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兰州理工大学材料科学与工程学院

材料现代分析方法




实



验


指


导


书
实验一 X射线物相分析

一、实验目的
1、概括了解 x 射线衍射仪的结构及使用。
2、练习用 FDF(ASTM)卡片及索引对多相物质进行相分析。
二、X 射线衍射仪简介
传统的衍射仪由 X 射线发生器、测角仪、记录仪等几部分组成。

图 1-1 是目前常用的热电子密封式X射线管的示意图。阴极由钨丝绕成螺线形,工作时
通电至白热状态。由于阴阳极间有几十千伏的电压,故热电子以高速撞击阳极靶面。为防止
灯丝氧化并保证电子流稳定,管内抽成 -9~-11的高真空。为使电子束集中,在
灯丝外设有聚焦罩。阳极靶由熔点高、导热性好的铜制成,靶面上被一层纯金属。常用的金
属材料有Cr,Fe, Co, Ni, Cu, MO, W等。当高速电子撞击阳极靶面时,便有部分动能转化为X
射线,但其中约有 99%将转变为热。为了保护阳极靶面,管子工作时需强制冷却。为了使
,应使X射线管的阳极接地,而阴极则由高压电缆加上负
高压。x射线管有相当厚的金属管套,使X射线只能从窗口射出。窗口由吸收系数较低的Be
片制成。结构分析用X射线管通常有四个对称的窗口,靶面上被电子袭击的范围称为焦点,
它是发射X射线的源泉。用螺线形灯丝时,焦点的形状为长方形(面积常为 1mm×10mm),
此称为实际焦点。窗口位置的设计,使得射出的X射线与靶面成 60角(图 1-2),从长方形的
短边上的窗口所看到的焦点为 1mm2正方形,称点焦点,在长边方向看则得到线焦点。一般
的照相多采用点焦点,而线焦点则多用在衍射仪上。
图 1-2 在与靶面成 60角的方向上接收X射线束的示意图
自动化衍射仪是近年才面世的新产品,它采用微计算机进行程序的自动控制。图 2-1 为
日本理光光学电机公司生产的 D/max-B 型自动化衍射仪工作原理方框图。入射 X 射线经狭
缝照射到多晶试样上,衍射线的单色化可借助于滤波片或单色器。衍射线被探测器所接收,
电脉冲经放大后进人脉冲高度分析器。信号脉冲可送至计数率仪,并在记录仪上画出衍射图。
脉冲亦可送至计数器(以往称为定标器),经徽处理机进行寻峰、计算峰积分强度或宽度、
扣除背底等处理,并在屏幕上显示或通过打印机将所需的图形或数据输出。控制衍射仪的专
用微机可通过带编码器的步进电机控制试样(θ)及探测器(2θ)进行连续扫描、阶梯扫描,连
动或分别动作等等。目前,衍射仪都配备计算机数据处理系统,使衍射仪的功能进一步扩展,
自动化水平更加提高。衍射仪目前已具有采集衍射资料,处理图形数据,查找管理文件以及
自动进行物相定性分析等功能。
物相定性分析是 X 射线衍射分析中最常用的一项测试,衍射仪可自动完成这一过程。
首先,仪器按所给定的条件进行衍射数据自动采集,接着进行寻峰处理并自动启动程序。当
检索开始时,操作者要选择输出级别(扼要输出、标准输出或详细输出),选择所检索的数
据库(在计算机硬盘上,存贮着物相数据库,约有物相 176000 种,并设有无机、有机、合
金、矿物等多个分库),指出测试时所使用的靶,扫描范围,实验误差范围估计,并输入试
样的元素信息等。此后,系统将进行自动检索匹配,并将检索结果打印输出。


图 2-1 D/mmc-B 型衍射仪工作原理方框图
三、用衍射仪进行物相分析
物相分析的原理及方法在教材中已有较详细的介绍,此处仅就实验及分析过程中的某些
具体问题作一简介。为适应初学者的基础训练,下面的描述仍多以手工衍射仪和人工检索为
基础。

衍射仪一般采用块状平面试样,它可以是整块的多晶体,亦可用粉末压制。金属样可从
大块中切割出合适的大小(例如 20mmx 15mm),经砂轮、砂纸磨平再进行适当的浸蚀而得。
分析氧化层时表面一般不作处理,而化学热处理层的处理方法须视实际情况进行(例如可用
细砂纸轻磨去氧化皮)。
粉末样品应有一定的粒度要求,这与德拜相机的要求基本相同(颗粒大小约在 1 一 10
μm)数量级。粉末过 200 一 325 目筛子即合乎要求),不过由于在衍射仪上摄照面积较大,
故允许采用稍粗的颗粒。根据粉末的数量可压在的深框或浅框中。压制时一般不加粘结剂,
所加压力以使粉末样品压平为限,压力过大可能导致颗粒的择优取向。当粉末数量很少时,
可在平玻璃片上抹上一层凡士林,再将粉末均匀撒上。

描画衍射图之前,须考虑确定的实验参数很多