现代材料测试技术期末测试题

《材料现代分析测试技术》思考题

1.电子束与固体物质作用可以产生哪些主要的检测信号？这些信号产生的原理是什么？它们有哪些特点和用途？

(1)电子束与固体物质产生的检测信号有：特征X射线、阴极荧光、二次电子、背散射电子、俄歇电子、吸收电子等。

(2)信号产生的原理：电子束与物质电子和原子核形成的电场间相互作用。

(3)特征和用途：

①背散射电子：特点：电子能量较大，分辨率低。用途：确定晶体的取向，晶体间夹角，晶粒度及晶界类型，重位点阵晶界分布，织构

分析以及相鉴定等。

②二次电子：特点：能量较低，分辨率高。用途：样品表面成像。

③吸收电子：特点：被物质样品吸收，带负电。用途：样品吸收电子成像，定性微区成分分析。

④透射电子：特点：穿透薄试样的入射电子。用途：微区成分分析和结构分析。

⑤特征X射线：特点：实物性弱，具有特征能量和波长，并取决于被激发物质原子能及结构，是物质固有的特征。用途：微区元素定性

分析。

⑥俄歇电子：特点：实物性强，具有特征能量。用途：表层化学成分分析。

⑦阴极荧光：特点：能量小，可见光。用途：观察晶体内部缺陷。

2.什么是电子散射，相干弹性散射和不相干弹性散射？电子衍射的成像基础是什么？

①电子散射：当高速运动的电子穿过固体物质时，会受到原子中的电子作用，或受到原子核及周围电子形成的库伦电场的作用，从而改

变了电子的运动方向的现象叫电子散射

②相干弹性散射：一束单一波长的电子垂直穿透一晶体薄膜样品时，由于原子排列的规律性，入射电子波与各原子的弹性散射波不但波

长相同，而且有一定的相位关系，相互干涉。

③不相干弹性散射：一束单一波长的电子垂直穿透一单一元素的非晶样品时，发生的相互无关的、随机的散射。

④电子衍射的成像基础是弹性散射。

3.电子束与固体物质作用所产生的非弹性散射的作用机制有哪些？

非弹性散射作用机制有：单电子激发、等离子激发、声子发射、轫致辐射

①单电子激发：样品内的核外电子在收到入射电子轰击时，有可能被激发到较高的空能级甚至被电离，这叫单电子激发。

②等离子激发：高能电子入射晶体时，会瞬时地破坏入射区域的电中性，引起价电子云的集体振荡，这叫等离子激发。

③声子发射：入射电子激发或吸收声子后，使入射电子发生大角度散射，这叫声子发射。

④轫致辐射：带负电的电子在受到减速作用的同时，在其周围的电磁场将发生急剧的变化，将产生一个电磁波脉冲，这种现象叫做轫致

辐射。

4.电子束激发固体物质产生二次电子和背散射电子是如何形成的？他们的成像有何异同点？在材料检测中有何应用？

1）二次电子产生：单电子激发过程中，被入射电子轰击出来并离开样品原子的核外电子。应用：样品表面成像，显微组织观察，断口形貌观察等

2）背散射电子：受到原子核弹性与非弹性散射或与核外电子发生非弹性散射后被反射回来的入射电子。应用：确定晶体的取向，晶体间夹角，晶粒度及晶界类型，重位点阵晶界分布，织构分析以及相鉴定等。

3）成像的相同点：都能用于材料形貌分析

成像的不同点：二次电子成像特点：（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反应形貌衬度。背散射电子成像特点：（1）分辨率低（2）背散射电子检测效率低，衬度小（3）主要反应原子序数衬度。

5.特征X射线是如何产生的，其波长和能量有什么特点，有哪些主要的应用？

特征X-Ray产生：当入射电子激发试样原子的内层电子，使原子处于能量较高的不稳定的激发态状态，外层的电子会迅速填补到内层电子空位上，并辐射释放一种具有特征能量和波长的射线，使原子体系的能量降低、趋向较稳定状，这种射线即特征X射线。

波长的特点：不受管压、电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序。

应用：物质样品微区元素定性分析

6.俄歇电子是怎样产生的？对于孤立的原子来说，能够产生俄歇效应的最轻元素是什么？

俄歇电子的产生：当入射电子激发试样原子的内层电子，使原子处于能量较高的不稳定的激发态状态，外层的电子会迅速填补到内层电子空位上，原子从激发态转变到基态释放的多余能量传给另一外层电子，使其脱离原子系统，成为二次电子，这种二次电子称为俄歇电子。

能够产生俄歇效应的最轻元素是铍。

7. 特征X 射线的波长与阳极靶材的原子序数有什么关系？K α谱线的强度与K β谱线的强度哪一个大一些？

① 莫塞莱定律得到关系式：)(12σλ-=z K ，这定律表明，阳极靶材的原子序数越大，相应于同一系的特征谱波长越短。

②K α谱线是电子从L 层跃迁到K 层所发射的，K β谱线是M 层电子向K 层空位补充所发射的。由莫塞莱定律可以得出，K α波长比K β波长大，但由于在K 激发态下，L 层电子向K 层跃迁的几率远大于M 层跃迁的几率，所以K α谱线的强度约为K β的五倍。

8. X 射线的强度和硬度通常用什么表达？有什么物理含义？

硬度表达：习惯上，用管电压的KV 数表示X 射线的硬度；物理含义：表示X 射线的贯穿本领。

强度表达：习惯上，用一定管电压下的管电流mA 数表示X 射线的强度。物理意义：单位时间内通过与射线方向的单位面积上的辐射能量。

9. α-Fe （体心立方），点阵参数a=2.866 à,如果用Cr K α X 射线（λ=2.291à）照射，如果（110）发生衍射，其掠射角是多少？

由布拉格公式：2dsin θ=γ，及晶面夹角公式222l k h a d hkl ++=

，计算得θ=34.42°

10. α-Fe 的X-射线衍射谱图如下图，所用的X 光波长为 0.1542nm ，试计算每个峰

线所对应的晶面间距，并确定其晶格常数。

据图可知: 826545321===θθθ，， 由布拉格方程:λθ

=sin 2d 可得晶面间距为：nm d nm d nm d 0777.00851.01090.0321≈≈≈，，

晶面夹角公式:222l k h a

d hkl ++=

可算得晶格参数为:1903.01702.01541.0321≈≈≈a a a ；；

11. 简述从X 射线衍射图谱中可以知道被检测样品那些结构信息？

X 射线衍射图谱具有3要素，衍射线的位置、强度以及线型，从这些要素中我们可以获得以下关于晶体信息：物相分析；点阵参数，膨胀系数测定；晶体取向和点阵畸变；多晶材料中的层错几率；晶粒尺寸和多晶织构；残余应力测定等信息。

12. 如果一个样品的X 射线衍射图谱中某个晶面衍射峰的2θ角比卡片值偏低，而衍射峰强度比卡片值明显偏高，说明该样品就有什么样

的结构特征？

2dsin θ=

λ，由于2θ值下降，因而晶面间距增大，原子固溶度增大，晶格发生畸变。(晶粒生长发生择优取向。) 射峰强度比卡片值明显偏高说明样品内存在宏观应力，晶格点阵发生畸变。

13. 如果要对样品中一块微区（微米量级）进行物相分析，可以采用哪些测试方法？如果对该微区进行化学成分分析，可用那些测试方法？ 微区物相分析：采用透射电子显微镜选区电子衍射分析方法；

微区进行化学成分分析：可采用电子探针EPMA 和俄歇电子能谱仪来进行测试分析。

14. 透射电镜的中间镜的作用有哪些？

① 成像作用：如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，在荧光屏上得到一放大像；

② 衍射作用：如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，在荧光屏上得到一电子衍射花样。

15. X 射线衍射与透射电子衍射产生的衍射条件有什么不同?适用范围有什么不同?

由于电子波长比X 射线波长小，由布拉格方程可知，电子的衍射角比X 射线的衍射角小，电子波波长很短，一般只有千分之几纳米，电子的衍射角θ很小（一般只有几度）。由于物质对电子的散射作用很强（主要来源于电子的散射作用，

远强于物质对X 射线的散射作用），因而电子（束）穿进物质的能力大大减弱，电子衍射只适用于材料表层或薄膜样品的结构分析。X 射线衍射能准确的测定晶格常数，透射电子衍射的优势在于微区结构的测量。

16. 爱瓦尔德球是如何建立的？用爱瓦尔德球说明电子束[uvw]对于晶体（hkl ）晶面发生衍射的充分必要条件。

爱瓦尔德球的建立：

以晶体内一点O 为中心，以1/ λ为半径在空间画一个球，令电子束

沿AO 入射到达O ’点，在球上取一点G ，使O ’G=1/d ，若AO ’与AG

的夹角为θ，则满足布拉格衍射公式2dsin θ=λ，入射束用矢量k

表示，衍射束用矢量k ’表示，则有布拉格方程的倒易矢量形式

g hkl =k ’-k ，k ’与k 满足布拉格衍射方程；

晶面发生充分必要条件：

①满足倒易矢量方程g hkl = k ’-k ；

②矢量g hkl // N hkl ；

③AO ’=2/λ，O ’G=1/d

17. X 射线衍射与电子衍射有何异同点？

不同点：

a 、X 射线波长大，衍射角大，可接近90°，电子束波长小，衍射角通常小于90°；

b 、电子衍射采用薄晶样品，会使点阵在倒易空间里沿厚度方向拉伸成杆状，增加倒易点阵与反射球相交的机会，使略偏离布拉格衍射角的电子束也能发生衍射；

c 、电子波长较小，反射球半径很大，在衍射角范围内的球面可看成平面；

d 、晶体对电子的散射能力强于对X 射线的散射能力，衍射强度高；

e 、电子衍射只使用非常薄或微细粉末样品，而X 射线衍射对样品的要求较低、

相同点：都需要满足布拉格衍射条件才能发生衍射，都可以进行物相的鉴定，电子衍射的精度更高。

18. 什么是晶带轴定理？求（002）和（1-10）晶面的晶带轴[uvw]？

晶带轴定理：在统一晶带（uvw ）中，各晶面（HKL ）中的法线及各晶面对应的倒易矢量

'h k l g 与晶带轴h k l g 垂

直，即：

0'=++=?Lw Kv Hu g g hkl hkl

19. 倒易点阵与正点阵之间存在何种关系，倒易点阵与晶体电子衍射斑点之间有何对应关系？

倒易点阵与正点阵之间的关系：

a 、 正基矢与倒易基矢处于完全对称的地位，因此正空间与倒易空间是互为倒易关系，有下式：

b、正空间和倒易空间的单晶胞体积也互为倒数，那么有V=1/V’

c、倒易矢量垂直于对应指数的晶面，

d、倒易矢量的模等于1/d hkl,晶面间距等于倒易矢量的倒数d hkl=g hkl

倒易点阵与晶体衍射斑点之间的对应关系：电子衍射斑点是与晶体相对应的倒易点阵中某一截面上阵点排列的像，倒易矢量投影后的之间的夹角、对称性、比例都保持不变，且存在关系Rd=Lλ

20.分析倒易点阵为面心立方和体心立方，其对应的正点阵的晶体结构点阵类型是什么？

倒易空间为面心立方对应正点阵为体心立方；倒易点阵为体心立方对应的正点阵的晶体结构为面心立方。

21.下图是单晶体、多晶体和非晶体的电子衍射花样，选择对应结构类型的电子衍射花样，并说明原因。

(a) (b) (c)

a、多晶体。多晶体中包含了众多的晶粒，结晶学取向在三维空间是随机分布的，同名晶面族对应的倒易点阵在倒易空间中的分布是等几率的，无论电子束沿任何方向入射，同名晶面族对应的倒易点阵与反射球面相交的轨迹都是一个圆环形，由此产生的衍射束均为圆形环线。

b、非晶体。由于单个原子团或多面体的尺度非常小，其中包含的原子数目非常少，倒易球面也远比多晶材料的厚。所以，非晶态材料的电子衍射图只含有一个或两个非常弥散的衍射环。

c、单晶体中晶体学取向是固定的，每个晶面族对应的倒易点阵在倒易空间中的都有对称的点阵，与反射球面相交后的轨迹都是有规则的点，因此产生的衍射束为花样斑点。

20. 下图是用熔胶-凝胶法制备的二氧化钛薄膜（TiO2），从初始状态（As-prepared）到温度800℃一个小时保温处理后的X射线衍射图，分析二氧化钛薄膜结构随温度变化的规律。（TiO2金红石结构---rutile，TiO2锐钛矿结构--- anatase）

分析：初始状态下溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜为非晶状态，X射线衍射表现出馒

头状的衍射峰，300℃时仍然为非晶状态；400℃保温1小时后出现了轻微的衍射峰，

说明非晶态的TiO2开始结晶；500℃保温后锐钛型TiO2相应晶面的衍射峰以开始形

成；600℃保温后，锐钛型TiO2衍射峰型已基本形成，但并未出现金红石结构TiO2；

700℃后形成了尖锐的锐钛型TiO2衍射峰型，非晶型TiO2已全部转化完毕，并出现

金红石结构TiO2的衍射峰；800℃热处理后，锐钛型TiO2全部转化为金红石结构

TiO2，使得其结构排列越来越规整，X射线衍射显示为全部的金红石结构TiO2的

衍射峰。

21.上题中如果对二氧化钛薄膜做进一步出分析,应该选用怎样实验测试分析方法:(a) 对二氧化钛的晶化点做出精确测定；(b) 对二氧化钛结构形态进行测试分析；(c) 对二氧化钛的界面结构进行分析；(d) 对二氧化钛做组态分析

（a）X射线衍射分析

（b）透射电镜分析

（c）扫描电镜分析

（d）X射线光电子能谱分析法（XPS）（!!!!!不确定）也有说电子探针显微镜分析（EPMA）

22.用已学过的实验方法设计试验方案，说明晶化点为300℃的非晶块体样品的结构变化规律。

方案设计：

a、将若干样品在300℃下保温不同时间，得到不同晶化程度的试样

b、将这些试样做成符合X射线衍射要求的粉末，把这些试样粉末在低于300℃退火后进行XRD衍射实验，并与100%结晶度的样品的衍射谱线进行对比，计算出在结晶度、拟合出结晶度与保温时间之间的关系曲线。

c、将一定结晶度的试样减薄后进行TEM分析，观察结晶区与非结晶区的界面，分析结晶区与非结晶区的关系，并对结晶区进行电子衍射。

23.能谱仪和波普仪工作原理是什么？在做成分分析的时候哪一种测试方法的分辨率高一些？

①能谱仪工作原理：能谱仪是利用不同X射线光子能量特征能量不同这一特点来进行成分分析、具体工作原理如下：能谱仪主要器件为

锂漂移硅Si（Li）检测器，当X光子进入检测器后，在Si（Li）晶体内激发出一定书目的电子-空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量ε是一定的，因此由一个X射线光子造成电子-空穴对的数目为N，N=△E/ε，X射线光子能量不同，N也不同，再利用偏压收集电子-空穴对，并转换成电流脉冲，把脉冲电流分类计数，这样形成特征的脉冲对应特征能量的X射线，就可以描出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。

②波谱仪工作原理：特征X射线具有特征的波长，照射到分光晶体上时，不同波长的特征X射线将在各自满足布拉格方程的2dsinθ=

γ条件下发生衍射，接收器接受后便可记录下不同种类的特征X射线参数。

③做成分分析时：波谱仪的分辨率要高一些，能谱仪给出的波峰比较宽，容易产生重叠

24.透射电镜的衍射衬度原理是什么？作图分析明场像与暗场像的原理。P169

衍射衬度原理：由于各处晶体取向不同和晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下面有不同的电子束强度，从而在试样之下形成一个随位置而异的衍射衬度。

图1 明场像图2暗场像明场成像是投射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到的图像衬度的方法，而暗场成像就是把入射电子束方向倾斜2θ角度，使B晶粒的hkl晶面组处于强烈衍射的位向，而物镜光阑仍在光轴位置，此时只有B晶粒的hkl的衍射束正好通过光阑孔，而投射束被挡掉。

25.X射线光电子能谱分析和X射线荧光光谱分析的基本原里有哪些不同?分别有怎样的适用性？

光电子的能量分布曲线：采用特定元素某一X光谱线作为入射光，实验测定的待测元素激发出一系列具有不同结合能的电子能谱图，即元素的特征谱峰群；

应用：(1)元素定性分析(2)元素定量分析(3)固体化合物表面分析(4)化学结构分析

X射线荧光分析：X射线照射下脱离原子的束缚，成为自由电子，原子被激发了，处于激发态，这时，其他的外层电子便会填补这一空位，也就是所谓跃迁，同时以发出X射线的形式放出能量。

应用：（1）定性分析；（2）定量分析；（3）可测原子序数5~92的元素，可多元素同时测定；

26.原子光谱分析和分子光谱分析有什么区别?吸收光谱分析和发射光谱分析有什么区别?

原子光谱分析：由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。

分子光谱分析：由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱。

吸收光谱分析：当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E = hv的关系时，将产生吸收光谱。

发射光谱分析：通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。

27.红外光谱和拉曼光谱有何区别?在分析样品时如何选择测试方法?

两者的本质区别是：红外是吸收光谱，拉曼是散射光谱;拉曼光谱与红外光谱两种技术包含的信息量通常是互补的。此外，两者产生的机理不同，红外容易测量，而且信号好，而拉曼的信号很弱。

有机化合物的结构鉴定常用红外光谱，通过分析试样的谱图以及与标准谱图对照，就可以准确地确定化合物的结构。通常拉曼光谱可以进行半导体、陶瓷等无机材料的分析。如剩余应力分析、晶体结构解析等。

28.原子力显微镜（AFM）和隧道扫描显微镜（STM）的工作原理有什么不同？

AFM的工作原理是利用原子之间的范德华力的作用来呈现样品的表面特征，而STM的工作原理是基于量子力学的隧道电流效应，通过一个由压电陶瓷驱动的探针在物体表面作精确的二位扫描，通过隧道电流的变化来得到表面起伏情况。

29.在微米或纳米量级上观察样品的表面形貌可以用什么方法？

在微米量级省可采用SEM和光学显微镜观察。

在纳米量级可采用SEM、TEM、AFM、STM等方法进行观察

30.两块不锈钢板A和B用亚弧焊焊接在一起，A为1Cr18Ni9Ti，B为1Cr18Ni9，在使用了一段时间后，发现某一块板离焊缝一段距离

处出现锈迹。

（1）设计试验方案分析不锈钢板失效的原因（说明实验方法，基本步骤，拟得到的实验结果及分析）

（2）提出解决方案

（1）设计试验方案分析不锈钢板失效的原因（说明实验方法，基本步骤，拟得到的实验结果及分析）

a、仔细取样a、

b、c和d点，磨制金相试样；观察金相试样a、b和d点相差不大，但c点金相观察中在晶界出现析出物。

b、用电子探针显微分析（EPMA）对析出物和基体进行成分定点分析；

结果表明a处的Cr百分含量为18.6%，略有上升；b处的Cr百分含量为17.4%，略有下降；C处的Cr百分含量为12.5%，明显下降；d处的Cr为18.3%，略有上升；晶界析出物Cr百分含量高达86.5%。

c、用透射电镜（TEM）对析出物进行选区电子衍射分析确定析出物的类型和结构。

d、分析晶间腐蚀的原因

综合前三个步骤的结果得出，两块不锈钢利用氩弧焊后在焊缝的附近均出现了析出物，由成分检测可以推知，a处的析出物有可能是TinCm，而c点析出物是CrmCm。由于c点处于热影响区，大量析出了含Cr的碳化物所以Cr含量大大下降，因而不满足Tammann 定律即n/8定律，因而集体较其他化合物的电极电位低，在腐蚀过程中，基体中作为阳极被腐蚀。对于a点，由于含有稳定化元素Ti，因而TimCm首先析出，从而减少了Cr的析出，保证了耐腐蚀性能。

e、确立腐蚀类型

可以推知，在热影响区附近腐蚀模型为晶间腐蚀，在焊接后冷却过程中在晶界中析出大量含有Cr的碳化物，形成贫铬区，从而引起晶界的电位下降，晶界、境内的电位差增大，因而引起晶间腐蚀。

（2）提出解决方案

对于不锈钢板B，加热到1000~900℃之间进行淬火，然后在950~850℃之间进行退火处理，退火后需要快速冷却；对于不锈钢板A，加热到1100~1000℃之间进行淬火，然后在950~850℃之间进行退火处理，退火后缓慢冷却。

31．指出下列叙述中的错误，并予以改正：“对材料AmBn的研究方法是：用X射线衍射仪器对材料进行含量及显微组织形貌的测定；用扫描电镜对材料进行物相分析，确定其晶体学参数；用透射电镜对材料界面、结合组态进行测试分析”。

X射线衍射仪可以对材料进行物相分析，确定其晶体学参数，但无法对材料进行含量及显微组织形貌的测定；扫描电镜可以测定材料的显微组织形貌，但无法进行物相分析；透射电镜可以对材料的界面进行分析，但无法对材料的结合组态进行测试分析。

改正：对材料AmBn的研究方法是：用扫面电镜并配上能谱仪对材料进行含量及显微组织形貌的测定；用X射线衍射仪对材料进行物相分析，确定其晶体学参数；用透射电镜对材料界面进行测试分析；采用X射线光电子能谱分析法对材料的结合组态进行测试分析。

32．实验室有X射线衍射仪器, 扫描电镜, 电子探针、透射电镜、X射线光电子能谱仪和差示扫描量热仪等测试仪器，现对非晶块体材料AmBn进行分析：（a）AmBn热稳定性分析；（b）结构分析；（c）物相分析。试确定实验方案，并指出分析目的。

（a）差示扫描热议：定量测定多种热力学和动力学参数；

（b）透射电镜：目的是对材料的晶体结构进行分析；

（c）X射线衍射仪：目的是确定其晶体学参数。

33. 如何对重量为5克的24k金首饰进行无损真伪鉴定，写出检测方案和步骤。

无损验证真伪：电子探针面扫描、波谱仪、JF330固体材料密度测量仪

①用电子探针对样品表面做光栅式面扫描，以金元素为特定元素的X射线的信号强度，以阴极射线荧光屏的亮度，获得该元素的质量分数分布的扫描图像。

②用波谱仪做定量分析，被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光，即相同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2θ方向上被检测器接收。

③用固体材料密度测量仪测样品的密度，在已知蒸馏水密度的条件下，根据浮力定律能够测量该固体材料的密度。

实验过程：用超声波清洗机除去样品表面杂质后，使用波谱仪定量分析获得样品表面金的百分含量，再用密度法检测样品的密度，从而估计内部金的纯度以防该样品是镀金制品。

34．结合自己的研究方向说明在进行材料研究时应该如何确定最佳的实验方法。

1）根据检测样品的要求：定性检测or定量检测

2）根据结构特点：物相组成or相结构or晶格参数or晶格位向or晶粒尺寸or晶体取向or晶格畸变or固溶程度

3）根据成分特点：元素相对成分or物相相对成分or元素的点、线、面分布or价态成分

4）根据研究目的：相变or扩散or过程or模型or组态