于灯丝的形状，用望 线形灯丝则产牛长方形焦点。在X射线衍射工作中，总希望有 较小的焦点和较强的X射线强度，前者可以提高分辨本领，后 者可以缩短曝光时间。为法到上述要求，最好的小法是在与塑 面成一定角度的位置接受X射线，如图14所示。在这种情况 下，焦点本来的形状是1m×10mm的长方形，但在接受方向图14把的焦点形状及接 上表观焦点(X射线束的截面积)却缩小了，在功率不变的情况 收方向 下，X射线强度也相应提高了：考虑到靶面的凹凸不平对X射线的障碍，通常在与靶面成 3°-6角的方向上接受X射线。 另外，对于长方形焦点的X射线管，窗口通常开在与焦点长边和短边相对应的位置， 对着短边的窗口发射出的X射线的表观焦点形状为正方形，其强度较高。对着长边的表 观焦点形状为线状，它的强度很弱，但是，这样的射线束对于某些衍射工作是十分有利的。 根据X射线衍射的需要和衍射技术的发展，还出现了旋转阳极X射线管、细聚焦X 射线管等，在此不作赘述。 §1-4X射线谱 一、连续X射线谱 如果我们对X射线管施加不同的电压，再用适当的方法去测量由X射线管发出的X 射线的波长和强度，便会得到X射线强度与波长的关系曲线，称之为X射线谱。图15为 Mo阳极X射线管在不同管压下的X射线谐，可以看出，在管压很低，小于20kV时的曲线 是连缕变化的，故而称这种X射线谐为连续谱。随管压增高，X射线强度增高，连续谱峰 值所对应的波被长向短波端移动。在各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值A,称 为短波限。通常峰值位置大约在1.5入处。我们把这种具有连续谱的X射线叫做多色X 射线、连续X射线或白色X射线。 连续X射线的产生可同时有两种解释。按照经典电动力学概念，一个高速运动着的 电子到达靶面上时，因突然减速产生很大的负加速度，这种负加速度一定会引起周固电磁 6