材料X射线分析技术

本书为工业和信息化部“十四五”规划教材，主要介绍晶体学基础与X射线在材料结构、形貌和成分方面的分析技术。其中，结构分析技术包括X射线的物理基础、衍射原理、物相分析、织构分析、小角散射与掠入射衍射分析、位错分析、层错分析、非晶分析、单晶体衍射与取向分析、内应力分析、点阵常数的测量与热处理分析等；形貌分析技术即三维X射线显微成像分析；成分分析技术包括特征X射线能谱、X射线光电子能谱及X射线荧光光谱等。本书研究和测试的材料主要包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料、非晶态材料、金属间化合物、复合材料等。本书对每章内容做了提纲式的小结，并附有适量的思考题。本书采用一些作者尚未发表的图，同时在实例分析中引入一些当前材料领域近期新的研究成果。

前言
第1章晶体学基础1
1.1晶体及其基本性质1
1.1.1晶体的概念1
1.1.2空间点阵的四要素1
1.1.3布拉维阵胞2
1.2晶向、晶面及晶带4
1.2.1晶向及其表征4
1.2.2晶面及其表征5
1.2.3晶带及其表征6
1.3晶体的投影6
1.3.1球面投影与极射赤面投影7
1.3.2极式网与乌氏网9
1.3.3晶带的极射赤面投影11
1.3.4标准极射赤面投影图13
1.4正点阵与倒易点阵14
1.4.1正点阵14
1.4.2倒易点阵14
1.4.3正倒空间之间的关系16
1.4.4倒易矢量的基本性质17
1.4.5晶带定律18
1.4.6广义晶带定律19
本章小结20
思考题21
第2章X射线的物理基础23
2.1X射线的性质23
2.1.1X射线的产生23
2.1.2X射线的本质24
2.2X射线谱26
2.2.1X射线连续谱26
2.2.2X射线特征谱28
2.3X射线与物质的相互作用31
2.3.1X射线的散射32
2.3.2X射线的吸收33
2.3.3吸收限的作用36
本章小结38
思考题38
第3章X射线的衍射原理40
3.1X射线的衍射方向40
3.1.1劳厄方程40
3.1.2布拉格方程41
3.1.3布拉格方程的讨论43
3.1.4衍射矢量方程46
3.1.5布拉格方程的埃瓦尔德图解47
3.1.6布拉格方程的应用48
3.1.7常见的衍射方法48
3.2X射线的衍射强度50
3.2.1单电子对X射线的散射50
3.2.2单原子对X射线的散射52
3.2.3单胞对X射线的散射54
3.2.4单晶体的散射与干涉函数60
3.2.5单相多晶体的衍射强度64
3.2.6影响单相多晶体衍射强度的其他因子65
本章小结69
思考题71
第4章X射线的物相分析73
4.1X射线衍射仪73
4.1.1测角仪73
4.1.2计数器75
4.1.3计数电路76
4.1.4X射线衍射仪的常规测量77
4.2X射线物相分析原理78
4.2.1物相的定性分析78
4.2.2物相的定量分析88
本章小结93
思考题93
第5章晶粒尺寸与多晶体内应力的测量95
5.1晶粒尺寸的测量95
5.1.1晶粒细化的衍射效应95
5.1.2谢乐公式95
5.2多晶体内应力的测量97
5.2.1多晶体内应力的产生、分类及其衍射效应97
5.2.2多晶体宏观应力的测量原理97
5.2.3多晶体宏观应力的测量方法100
5.2.4多晶体宏观应力常数K的确定104
5.2.5多晶体微观应力的测量105
5.3Ka双线分离106
5.3.1Rachinger图解法106
5.3.2傅里叶级数变换法108
5.4衍射峰的线形分析109
5.4.1衍射线形的卷积合成109
5.4.2积分宽度的卷积关系109
5.5衍射峰物理宽化的测量110
5.5.1傅里叶变换法110
5.5.2近似函数法112
5.6微观应力宽度与晶粒细化宽度的分离113
5.6.1近似函数法114
5.6.2方差分解法115
5.6.3微观应力和晶粒尺寸的测量步骤116
5.7应用举例分析117
5.7.1合金元素对高熵合金衍射峰的影响117
5.7.2合金组元对高熵合金衍射峰的影响120
本章小结122
思考题123
第6章单晶体的结构、取向与宏观残余应力分析125
6.1单晶体的结构分析125
6.1.1四圆单晶衍射仪125
6.1.2面探测器单晶衍射仪126
6.1.3单晶结构的分析步骤127
6.1.4四圆单晶衍射仪的衍射几何128
6.1.5衍射几何转换矩阵131
6.2单晶体的取向分析133
6.2.1单晶体的取向表征133
6.2.2单晶体的取向测定136
6.3单晶体的宏观残余应力分析140
6.3.1测量方法141
6.3.2测量原理141
6.4应用举例分析148
6.4.1单晶铁的定向148
6.4.2单晶铁的应力测量149
本章小结150
思考题151
第7章织构分析152
7.1织构及其表征152
7.1.1织构与分类152
7.1.2织构的表征152
7.2丝织构的测定与分析155
7.2.1丝织构衍射花样的几何图解155
7.2.2丝织构指数的照相法确定157
7.2.3丝织构取向度的计算157
7.2.4丝织构指数的衍射法测定157
7.3板织构的测定与分析159
7.3.1极图测定与板织构分析159
7.3.2反极图测定与板织构分析167
7.3.3三维取向分布函数测定169
本章小结171
思考题171
第8章X射线小角散射与掠入射衍射分析173
8.1X射线小角散射173
8.1.1X射线小角散射的基本原理173
8.1.2X射线小角散射的体系175
8.1.3X射线小角散射的强度175
8.1.4X射线小角散射实验186
8.1.5X射线小角散射技术的特点188
8.1.6X射线小角散射技术的应用188
8.2掠入射X射线衍射分析192
8.2.1掠入射X射线衍射原理192
8.2.2掠入射X射线衍射的应用194
本章小结196
思考题197
第9章位错分析198
9.1对位错分析用X射线的基本要求198
9.2X射线线形分析法199
9.2.1衍射谱峰宽法199
9.2.2全谱拟合法203
9.3应用举例分析204
本章小结207
思考题207
第10章层错分析208
10.1层错的概述208
10.1.1层错的定义208
10.1.2层错能208
10.1.3层错的分类209
10.1.4扩展位错210
10.1.5层错概率211
10.1.6层错图像211
10.2不同晶体结构的层错概率212
10.2.1FCC结构212
10.2.2HCP结构213
10.2.3BCC结构214
10.3FCC结构中的层错能分析215
10.4层错概率的测定方法217
10.4.1峰位移法218
10.4.2峰宽化法218
10.5复合层错概率计算层错能219
10.6应用举例分析220
本章小结222
思考题223
第11章非晶分析224
11.1非晶态物质结构的主要特征224
11.2径向分布函数224
11.2.1单元径向分布函数224
11.2.2多元径向分布函数229
11.2.3径向分布函数的测定230
11.3非晶态物质的结构常数及其表征234
11.4非晶态物质的晶化235
11.4.1晶化过程235
11.4.2结晶度测定236
11.5应用举例分析237
11.5.1非晶合金中结构的弛豫分析237
11.5.2结晶度与晶粒尺寸分析238
11.5.3非晶晶化过程分析240
本章小结241
思考题242
第12章成像分析243
12.1X射线计算机断层成像原理243
12.1.1投影切片定理243
12.1.2滤波反投影245
12.2三维X射线显微镜的结构246
12.2.1工作原理246
12.2.2高分辨X射线显微镜的结构248
12.3三维X射线显微镜的应用250
本章小结251
思考题252
第13章成分分析253
13.1特征X射线能谱253
13.1.1分光系统253
13.1.2检测记录系统255
13.1.3X射线能谱仪256
13.1.4能谱仪与波谱仪的比较257
13.1.5X射线能谱分析及应用257
13.2X射线光电子能谱259
13.2.1工作原理260
13.2.2系统组成260
13.2.3X射线光电子能谱及表征262
13.2.4X射线光电子能谱仪的功用264
13.2.5X射线光电子能谱的应用266
13.2.6X射线光电子能谱的发展趋势269
13.3X射线荧光光谱269
13.3.1工作原理269
13.3.2系统组成270
13.3.3应用分析271
本章小结271
思考题272
第14章点阵常数的测量与热处理分析273
14.1点阵常数的测量273
14.1.1测量原理273
14.1.2误差源分析273
14.1.3测量方法274
14.2热处理分析278
14.2.1马氏体转变过程的X射线衍射分析278
14.2.2淬火温度与淬火速度对X射线衍射峰形的影响280
14.2.3淬火钢中残余奥氏体的测量281
本章小结284
思考题285
参考文献286
附录288
附录1常用物理常量288
附录2质量吸收系数?m288
附录3原子散射因子f289
附录4原子散射因子校正值?f290
附录5粉末法的多重因子Phkl290
附录6某些物质的特征温度?291
附录7德拜函数之值291
附录8应力测定常数291