X射线多晶衍射技术的应用概述.ppt

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1、7/22/20222分析依据：各物相有独具的晶体结构、特定花样分析依据：各物相有独具的晶体结构、特定花样定性分析：被测物衍射花样与标准纯物相花样对照定性分析：被测物衍射花样与标准纯物相花样对照定量分析：不同相间衍射线累积强度互比定量分析：不同相间衍射线累积强度互比建立花样（数据）库和有效率的对比程序建立花样（数据）库和有效率的对比程序花样库：衍射线的面间距花样库：衍射线的面间距d d和累积强度和累积强度I/II/I1 1 ，附有化学、晶，附有化学、晶 体学及可供参考的信息，记录为体学及可供参考的信息，记录为8 813cm13cm的卡片。的卡片。旧名为旧名为ASTMASTM卡，现名卡，现名PDF

2、PDF(Powder Diffiraction File)(Powder Diffiraction File)5.1 5.1 物相分物相分析析7/22/202231. 1. 卡片号卡片号 5. 5. 晶体学数据晶体学数据 2.3. 2.3. 物相名物相名 6. 6. 光学数据光学数据 4. 4. 实验条件实验条件 7. 7. 试样参考资料试样参考资料8. 8. 质量标志质量标志 （ 最可信最可信 ；i i 次之；次之； 稍差；稍差；CC 计算值）计算值）9. 9. 衍射线的衍射线的 hkl hkl 及及 I/II/I1 1 值值8484年后年后8383年前年前8383年前年前卡片号卡片号卡片号

3、卡片号物相名物相名物相名物相名实验条件实验条件实验条件实验条件晶体学数据晶体学数据晶体学数据晶体学数据光学数据光学数据光学数据光学数据试样参考资料试样参考资料试样参考资料试样参考资料衍射线的衍射线的 hkl hkl 及及 I/II/I1 1 值值衍射线的衍射线的 hkl hkl 及及 I/II/I1 1 值值质量质量标志标志质量标志质量标志7/22/2022443 43 卡片批号，卡片批号，1455 1455 该批序号该批序号7/22/20225 为便于在数万张卡片中挑出某些有意义的卡片与被测花样对为便于在数万张卡片中挑出某些有意义的卡片与被测花样对照，卡片集备有索引。照，卡片集备有索引。索索

4、 引引以花样八强线的以花样八强线的d d值编制而成。值编制而成。前三线为特征线，前三线为特征线，229090中取。中取。后五线按强度排出，强度分十级用脚标。后五线按强度排出，强度分十级用脚标。有强度脚标的八个有强度脚标的八个d d值、物质名称、卡片号。值、物质名称、卡片号。按八数组第一值递减分成若干小组，按八数组第一值递减分成若干小组，d d值范围值范围印在页眉。如印在页眉。如 3.49-3.453.49-3.45，3.44-3.403.44-3.40数数字字索索引引字字母母索索引引按物质英文名的字母顺序编排。按物质英文名的字母顺序编排。名称、化学式、三强线的名称、化学式、三强线的d d值及强

5、度、卡片号。值及强度、卡片号。7/22/20226定性物相分析的步骤：定性物相分析的步骤：1. 1. 测衍射花样，求测衍射花样，求d d值，强度分五级值，强度分五级( (最强、强、中、弱、最弱最强、强、中、弱、最弱) )；2. 2. 按按d d值递减为序，列出全部被测物花样的值递减为序，列出全部被测物花样的d d值；值；3. 3. 将数据改排，将数据改排， 在在229090内内三强三强线先排，其余按强度递减跟上；线先排，其余按强度递减跟上；4. 4. 查数字索引，按查数字索引，按d d1 1找可能卡片的小组，按找可能卡片的小组，按d d2 2找可能的卡片号；找可能的卡片号；5. 5. 将可能相

6、的卡片与被测花样数据仔细对照，最吻合者即为被测物。将可能相的卡片与被测花样数据仔细对照，最吻合者即为被测物。 分析时要考虑实验误差，允许分析时要考虑实验误差，允许d d值值0.01d0.01d 实验条件的差别，线条强度仅供参考，卡片上弱线条被测花样实验条件的差别，线条强度仅供参考，卡片上弱线条被测花样 可不出现，但花样上的线条卡片上必须有。可不出现，但花样上的线条卡片上必须有。 被测物所用辐射比卡片短时，可出现卡片没有的小被测物所用辐射比卡片短时，可出现卡片没有的小d d值线条。值线条。7/22/202275.2 织构测定织构测定 多晶材料经不同处理后，晶粒取向可能不再呈统计分布，而是呈多晶材

7、料经不同处理后，晶粒取向可能不再呈统计分布，而是呈现出某种程度的规律性。晶粒取向的这种规律性分布称为择优取向，现出某种程度的规律性。晶粒取向的这种规律性分布称为择优取向，具有择优取向的组织即是具有择优取向的组织即是织构织构。丝织构：丝织构： 晶粒以某一方向晶粒以某一方向uvwuvw倾向于与材料某一特征外观方向平倾向于与材料某一特征外观方向平行。以行。以uvwuvw表示。表示。板织构：板织构： 晶粒以某一方向晶粒以某一方向uvwuvw倾向于与材料某一特征外观方向平倾向于与材料某一特征外观方向平行，同时还以某一晶面行，同时还以某一晶面hklhkl倾向于平行材料的某一特征外观倾向于平行材料的某一特征

8、外观平面。以平面。以hklhkluvwuvw表示。表示。7/22/20228 出现织构的材料宏观表现为出现织构的材料宏观表现为各向异性各向异性，而充分利用各向异性，是，而充分利用各向异性，是发挥材料性能潜力的有效途径之一。发挥材料性能潜力的有效途径之一。 通过通过逐个晶粒逐个晶粒取向测定而后综合。取向测定而后综合。TEMTEM、SEMSEM和和X X射线射线单单晶定向，用晶定向，用SEMSEM的电子背散射衍射测定晶粒取向是全新的技术。的电子背散射衍射测定晶粒取向是全新的技术。 通过通过多晶多晶衍射测出材料某一晶面的取向在空间的分布，再衍射测出材料某一晶面的取向在空间的分布，再经数据处理而得。电

9、子衍射、中子衍射和经数据处理而得。电子衍射、中子衍射和X X射线衍射测定。射线衍射测定。 X X射线射线多晶衍射测定织构应用最广。多晶衍射测定织构应用最广。织构的测定织构的测定7/22/20229织构的表示方法织构的表示方法取向分布函数（图）取向分布函数（图）晶粒取向是指晶粒相对其所在材料的取向。晶粒取向是指晶粒相对其所在材料的取向。 以材料外观特征方向以材料外观特征方向 ( (如轧向、横向和轧面法线如轧向、横向和轧面法线) )为轴建立参为轴建立参照坐标架照坐标架OABCOABC。 以晶轴以晶轴OXYZOXYZ为参照坐标架固定在晶粒上代表晶粒取向。为参照坐标架固定在晶粒上代表晶粒取向。 为表示

10、晶粒取向，即为表示晶粒取向，即OXYZOXYZ相对于相对于OABCOABC的取向，用三个参数的取向，用三个参数(、 、)表示。表示。 晶粒的每一取向，均用一组参数晶粒的每一取向，均用一组参数(、 、)表示。表示。 以以为坐标轴，建立直角坐标系为坐标轴，建立直角坐标系OO，则晶粒的每一取，则晶粒的每一取向均可在此图中用一点表示，将材料所有晶粒的取向均标于图中，向均可在此图中用一点表示，将材料所有晶粒的取向均标于图中，即为该材料的取向分布图。即为该材料的取向分布图。（ODFODF图）图） 如如 在在(0(0,0,0,0,0) )点；点； 在在(0(0,0,0,45,45) )点等。点等。 0110

11、01 1000017/22/202210冷轧含磷钢板冷轧含磷钢板ODFODF图，恒图，恒 截面截面为便于分析，为便于分析，ODFODF图一般做图一般做成恒成恒 或恒或恒 截面图。截面图。7/22/202211极图极图 表示的是试样中各晶粒任一选定的表示的是试样中各晶粒任一选定的HKLHKL面的法向在试面的法向在试样空间的样空间的( (以材料外观特征方向以材料外观特征方向OABCOABC为参照坐标系为参照坐标系) )分布。分布。 按试样特征外观建立坐标架按试样特征外观建立坐标架OABCOABC，晶面法向用极角晶面法向用极角 和辐角和辐角 表示。表示。 sinV/VK,qqhkl 用极密度定量表示

12、用极密度定量表示HKLHKL法向分布法向分布 无织构时在所有方向无织构时在所有方向的极密度均为的极密度均为1 1。7/22/202212 以以OABCOABC的的OO点为球心作球面，以等值线标出所有方向的点为球心作球面，以等值线标出所有方向的hklhkl极密度值，所成球面图表示了试样中极密度值，所成球面图表示了试样中hklhkl法向（极密度）的分布。法向（极密度）的分布。 为方便构绘和交流，用极射赤面投影将球面投影到为方便构绘和交流，用极射赤面投影将球面投影到OABOAB平面，此平面，此平面即为试样的平面即为试样的hklhkl极图极图 211111立方系立方系取向的取向的100100极图极图

13、211111 2111111111112110010011001000100101000100017/22/202213111111112112100100110110112112110110冷轧纯铁100极图7/22/202214反极图反极图 以晶轴以晶轴OXYZOXYZ为参照坐标系，以各晶粒的某一特征外为参照坐标系，以各晶粒的某一特征外观方向在晶体学空间的分布，来表示织构。观方向在晶体学空间的分布，来表示织构。Al-LiAl-Li合金棒轴反极图合金棒轴反极图 由于晶由于晶体的对称性，体的对称性，反极图一般只反极图一般只绘出晶体学空绘出晶体学空间的无对称子间的无对称子空间部分。空间部分。7/

14、22/202215极图的测绘极图的测绘试样厚约试样厚约0.030.030.1mm0.1mm，探测器固定在探测器固定在22hklhkl处，处， 转动自转动自N N到接近探测器，到接近探测器， 转动转动360360。只能探测只能探测9090至接近至接近 hklhkl的的极图外围部分。极图外围部分。透射法透射法7/22/202216探测器固定在探测器固定在22hklhkl ， 转动转动 0 07575， 转动转动 360360 。反射法反射法7/22/2022175.3 5.3 宏观残余应力的测定宏观残余应力的测定 残余应力是一种内应力，是指产生应力的各种因素不复存在时，由残余应力是一种内应力，是指

15、产生应力的各种因素不复存在时，由于形变、体积变化不均匀而存留在工件内部并自身保持平衡的应力。于形变、体积变化不均匀而存留在工件内部并自身保持平衡的应力。按平衡的范围分为三类：按平衡的范围分为三类： 第一类内应力第一类内应力 在物体宏观体积内存在并平衡的应力，此应力的释放，会引起物体在物体宏观体积内存在并平衡的应力，此应力的释放，会引起物体的宏观体积或形状发生变化。又称的宏观体积或形状发生变化。又称宏观应力宏观应力或或残余应力残余应力。宏观应力使衍。宏观应力使衍射线位移。射线位移。 第二类内应力第二类内应力 在数个晶粒范围内存在并平衡的应力，衍射效应主要是引起线形的在数个晶粒范围内存在并平衡的应

16、力，衍射效应主要是引起线形的变化。如双相合金经变形后，各相处于不同的应力状态时，此应力同时变化。如双相合金经变形后，各相处于不同的应力状态时，此应力同时引起衍射线位移。引起衍射线位移。（微观应力）（微观应力） 第三类内应力第三类内应力 在若干原子范围内存在并平衡的应力，如各种晶体缺陷周围的应力在若干原子范围内存在并平衡的应力，如各种晶体缺陷周围的应力场。此类应力使衍射强度降低。场。此类应力使衍射强度降低。（微观应力）（微观应力）内应力的分类内应力的分类7/22/202218内应力的产生内应力的产生 如将金属片如将金属片A A焊于拉伸状态的焊于拉伸状态的B B板上，去除外力后板上，去除外力后B

17、B仍处于拉力仍处于拉力状态，状态，A A则为压力状态。则为压力状态。 如拉伸载荷作用在多晶材料上，如拉伸载荷作用在多晶材料上，晶粒晶粒A A处于易滑移方位，当载荷应力处于易滑移方位，当载荷应力超过临界切应力时将发生塑性变形，超过临界切应力时将发生塑性变形，而而B B晶粒处于不利取向，仅发生弹性晶粒处于不利取向，仅发生弹性变形。变形。 这种在晶粒间相互平衡的应力这种在晶粒间相互平衡的应力在在X X射线检测的体积内总是拉压成射线检测的体积内总是拉压成对出现，且大小因晶粒间方位差不对出现，且大小因晶粒间方位差不同而异，故引起衍射同而异，故引起衍射线宽化线宽化。 载荷去除后，晶粒载荷去除后，晶粒B B

18、的变形恢复，但晶粒的变形恢复，但晶粒A A只发生部分恢复，只发生部分恢复，它阻碍了它阻碍了B B的弹性收缩，使的弹性收缩，使B B晶粒处于被拉伸状态，而晶粒处于被拉伸状态，而A A晶粒处于晶粒处于被压缩状态。被压缩状态。7/22/202219 宏观残余应力的存在能使构件引起变形、尺寸稳定性下降，宏观残余应力的存在能使构件引起变形、尺寸稳定性下降，张张应力应力还会造成应力腐蚀。还会造成应力腐蚀。 但如构件表面有适当的但如构件表面有适当的压应力压应力可提高其疲劳寿命。可提高其疲劳寿命。宏观残余应力是一种宏观残余应力是一种弹性弹性应力，测定方法有应力，测定方法有 应力松驰法：应力松驰法： 用钻孔、开

19、槽或剥层等方法使应力松驰，用电阻应变片测量变用钻孔、开槽或剥层等方法使应力松驰，用电阻应变片测量变形，再计算残余应力。是破坏性检测。形，再计算残余应力。是破坏性检测。 无损法：无损法： 利用超声、磁性、中子衍射、利用超声、磁性、中子衍射、X X射线衍射等对应力的敏感性测射线衍射等对应力的敏感性测量应力。是不破坏构件的无损检测法。量应力。是不破坏构件的无损检测法。 X X射线衍射射线衍射是无损检测，并具有快捷、准确可靠、能测量小是无损检测，并具有快捷、准确可靠、能测量小区域内的应力，又可区分和测出三种不同类别的应力。区域内的应力，又可区分和测出三种不同类别的应力。7/22/202220X X射线

20、宏观应力测定的基本原理射线宏观应力测定的基本原理 X X射线衍射法是通过测量射线衍射法是通过测量弹性应变弹性应变来求得应力值。来求得应力值。 多晶体无应力时，不同方位的同族晶面面间距是相等的，而当受多晶体无应力时，不同方位的同族晶面面间距是相等的，而当受到一定的宏观应力到一定的宏观应力 时，不同晶粒的同族晶面面间距将随晶面方位不时，不同晶粒的同族晶面面间距将随晶面方位不同和应力大小发生有规律的变化。同和应力大小发生有规律的变化。 有应力时，某方位面间距有应力时，某方位面间距d d相对于无应力时的变化相对于无应力时的变化为为(d(d-d-d0 0)/d)/d0 0= =d/dd/d0 0 ，反映

21、了由应力所造成的面法线，反映了由应力所造成的面法线方向上的弹性应变，即方向上的弹性应变，即 d/dd/d0 0 。 可见，晶面间距随方位的可见，晶面间距随方位的变化率与作用应力之间存在一变化率与作用应力之间存在一定的函数关系。定的函数关系。 通过建立待测残余应力通过建立待测残余应力 与空间某方位上的应变与空间某方位上的应变 之间之间的关系，即可测量出残余应力。的关系，即可测量出残余应力。7/22/2022213 32 23 32 22 22 21 12 21 1 cossin1 1 sinsin2 2 cos3 33 32 23 32 22 22 21 12 21 1 3 32 21 11 1

22、1 1 E 1 13 32 22 21 1 E 2 21 13 33 31 1 E应力与晶面间距的关系应力与晶面间距的关系在图示的主应力坐标系中，某一方向（在图示的主应力坐标系中，某一方向（，）的正应力）的正应力为：为： 1 1、 2 2、 3 3为相对与主方向的方向余弦，即为相对与主方向的方向余弦，即某一方向（某一方向（，）的正应变）的正应变为：为：主应力与主应变的关系为：主应力与主应变的关系为：E E ：弹性模量弹性模量 ：泊松系数：泊松系数材料中任一点的材料中任一点的通过主应力与通过主应力与联系起来。联系起来。（1 1）（2 2）（3 3）7/22/202222在平面应力条件下，在平面应

23、力条件下， 3 30 0。令令 为表面上与为表面上与 1 1成成 角方向的正应力，则角方向的正应力，则 2221sincos 212EsinE 1（4）将将(3)(3)式代入式代入(2)(2)式并考虑式并考虑(4)(4)式和式和 3 30 0，则，则（5）无应力时的d0有应力时的d 0000-cotdddd-d 设无应力下设无应力下(hkl)(hkl)面间距为面间距为d d0 0；有应力时法向为；有应力时法向为,的的(hkl)(hkl)面间距为面间距为d d ，则，则 0 0为无应力时的布喇格角；为无应力时的布喇格角； 有应力时法向为有应力时法向为(,)(,)的的布喇格角。布喇格角。将代回将代

24、回(5)(5)式，改变式，改变 角后整理得角后整理得 12220sin-sin2-2cot12E12 22sincot12E0（6）或或用用(6)(6)式即可求任一式即可求任一 方向的方向的 。7/22/202223o oX1X3X2+/4+/22主应力的确定主应力的确定1 材料表面任一点的主应力如已知，按材料表面任一点的主应力如已知，按(4)(4)式式该点所有方向的应力均可求出。该点所有方向的应力均可求出。 为确定为确定 1 1和和 2 2，过该点测出与，过该点测出与 1 1间的夹角各为间的夹角各为 、+4 4、+2 2 三个方向的应力。三个方向的应力。 按（按（4 4）式，则有）式，则有

25、2221sincos /4sin/4cos212/ 214 2/cossin2212 (7)/2/4/22tan2 材料表面主应力的确定由式由式(7)(7)可得出可得出(8) 从实测的三应力值按从实测的三应力值按(8)(8)式求出式求出 后，代回后，代回(7)(7)式即可求出式即可求出 1 1和和 2 2值。值。 222sincos 17/22/202224宏观应力测定简述宏观应力测定简述小制件或试样中的宏观应力小制件或试样中的宏观应力普用衍射仪普用衍射仪大型设备或制件中的宏观应力大型设备或制件中的宏观应力X X射线应力测定仪射线应力测定仪 应力测定仪为专用衍射仪，因被测部位不动，为改变应力测

26、定仪为专用衍射仪，因被测部位不动，为改变角，角，X射线管和探测器应能沿衍射仪圆移动。射线管和探测器应能沿衍射仪圆移动。基本方法基本方法 两点法两点法： 在在 0 0和和4545各扫测一次，将测得的各扫测一次，将测得的22代入代入(6)(6)式，即可解式，即可解得得 。7/22/202225sin22 sinsin2 2 法：法： 在不同的在不同的 下扫测，如在下扫测，如在 0 0、1515、3030、4545扫测出各自的扫测出各自的22，然后以，然后以22为纵坐标，为纵坐标， sinsin2 2 为横坐为横坐标作直线，按标作直线，按(6)(6)式，从直线斜式，从直线斜率即求得率即求得 。 为测

27、量方便，常以入射为测量方便，常以入射线与制件被测点法线线与制件被测点法线OXOX3 3间间的夹角的夹角 0 00 0、4545或或0 0、1515、3030、4545来来替代替代 ， 0 0+ +（9090-） 为入射线与晶面法线为入射线与晶面法线间的夹角。间的夹角。7/22/202226测量方式测量方式半聚焦法：半聚焦法： 在谱用测角仪上进行。在谱用测角仪上进行。 当当00时反射线聚时反射线聚焦于衍射仪圆内的焦于衍射仪圆内的A A点，点，为使为使22值测量准确，探值测量准确，探测器的接收狭缝应前移至测器的接收狭缝应前移至聚焦处聚焦处A A，且应对所测强，且应对所测强度值逐点进行角因数和吸度值

28、逐点进行角因数和吸收因数校正。收因数校正。入射线衍射线7/22/202227平行射线束法：平行射线束法： 主要用于带横索拉狭主要用于带横索拉狭缝的应力测定仪上。缝的应力测定仪上。 X X射线经横索拉狭缝射线经横索拉狭缝后，被截成近于平行的射后，被截成近于平行的射线束，故被测点内不同点线束，故被测点内不同点的反射线无聚焦问题，均的反射线无聚焦问题，均在衍射仪圆上，探测器只在衍射仪圆上，探测器只沿衍射仪圆转动即可，不沿衍射仪圆转动即可，不必前移。必前移。7/22/202228侧倾法：侧倾法： 特点是衍射仪圆不再与特点是衍射仪圆不再与被测表面垂直而是向被测方被测表面垂直而是向被测方向向 倾转倾转 0

29、 0角。此法的反射角。此法的反射线聚焦于衍射仪圆上，衍射线聚焦于衍射仪圆上，衍射峰形较锐。峰形较锐。 0 0角不受反射面角不受反射面布拉格角布拉格角 hklhkl的制约，选取较的制约，选取较自由，利于测量。自由，利于测量。 适用于衍射仪圆能倾转适用于衍射仪圆能倾转的应力测量仪和带织构测角的应力测量仪和带织构测角台的谱用衍射仪。台的谱用衍射仪。7/22/202229例题：例题： 用用CoKCoK 辐射在应力测量仪上测辐射在应力测量仪上测 黄铜制件的残余应力，已黄铜制件的残余应力，已知该黄铜的知该黄铜的E E9.09.010109 9PaPa， 0.350.35。 在在 0 00 0和和4545时

30、测得时测得22400400各为各为151.00151.00和和150.67150.67，求其求其 。解：解： 以以 0 00 0时的时的 400400作为作为 0 0，则，则 0 075.5075.50、 454575.3375.33。 由于由于 0 0+90+90- - ，因而，因而 (0)(0)14.5014.50， sinsin2 2(0)(0)0.06270.0627， (45)(45)59.6759.67，sinsin2 2(45)(45)0.74500.7450。代入（代入（6 6）式，得）式，得 Pa.691028718006270745000015167150258603501

31、21009 则残余应力为拉应力，数值为则残余应力为拉应力，数值为7.28MPa7.28MPa。 12220sin-sin2-2cot12E12 22sincot12E0或或7/22/202230影响宏观应力测量的几个问题影响宏观应力测量的几个问题1 1、衍射峰位的确定：、衍射峰位的确定： 宏观应力是根据不同取向晶面的衍射峰位的相对变化测定的，宏观应力是根据不同取向晶面的衍射峰位的相对变化测定的，因而峰位的准确测定决定了测量精度。常用半高峰法和抛物线拟合因而峰位的准确测定决定了测量精度。常用半高峰法和抛物线拟合法。法。2 2、试样表面状态：、试样表面状态： 待测表面应无油污、氧化皮和粗糙的加工痕迹，不存在附加表待测表面应无油污、氧化皮和粗糙的加工痕迹，不存在附加表面应力。面应力。3 3、衍射面的确定：、衍射面的确定： 为测量准确，必须选择尽可能高的衍射角。相同应力条件下，为测量准确，必须选择尽可能高的衍射角。相同应力条件下，衍射角越大，不同衍射角越大，不同 方位的衍射角差值就越大，引起的应力测定误方位的衍射角差值就越大，引起的应力测定误差则越小。常规的测角器差则越小。常规的测角器22角范围是角范围是142142163163或或110110170170结束结束