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1、第七章点阵常数精确测定 点阵常数是晶体的重要基本参数 随化学组分和外界条件 T P 而变 材料研究中 它涉及的问题有 键合能 密度 热膨胀 固溶体类型 固溶度 固态相变 宏观应力 点阵常数的变化量很小 约为10 3nm 必须精确测定 任何一种晶体材料的点阵常数都与它所处的状态有关 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 这种点阵常数变化是很小的 通常在10 5nm量级 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 精确测定点阵参数的物理应用 1 测定热
2、膨胀系数 2 计算材料的真实密度 3 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 5 完善更合理的键能概念 6 完善相平衡图 7 测定材料中的应力 8 过饱和固溶体分解过程 9 固相溶解度曲线的测定 晶体热膨胀系数的测量 7 1基本原理7 2点阵常数测定中的误差来源7 3测定方法7 4点阵参数精确测定的几个应用 7 1基本原理 sin 关系曲线 X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对应的 角 然后通过晶面间距公式 布拉格公式计算出点阵常数 在式中 是入射特征X射线的波长 是经过精确测定的 有效数字可达7位数 对于一般分析测定工作精度已经足够了 干涉指
3、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sin 点阵参数测量精度与 和 的关系 当 一定时 采用高 角的衍射线 面间距 或者立方系物质的点阵参数 误差将减小 因此 选择角度尽可能高的线条进行测量 7 2误差来源 相机半径 底片伸缩 试样偏心 试样吸收 7 2 1德拜照相法 总体可写为 90 对于立方晶系 当 角接近90 接近0 sin cos 1 简化可得 1 平板试样的误差 2 试样表面离轴误差 3 试样透明度误差 4 轴向发散误差 7 2 1衍射仪法 综合上述四种系统误差 可得 a 水平发散度 s 试样表面离轴距离 R 测角仪半径 m 试样的线吸收系数 d1和d2 入射线和衍射
4、线光路的有效发散角 其中 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 2 角的驱动匹配误差 3 计数测量系统滞后的误差 4 折射校正 5 温度校正 7 3消除误差的方法 1 外推法 2 Cohen最小二乘法 3 标准样校正法 所谓外推法消除系统误差 就是将由若干条衍射线测得的点阵常数 按一定的外推函数f 外推到 90 这时系统误差为零 即得到精确的点阵常数 7 3 1外推法 如何外延 曲线外推 通常引入人为主观因素 直线外推 效果好 若用a0表示点阵常数精确值 则实测的点阵常数a为 外推法在衍射仪法精确测定点阵参数步骤 1 峰位的精确测定测角仪零点校正50o 小Slit St
5、epScan 小Step 0 01o 长S T 2 5S 峰顶计数 104 数据处理 背底 平滑 峰位确定方法校正 折射 温度系统误差外推函数的选择计算 Cohen法是在sin2 的基础上应用最小二乘方原理求点阵常数的精确值 7 3 2Cohen最小二乘法 最小二乘法原理 要求 有最小值 于是 布拉格方程 取对数 微分 实验测量值 未知参数 A D 应用最小二乘法可得 a0 3 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 7 3 3衍射线对法 系统误差在差减中
6、消除一般 q 500 2d 2q2 2q1 300 7 4点阵参数精确测定的应用 固溶体类型与组分测量钢中马氏体和奥氏体的含碳量外延层和表面膜厚度的测定相图的测定 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 它们溶解于作为溶剂的金属中 将使基体的点阵参数增大 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 7 4 1固溶体的类型与组分测量 1 类型鉴别 例如 碳在g铁中使
7、面心立方点阵参数数增大 又如 碳在a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 可以初步判断固溶体的类型 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 Vegard 定律 式中 aA和aB分别表示固溶体组元A和B的点阵参数 因此 测得含量为x的B原子的固溶体的点阵参数ax 用上式即求得固溶体的组分 实验表明 固溶体中
8、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得固溶体的组分 2 组分测量 或者 7 4 2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 015xc 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可确定马氏体的含碳量与马氏体的四方度c a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
9、表现出衍射线的宽化 只有当含碳量高于0 6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 7 4 3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 当我们精确地测出了有外延层与无外延层的衬底某 高角衍射线峰位差后 就可以算得出层厚或膜厚s 7 4 4相图的测定
10、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性 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 因为不同温度相的成分不同 而不随合金的成分变化 因为合金的成分仅决定合金中双相的相对数量 因此 在同一温度下某一相的点阵参数在单相区和双相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 极限溶解度 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 习题 使用CuK 1辐射 1 540596 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 准确到四位有效数字 H2 K2 L2sin2 380 9114400 9563410 9761420 9980
