材料晶体衍射结构表征

内容全面

本书阐述了材料晶体粉末衍射、电子背散衍射和透射电子衍射基础理论及应用。重点阐述了常见材料织构的理论极图的绘制方法、任意单晶取向下理论背散电子衍射菊池花样、理论透射电子衍射斑点花样的绘制方法及常见织构的理论极图、电子背散衍射菊池花样和透射电子衍射花样，补充和完善了欧拉空间与织构类型的关系式，添加了金属材料织构表征应用的实例。本书为表征晶体结构提供了解析方法，同时为设计粉晶衍射、四元单晶衍射、电子背散衍射和透射电子衍射晶体结构表征智能化分析软件提供了数学模型。本书可作为高等院校材料、冶金、化工和矿物加工等各专业教材，也可作为相关专业的广大科技工作者的参考书和工具书。

陈亮维，男，1968年5月生，籍贯湖南双峰，教授级高工，博士。1991年6月毕业于中南大学应用物理专业，2009年12月前在昆明贵金属研究所从事材料晶体结构与性能表征及无损检测工作。2010年1月以后在昆明理工大学承担”材料晶体结构表征”硕士生和博士生课程教学、”无损检”量子力学”2门本科生课程教学及大量的实测”验教学。主持和参与多项基金项目，多次为企业解决实际技术难题。建立了50余项物相晶体粉未衍射国际标准，出版学术专著4部;获省级科研奖励3项，获得国际晶体组织授予的杰出贡献证书3本，2009年获云南省中青年学术与技术带头人称号。易健宏，男，1965年5月生，籍贯湖南株洲，二级教授，博士，先后入选新世纪人才计划和云南省高端人才计划。主要从事磁性材料理论与制备、稀贵金属材料与技术、粉末冶金基础理论与材料制备等方面的研究。承担国家科技攻关计划、国家自然科学基金、国家”863″计划、国家军工计划等科研项目40余项，发表学术论文200余篇，主编教材1本，出版著作3部;先后获得”云岭学者”和”中国青年科技奖”等荣誉，获得国家级及省部级以上科研教学奖励10余项。虞澜，女，1968年2月生，籍贯江苏，教授博士。1988年毕业于四川大学金属材料专业2004~2008年于德国马普固体物理研究所热电薄膜方向攻读博士学位，主讲”材料科学基础”(省级双语精品课)、”材料物理”、”稀贵金属材料学”等本科、研究生课程。主要研究领域为热电、光电、磁性等新型功能陶瓷及薄膜的制备和性能研究，以及原子层热电堆薄膜及器件的研发;主持了3项国家基金项目，主持或参加了省部级、国际合作等10余项，获得了省级科研和教学成果奖励5项，发表论文100余篇，授权发明专利10余项，出版专著1部。史庆南，男，汉族，1956年11月生于云南德钦，二级教授，博士生导师。1982年2月毕业于昆明工学院压力加工专业，1985年在北京钢铁学院获压力加工专业硕士学位。曾在日本东京大学和法国国立高等工程技术学院(ENSAM)做高级访问学者。获2006年云南省有突出贡献的优秀专业技术人才称号，云南省教学名师。在长期从事教学工作中，为大学本科生和研究生讲授了”轧制工艺学””金属塑性加工学”塑性加工物理基础”等10余门课程。获云南省教学成果一等奖和国家教学成果二等奖各1项，云南省自然科学奖励3项，出版著作3部。

第1章 晶体结构基础 001
1.1 空间点阵、晶胞和原子坐标 001
1.2 晶面指数和晶向指数 002
1.2.1 三指数法 002
1.2.2 四指数法 003
1.3 晶体学中的对称操作元素 005
1.4 晶系、点群和空间群 007
1.5 倒易点阵及晶体学公式的推导 013
1.5.1 倒易点阵的确定方法和基本性质 013
1.5.2 实际晶体的倒易点阵和实际发生衍射的晶面指数特征 015
1.5.3 倒易点阵的应用 017
参考文献 021

第2章 X 射线衍射分析原理及应用 022
2.1 布拉格衍射定律 022
2.2 X 射线衍射强度理论基础 024
2.2.1 一个电子对X 射线的散射作用 024
2.2.2 一个原子对X 射线的散射作用 025
2.2.3 一个晶胞对X 射线的散射作用 026
2.2.4 一个小单晶对X 射线的散射作用 031
2.2.5 扩展到整个粉晶对X 射线的散射作用 034
2.3 X 射线衍射分析的应用 038
2.3.1 晶粒大小和晶格畸变的分析 038
2.3.2 残余应力分析 039
2.3.3 短波长X 射线应力测试的新技术和新装备 042
2.3.4 结晶度的计算 046
2.3.5 小角X 射线散射（SAXS） 047
2.3.6 人造超晶格的测定 048
2.3.7 薄膜试样的测定 049
2.3.8 物相的定量分析 056
2.3.9 新物相衍射峰的指标化 056
2.4 衍射样品的制备 061
参考文献 061

第3章 粉末衍射晶体结构精修 063
3.1 全谱拟合的理论概述 064
3.1.1 峰形函数 065
3.1.2 峰宽函数Hk 067
3.1.3 背底函数Y ib 069
3.1.4 择优取向校正 069
3.2 粉末衍射全谱拟合实验基础 070
3.3 粉末法从头测定晶体结构 071
3.3.1 X 射线衍射测定单晶结构的一般步骤与传统粉末法的困难 072
3.3.2 粉末衍射测定晶体结构的步骤 072
3.3.3 粉末衍射从头测定晶体结构举例 073
3.3.4 Fullprof 运行演示 075
3.4 全谱拟合法在物相分析中的应用 086
3.4.1 物相定性分析 086
3.4.2 物相定量分析 088
参考文献 091

第4章 X 射线衍射宏观织构表征 092
4.1 极射投影、极氏网、乌尔夫网和标准投影图 092
4.1.1 极射投影原理 092
4.1.2 极氏网与乌尔夫网的绘制原理与应用 092
4.1.3 标准投影图的绘制原理 094
4.2 织构的定义和测试 096
4.2.1 织构的定义 096
4.2.2 织构的测试方法 097
4.3 极图的常规分析 098
4.4 立方晶系中任意织构的理论极图计算及常见织构的标准极图 100
4.4.1 立方晶系任意织构理论极图的计算 100
4.4.2 面心立方常见织构的标准极图 103
4.4.3 钢铁常见织构的标准极图 105
4.4.4 部分理论极图织构的实测验证 106
4.5 六方晶系任意织构的理论极图计算及常见织构的标准极图 107
4.5.1 六方晶系任意织构的理论极图计算 107
4.5.2 钛的常见织构的标准极图 108
4.5.3 锆的常见织构的标准极图 113
4.5.4 锌的常见织构的标准极图 115
4.5.5 镁合金的常见织构的标准极图 118
4.5.6 六方晶体织构理论极图的验证 120
4.6 反极图的定义与分析 121
参考文献 122

第5章 金属材料织构表征应用 123
5.1 立方晶体生长织构 123
5.1.1 化学气相沉积生长Ta 晶体织构 123
5.1.2 离子溅射Ag 织构 125
5.1.3 电镀Au 的织构 126
5.2 立方结构金属的变形织构和退火织构 127
5.2.1 锻压、挤压和拉拔形成的变形织构和退火织构 127
5.2.2 轧制变形织构和退火织构 128
5.3 织构对抗拉强度的影响 134
5.4 FCC 金属材料织构与滑移系的关系 135
参考文献 137

第6章 EBSD 微观织构的表征 138
6.1 EBSD 分析中常用的术语 138
6.2 EBSD 的菊池花样与晶体结构之间的数理关系 141
6.2.1 面心立方晶体背散射电子衍射菊池花样的特征 143
6.2.2 体心立方晶体背散射电子衍射菊池花样的特性 146
6.2.3 密排六方晶体背散射电子衍射菊池花样的特性 148
6.3 EBSD 样品制备方法 149
6.4 EBSD 分析数据的采集 154
6.5 晶体取向与欧拉角的关系式 169
6.5.1 Roe 法则下晶体取向与欧拉角关系式的推导 170
6.5.2 Bunge 法则下晶体取向与欧拉角关系式的推导 177
6.5.3 ODF 分析结果的验算及ODF 截面图的特征 180
6.6 EBSD 分析实例 185
参考文献 190

第7章 透射电子衍射斑点花样分析 191
7.1 透射电子衍射原理 191
7.2 衍射花样特征 193
7.3 多晶电子衍射谱的标定 194
7.4 单晶带或零阶劳厄带（zero order Laue zone）花样的指数标定 195
7.5 单晶标准透射电子衍射斑点图的绘制 197
7.5.1 立方晶体单晶的标准电子衍射斑点花样的绘制 198
7.5.2 四方晶系单晶标准透射电子衍射斑点图的绘制 203
7.5.3 正交晶体单晶标准透射电子衍射斑点花样的绘制 205
7.5.4 密排六方晶体单晶标准透射电子衍射斑点花样的绘制 212
7.5.5 菱方晶体单晶标准透射电子衍射斑点花样的绘制 213
7.5.6 单斜晶系和三斜晶系单晶标准透射电子衍射斑点花样的绘制 215
7.6 电镜操作与新相晶体结构表征 216
7.7 多晶带、高阶劳厄带（higher order Laue zone）衍射花样的标定 219
7.8 透射电镜电子衍射花样的应用 221
参考文献 229

第8章 晶体衍射数据分析总结与展望 230
8.1 各种晶体衍射的共同理论基础 230
8.2 粉末晶体衍射指标化软件的设计 230
8.3 EBSD 实验数据分析软件的设计 231
8.4 四元单晶衍射数据分析方法 232
8.5 透射电镜电子衍射应用的新展望 234

第9章 X 射线衍射仪 235
9.1 衍射仪产品的介绍 235
9.1.1 TD-3500 型衍射仪 237
9.1.2 TD-3700 型X 射线衍射仪 238
9.1.3 TD-5000 X 射线单晶衍射仪 240
9.2 衍射仪常用的附件 242
9.2.1 高低温附件 242
9.2.2 织构和应力测试附件 243
9.3 衍射实验数据采集系统和分析系统 243
9.3.1 数据采集软件 244
9.3.2 数据处理软件 248
9.4 特殊应用实例—外延生长晶体的结构表征 250
9.4.1 简易的织构因子测量 251
9.4.2 薄膜倾斜角测定 251
9.5 X 射线衍射仪的关键硬件 253
9.5.1 射线管靶材 253
9.5.2 X 射线发生器 254
9.5.3 测角仪 255
9.5.4 X 射线单色化 257
9.5.5 探测器 257
9.6 TD 系列衍射仪常见故障诊断方法 258

附录 260
附录1 在Roe 系统中立方晶系的织构与欧拉角的对应关系表260
附录2 体心立方点阵的倒易点阵平面基本数据 275
附录3 面心立方点阵的倒易点阵平面的基本数据 277
附录4 六方密堆晶体（轴比c/a=1.63）倒易点阵平面的基本数据 280
附录5 标准电子衍射花样 283

材料晶体衍射结构表征是研究材料成分、结构与性能关联问题的重要手段之一，是材料研究的共性问题。为了更好地方便读者理解材料晶体衍射结构表征相关内容，我们编著了本书。本书特点如下。
第1 章介绍了有关晶体结构基础知识，晶体结构基础是晶体衍射结构表征的核心理论基础，为了方便读者对部分晶体学公式溯源，特意补充部分数学推导过程。在第2 章中，介绍残余应力检测方法时添加了一些新技术和新装备；详细给出了人造超晶格检测的衍射实验参数和人造石墨结晶度的表征方法；以金诺芬（C20H34AuO9PS）的同质多晶型的B 型晶体为例，介绍了一种手工解析晶体结构及指标化的方法。第3 章介绍了粉末衍射晶体结构精修。第4 章主要是介绍X 射线衍射宏观织构表征，在该章中添加了乌尔夫网、极氏网和晶体极射标准投影等内容，特别是推导了绘制乌尔夫网的数学公式和极射标准投影的绘制过程；表述某一特定晶面的X 射线衍射强度的空间分布的极图就是根据极射投影的原理绘制的，阐述了任意织构对应任意晶面理论极图的绘制方法，运用该方法绘制了面心立方、体心立方（钢铁材料）和六方晶体金属（钛、镁、锌和锆等）常见织构的理论标准极图（极图只有晶面衍射空间分布的位置信息，没有衍射强度信息）。第5 章介绍金属材料织构表征的应用，该章中每一个实测极图都是陈亮维博士在昆明贵金属研究所工作期间亲自操作测试获得的实验数据，揭示了材料加工制备工艺（化学或物理气相沉积、电镀和各种压力加工工艺等）和热处理工艺对织构的形成机制的影响，半定量地描述了织构与主要滑移面、主滑移方向及滑移系之间的关联问题。第6 章介绍EBSD 微观织构的表征，在该章中独立推导了EBSD 的菊池花样与晶体结构之间的数理关系；理论计算了面心立方、体心立方和简单六方晶体材料的背散射电子衍射菊池花样的特征，还列举了面心立方晶体材料的立方织构取向、剪切织构取向的理论菊池花样的绘制过程；对晶体取向与欧拉角的关系式进行了重新推导与再思考，提出了新的Roe 和Bunge 规则下的欧拉空间与织构类型的表达式，加强了对原有Roe和Bunge 公式的理解，同时结合实际检测的需要，对原有的公式进行了完善与发展，特别是对非立方晶体的欧拉空间与织构类型的公式进行了更新，这极大地方便了用户利用晶面夹角公式对检测结果进行验算，同时简化与之对应的极图的绘制。第7 章介绍透射电子衍射斑点花样分析，在该章中独立地补充了单晶体透射电子衍射斑点花样与晶体结构之间的数理关系，重新阐述了各种晶系、各种点阵类型下标准透射电子衍射斑点花样的绘制方法，并绘制了6 种晶系13 种点阵（三斜晶系除外）晶体在低指数基本晶带轴下的透射电子衍射斑点花样；总结了各种晶体在低指数基本晶带轴下的透射电子理论衍射斑点花样特征，在此基础上，提出了一套透射电子衍射表征单晶结构的电镜操作建议和晶体结构指标化方法。实际上，各种孪晶的理论透射衍射花样是可以计算出来的，笔者刚完成了面心立方和体心立方结构孪晶的理论透射衍射花样的绘制工作，但六方孪晶衍射花样绘制的内容，留给读者自己思考。第8 章主要介绍各种衍射方法的共性和应用展望，系统地阐述了晶体衍射布拉格方程、晶面衍射条件、晶面间距与晶面指数、晶格点阵参数的公式、晶面夹角公式等相关知识，在粉末衍射、单晶衍射、背散射电子衍射、透射电子衍射及不同光源的晶体衍射条件下，表征晶体结构和晶粒取向的方法。这为相关的检测数据采集系统和实验数据分析系统软件的自主设计提供了数学模型，同时为读者更好理解检测表征结果提供了依据。第9 章介绍了X 射线衍射仪。
霍广鹏、惠玉玉、杨成超和任令褀等研究生完成了全部理论菊池花样和透射衍射花样的绘制工作，在此对他们表示感谢。
希望该书能被广大读者接受和喜爱，对生产、科研和教学有所帮助。最后恳求读者多批评指正。

陈亮维