点阵常数的测定精选文档.ppt

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1、点阵常数的测定本讲稿第一页，共三十五页n任何一种晶体材料的点阵常数都与它所处的状态有关。任何一种晶体材料的点阵常数都与它所处的状态有关。n当外界条件（如温度、压力）以及化学成分、内应力等发当外界条件（如温度、压力）以及化学成分、内应力等发生变化，点阵常数都会随之改变。生变化，点阵常数都会随之改变。n这种点阵常数变化是很小的，通常在这种点阵常数变化是很小的，通常在10-5nm量级。量级。n精确测定这些变化对研究材料的相变、固溶体含量精确测定这些变化对研究材料的相变、固溶体含量及分解、晶体热膨胀系数、内应力、晶体缺陷等诸及分解、晶体热膨胀系数、内应力、晶体缺陷等诸多问题非常有作用。所以精确测定点阵

2、常数的工作多问题非常有作用。所以精确测定点阵常数的工作有时是十分必要的。有时是十分必要的。本讲稿第二页，共三十五页精确测定点阵参数的物理应用：精确测定点阵参数的物理应用：（1）测定热膨胀系数）测定热膨胀系数（2）计算材料的真实密度）计算材料的真实密度（3）计算简单晶体结构中的原子间距）计算简单晶体结构中的原子间距（4）确定固溶体是间隙式还是替位式）确定固溶体是间隙式还是替位式（5）完善更合理的键能概念）完善更合理的键能概念（6）完善相平衡图）完善相平衡图（7）测定材料中的应力）测定材料中的应力（8）过饱和固溶体分解过程）过饱和固溶体分解过程（9）固相溶解度曲线的测定）固相溶解度曲线的测定本讲稿

3、第三页，共三十五页晶体热膨胀系数的测量晶体热膨胀系数的测量本讲稿第四页，共三十五页7.1 基本原理基本原理7.2 点阵常数测定中的误差来源点阵常数测定中的误差来源7.3 测定方法测定方法7.4 点阵参数精确测定的几个应用点阵参数精确测定的几个应用本讲稿第五页，共三十五页7.1 基本原理基本原理本讲稿第六页，共三十五页 -sin 关系曲线关系曲线nX X射线测定点阵常数是一种间接方射线测定点阵常数是一种间接方法，它直接测量的是某一衍射线条法，它直接测量的是某一衍射线条对应的对应的角，然后通过晶面间距角，然后通过晶面间距公式、布拉格公式计算出点阵常公式、布拉格公式计算出点阵常数。数。n在式中，在式

4、中，是入射特征是入射特征X X射线的射线的波长，是经过精确测定的，有波长，是经过精确测定的，有效数字可达效数字可达7 7位数，对于一般分位数，对于一般分析测定工作精度已经足够了。干析测定工作精度已经足够了。干涉指数是整数无所谓误差。所以涉指数是整数无所谓误差。所以影响点阵常数精度的关键因素是影响点阵常数精度的关键因素是sinsin。本讲稿第七页，共三十五页点阵参数测量精度与点阵参数测量精度与和和的关系的关系本讲稿第八页，共三十五页 当当一定时，采用高一定时，采用高 角的衍射线，角的衍射线，面间距（或者立方系物质的点阵参面间距（或者立方系物质的点阵参数）误差将减小。数）误差将减小。因此，选择角度

5、尽可能高的线条进因此，选择角度尽可能高的线条进行测量。行测量。本讲稿第九页，共三十五页7.2 误差来源误差来源相机半径、相机半径、底片伸缩底片伸缩、试样偏心、试样偏心、试样吸收试样吸收7.2.1 德拜照相法：德拜照相法：总体可写为：总体可写为：=，=90-本讲稿第十页，共三十五页对于立方晶系对于立方晶系:当当 角接近角接近90，接近接近0，sin ;cos 1,简化可得：简化可得：本讲稿第十一页，共三十五页（1）平板试样的误差）平板试样的误差（2）试样表面离轴误差）试样表面离轴误差（3）试样透明度误差）试样透明度误差（4）轴向发散误差）轴向发散误差7.2.1 衍射仪法：衍射仪法：本讲稿第十二页

6、，共三十五页综合上述四种系统误差，可得：综合上述四种系统误差，可得：-水平发散度；水平发散度；s 试样表面离轴距离；试样表面离轴距离；R 测角仪半径；测角仪半径；m m 试样的线吸收系数；试样的线吸收系数；d1d1和和d2 d2 入射线和衍射线光路的有效发入射线和衍射线光路的有效发散角。散角。其中，其中，本讲稿第十三页，共三十五页一、不能利用外推函数消除的误差一、不能利用外推函数消除的误差（1）测角仪机械零点的调整误差，）测角仪机械零点的调整误差，（2）角的驱动匹配误差，）角的驱动匹配误差，（3）计数测量系统滞后的误差，）计数测量系统滞后的误差，（4）折射校正，）折射校正，（5）温度校正。）温

7、度校正。本讲稿第十四页，共三十五页7.3 消除误差的方法消除误差的方法(1)(1)、外推法、外推法(2)(2)、CohenCohen最小二乘法最小二乘法(3)(3)、标准样校正法、标准样校正法本讲稿第十五页，共三十五页所所谓谓外推法消除系外推法消除系统误统误差，就是将由若干条衍射差，就是将由若干条衍射线线测测得的点得的点阵阵常数，按一定的外推函数常数，按一定的外推函数f()外推到外推到 =90，这时这时系系统误统误差差为为零，即得到精确的点零，即得到精确的点阵阵常常数。数。7.3.1 外推法外推法如何外延？如何外延？曲线外推曲线外推：通常引入人为主观因素。：通常引入人为主观因素。直线外推直线外

8、推：效果好。：效果好。若用若用a0表示点表示点阵阵常数精确常数精确值值，则实测则实测的点的点阵阵常数常数a为为：本讲稿第十六页，共三十五页n(HKL)aicos2ctg2cosctg133347.47055.431440.456940.841400.62005244053.34755.431420.356360.553670.44419353157.04095.431260.295980.420410.35275462063.76705.431190.195380.242830.21782553368.44405.431040.134990.156060.14514644479.31745.4

9、30910.034360.035580.03497本讲稿第十七页，共三十五页本讲稿第十八页，共三十五页外推法在衍射仪法外推法在衍射仪法精确测定点阵参数精确测定点阵参数步骤步骤1.峰位的精确测定峰位的精确测定n测角仪零点校正测角仪零点校正 50o、小、小Slit、Step Scan、小、小Step(0.01o)长长S.T.(2-5 S)、峰顶计数、峰顶计数104、J数据处理：背底、平滑、峰位确定方法数据处理：背底、平滑、峰位确定方法J校正：折射、温度校正：折射、温度2.系统误差外推函数的选择系统误差外推函数的选择3.计算计算本讲稿第十九页，共三十五页本讲稿第二十页，共三十五页本讲稿第二十一页，共

10、三十五页Cohen法是在法是在sin2 的基的基础础上上应应用最小二乘方原理求点用最小二乘方原理求点阵阵常数的常数的精确精确值值。7.3.2 Cohen最小二乘法最小二乘法最小二乘法原理：最小二乘法原理：要求要求有最小值有最小值于是：于是：本讲稿第二十二页，共三十五页布拉格方程：取对数：微分：本讲稿第二十三页，共三十五页实验测量值：实验测量值：未知参数：未知参数：A、D应用最小二乘法可得：应用最小二乘法可得：a0本讲稿第二十四页，共三十五页3、标准样校正法、标准样校正法在某些场合下，误差来源以及函数形式很难确定。因此，通常在待测在某些场合下，误差来源以及函数形式很难确定。因此，通常在待测样品中

11、掺入一些稳定物质作为标样，校正待测样品。样品中掺入一些稳定物质作为标样，校正待测样品。原则：只有两个根线的距离很近，可以认为误差对它们的影响相同。物物质质纯纯度度(%)点点阵阵常数常数()Al99.994.04958Si99.845.43078Si99.95.43075Ag99.9994.08613NaCl5.64009CaF299.9995.426本讲稿第二十五页，共三十五页7.3.3 衍射线对法衍射线对法系统误差在差减中消除一般：500,2d=22-21300 本讲稿第二十六页，共三十五页7.4 点阵参数精确测定的应用点阵参数精确测定的应用n固溶体类型与组分测量固溶体类型与组分测量n钢中马

12、氏体和奥氏体的含碳量钢中马氏体和奥氏体的含碳量n外延层和表面膜厚度的测定外延层和表面膜厚度的测定n相图的测定相图的测定本讲稿第二十七页，共三十五页固溶体分间隙式和置换式两类，根据固溶体的点阵参数随溶质原子固溶体分间隙式和置换式两类，根据固溶体的点阵参数随溶质原子的浓度变化规律可以判断溶质原子在固溶体点阵中的位置，从而确的浓度变化规律可以判断溶质原子在固溶体点阵中的位置，从而确定因溶体的类型。定因溶体的类型。许多元素如氢、氧、氮、碳、硼等的原子尺寸较小，它许多元素如氢、氧、氮、碳、硼等的原子尺寸较小，它们溶解于作为溶剂的金属中，将使基体的点阵参数增大。们溶解于作为溶剂的金属中，将使基体的点阵参数

13、增大。若用物理方法测定了固溶体的密度，又精确测定了它的点阵参若用物理方法测定了固溶体的密度，又精确测定了它的点阵参数，则可以计算出单胞中的原子数，再将此数与溶剂组元单脑数，则可以计算出单胞中的原子数，再将此数与溶剂组元单脑的原于数比较即可决定固溶体类型。的原于数比较即可决定固溶体类型。7.4.1 固溶体的类型与组分测量固溶体的类型与组分测量（1）类型鉴别）类型鉴别本讲稿第二十八页，共三十五页 例如，碳在例如，碳在g g铁中使面心立方点阵参数数增大；又铁中使面心立方点阵参数数增大；又如，碳在如，碳在 铁的过饱和固溶体中增加四方度。有许多铁的过饱和固溶体中增加四方度。有许多元素，当它们溶解于作为溶

14、剂的金属中时，将置换元素，当它们溶解于作为溶剂的金属中时，将置换溶剂原子，并占据基体点阵的位置。对立方晶系的溶剂原子，并占据基体点阵的位置。对立方晶系的基体，点阵参数的增大或减小，通常取决于溶质原基体，点阵参数的增大或减小，通常取决于溶质原子和溶剂原子大小的比例。若前者大则点阵参数增子和溶剂原子大小的比例。若前者大则点阵参数增大，反之则减小。对非立方晶系的基体，点阵参数大，反之则减小。对非立方晶系的基体，点阵参数可能一个增大，一个减小。据此规律，可以初步判可能一个增大，一个减小。据此规律，可以初步判断固溶体的类型。断固溶体的类型。本讲稿第二十九页，共三十五页 对于大多数固溶体，其点阵参数随溶质

15、原子的浓度对于大多数固溶体，其点阵参数随溶质原子的浓度（摩尔比）呈近似线性关系，即服从费伽（摩尔比）呈近似线性关系，即服从费伽(Vegard)(Vegard)定律：定律：式中，式中，a aA A和和a aB B分别表示固溶体组元分别表示固溶体组元A A和和B B的点阵参数。因此，测得含的点阵参数。因此，测得含量为量为x x的的B B原子的固溶体的点阵参数原子的固溶体的点阵参数a ax x，用上式即求得固溶体的组分。，用上式即求得固溶体的组分。实验表明，固溶体中点阵参数随溶质原子的浓度变化有不少呈实验表明，固溶体中点阵参数随溶质原子的浓度变化有不少呈非线性关系，在此情况下应先测得点阵参数与溶质原

16、子浓度的关系非线性关系，在此情况下应先测得点阵参数与溶质原子浓度的关系曲线。实际应用中，将精确测得的点阵参数与已知数据比较即可求曲线。实际应用中，将精确测得的点阵参数与已知数据比较即可求得固溶体的组分。得固溶体的组分。（2）组分测量）组分测量或者或者本讲稿第三十页，共三十五页7.4.2 钢中马氏体和奥氏体的含碳量钢中马氏体和奥氏体的含碳量 马氏体的点阵参数a和c与含碳量呈直线性关系：a=aa-0.015x c=aa+0.016x式中，aa=2866nm为纯a铁的点阵参数；x为马氏体中碳重量百分数。因此可以事先计算出对应不同含碳量的点阵参数c/a以及各晶面的面问距，将实验测得的数值与计算值对比即

17、可确定马氏体的含碳量与马氏体的四方度ca或者由精确测定的点阵参数按上式直接计算出马氏体含碳量。通常，钢中含碳量低时仅仅表现出衍射线的宽化，只有当含碳量高于06形时，原铁素体的衍射线才明显地分裂为两条或三条线。在淬火高碳钢中有时出现奥氏体相，它是碳在g铁中的过饱和固溶体。奥氏体的点阵参数a与含碳量。呈直线性关系：a=ag+0.033x式中ag=0.3573nm。求出a即可求得奥氏体含碳量重量百分数本讲稿第三十一页，共三十五页7.4.3 外延层和表面膜厚度的测定外延层和表面膜厚度的测定 在衍射仪法中试样的偏心是要尽力避免的但是，我们也可在衍射仪法中试样的偏心是要尽力避免的但是，我们也可利用它来测量

18、外延层或表面膜的厚度外延层或表面膜的存在相当于材底利用它来测量外延层或表面膜的厚度外延层或表面膜的存在相当于材底位置偏离了测角台中心轴一个距离，其值等于外延层厚度位置偏离了测角台中心轴一个距离，其值等于外延层厚度 当我们精确地测出了有外延层与无外延层的衬底某当我们精确地测出了有外延层与无外延层的衬底某高角衍射线峰位高角衍射线峰位差差 后，就可以算得出层厚或膜厚后，就可以算得出层厚或膜厚s本讲稿第三十二页，共三十五页7.4.4 相图的测定相图的测定主要原理是主要原理是:随合金成分的变化，物相的点阵参数在相界处的不连续随合金成分的变化，物相的点阵参数在相界处的不连续性。性。(测定固态部分单相区与两

19、相区的分界线测定固态部分单相区与两相区的分界线)具体说是两点：第一，在单相区点阵参数随成分变化显著，而同一具体说是两点：第一，在单相区点阵参数随成分变化显著，而同一成分该物相的点阵参数随温度的变化甚微；第二，在双相区某相的成分该物相的点阵参数随温度的变化甚微；第二，在双相区某相的点阵参数随温度而变化点阵参数随温度而变化(因为不同温度相的成分不同因为不同温度相的成分不同)，而不随合，而不随合金的成分变化金的成分变化(因为合金的成分仅决定合金中双相的相对数因为合金的成分仅决定合金中双相的相对数量量)。因此，在同一温度下某一相的点阵参数在单相区和双相。因此，在同一温度下某一相的点阵参数在单相区和双相

20、区随合金成分的变化的两条曲线必然相交，其交点即为测定的区随合金成分的变化的两条曲线必然相交，其交点即为测定的相界点相界点(极限溶解度）极限溶解度）,根据物相的特定衍射花样还可确定该相根据物相的特定衍射花样还可确定该相的微观晶体结构类型的微观晶体结构类型。本讲稿第三十三页，共三十五页本讲稿第三十四页，共三十五页习 题使用使用CuK 1辐射（辐射（=1.540596），），某一立方系晶体高角衍某一立方系晶体高角衍射线条数据如下。使用图解外推求其点阵常数（准确到四位有射线条数据如下。使用图解外推求其点阵常数（准确到四位有效数字）。效数字）。H2+K2+L2 sin238 0.911440 0.956341 0.976142 0.9980本讲稿第三十五页，共三十五页