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实验讲义-2009级a
材料科学专业实验（适用专业：材料物理、材料化学）四川大学材料科学与工程学院材料科学系2006 年 7 月目录实验一 利用 X 射线衍射仪进行已知物相定性分析?????????????????2 实验二 利用 X 射线衍射仪进行物相的定性和定量分析?????????????? 12 实验三 用多晶衍射法测定晶体结构?????????????????????? 17 实验四 晶粒尺寸的测定???????????????????????????21 实验五 转动晶体相的分析??????????????????????????25 实验六 用劳埃法测定单晶体的取向??????????????????????33 实验七 用直接对比法测定钢中残余奥氏体含量?????????????????40 实验八 金相显微镜的操作与金相磨片的制备??????????????????43 实验九 氯化钠晶体的位错蚀坑观察??????????????????????52 实验十 铁碳合金平衡组织的观察???????????????????????55 实验十一 金属材料硬度的测试及碳钢热处理??????????????????58 实验十二 铸铁显微镜的观察?????????????????????????63 实验十三 铜及轴承含金显微组织的观察????????????????????65 实验十四 钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁电陶瓷粉体预烧?????????????67 实验十五 钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁 电陶瓷的成型烧结???????????69 实验十六 钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁电陶瓷的极化??????????????71 实验十七 钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁电陶瓷的电学性能测试??????????73 实验十八 半导体薄膜的电学性质测试?????????????????????75 实验十九 光电器件光谱响应的测试??????????????????????80 实验二十 电子束蒸发设备制备薄膜??????????????????????85 实验二十一 光生伏打效应的定量观测?????????????????????89 实验二十二 化学沉淀法制备微粉???????????????????????93 实验二十三 溶胶凝法制钡钛酸锶钡??????????????????????97 实验二十四 原子力显微镜（AFM）表面形貌表征实验???? ??????????99 实验二十五 循环伏安法实验?????????????? ?? ??? ?? ??103 实验二十六 化合物半导体材料的结晶纯化实验 （A、 ?????????? ????106 B） 实验二十七 固体乙醇的制备和燃烧表征 ?????????????? ?????1101实验一 利用 X 射线衍射仪进行已知物相定性分析一、实验目的1.熟悉 DX-1000 型 X 射线衍射仪的基本结构和工作原理 2.基本学会样品测试过程 3.掌握利用衍射图进行物相分析的方法二、实验原理1.射线衍射仪的基本结构（图附后）X 射线衍射仪一般由 X 光源，测角仪，计数器，数据处理系统组成。 ①.X 光源 封闭式 X 射线管实质上就是一个大的真空（10-5--10-7mmHg）二极管。基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射 X 射线的地方。 (3)窗口：窗口是 X 射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)焦点：焦点是指阳极靶面被电 子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出 X 射线。图 1 X 射线管结构图 ②.测角仪 测角仪是各种型号衍射仪的重要组成部分。 测角仪的制造原理主要根据一种经常变 化的聚焦园原理设计成的。其聚焦园半径 r 是入射θ 角的函数 r=f(θ )=R/2sinθ 式中 R 是测角仪半径。 根据聚焦原理，测角仪必须满足下列条件才能工作： A）射线管的焦点，样品的表面，接受狭缝必须在同一衍射聚焦园上，样品表面必 须与测角仪主轴中心共面。 B） 样品表面应该是平的，主转动时必须始终和聚焦园相切。 本仪器采用高精度测角仪，来准确快速的确定转动的角度。2图 2 测角仪构造示意图③.计数器 DX-1000 型衍射仪采用的是正比计数探测器。 ④.数据收集与处理 1）DX-1000 的控制软件可完成数据采集，自动批处理数据采集。可进行 2Theta 轴单动 pTheta 轴单动pTheta-2Theta 联动，扫描模式为 step 或 continuous。 2）利用 JADE5 软件对原始数据进行自动物相鉴定，可对数据进行分峰，拟合，平滑处 理，多种数据校正模式。可进行晶粒大小及结晶度的测定，自动生成物相鉴定报告，三维 图形显示。2、实验条件的选择①.X 光管靶材料的选择 用于粉末晶体衍射所用射线波长一般选用 0.5A。-2.5A。这是因为： （1）该波长范围与晶体点阵的面网间距大致相当。 （2）波长增加，样品和空气对射线的吸收越来越大。 （3） 波长太短，衍射线条过分集中在低角度区，还可能造成荧光辐射按上述原则，规 律为：Z 靶&Z 试样+1（Z 为原子序数） 。 ②.X 光管的管压和管流的选择 X 射线中特征和连续波是随管压增大而增大的，这样连续波不易被滤波片滤掉，因此 选择合适的管压，K 系特征 X 射线的强度与管电压管电流的关系： I 特=K2i(V-Vk) K2,n 为常数 i-管电流，V 和 Vk-分别为工作电压和 K 系激发电压。 另外管压管流的乘积不得超过 X 光管额定功率。 ③.滤波片的选择 特征谱是由 Ka,Kβ 组成，我们需要 Ka 滤去 Kβ 线。对滤波片的选择就是它的 K 吸收限 刚好位于 Ka Kβ 之间并尽量靠近 Ka。 ④.狭逢参数的选择 X 射线衍射仪光路中有五只狭缝：梭拉狭缝（两只） ，发散狭缝，散射狭缝，接受狭缝。 梭拉狭缝是固定的。我们要选择的另三种狭缝： （1）梭拉狭缝是用来限制 X 光垂直发散度，梭拉狭缝发散度的大小对强度和分辨率 都有很大影响。 （2）发散狭缝是用来限制样品表面初级 X 射线水平发散度，加大狭缝，分辨率降低3但强度增加。 （3）散射狭缝用来减少非相干散射及本底等因素造成的背景，提高峰背比，它与发 散狭缝配对使用，使用相同角度。 （4）接受狭缝是用来限定进入探测器的 X 衍射线的。它位于衍射线的焦点。测量时 如果主要为了提高分辨率，应该选择较小的接受狭缝。如果为了提高衍射强度，则应加 大接受狭缝。图 3 狭缝示意图 ⑤.时间常数，扫描速度选择 时间常数的选择对实验的影响较大，时间常数的增大导致衍射峰高下降，线形不对称 （向扫描方向拉宽）以及峰形向扫描方向移动。这种线形崎变和峰顶移位均对测量结果带 来不利影响。为了提高测量的精确度一般希望选择小的时间常数，但选择时间常数过小会 造成衍射峰线毛刺，要选择合适常数扫描速度的选择与时间常数相似，为了提高测量精确 度，选择较小的扫描速度。三、实验步骤1、样品制备A 粉末样品制备： （1）将被测样品在研钵中研至 200-300 目。 （2）将中间有浅槽的样品板擦干净，粉末样品放入浅槽中，用另一个样品板压一下， 样品压平且和样品板相平。 B 固体样品制备： X 光线照射面一定要磨平，大小能放入样品板孔，样品抛光面朝向毛玻璃用橡皮泥从后 面把样品粘牢，注意勿让橡皮泥暴露在 X 射线下，以免引起不必要干扰。2、在 DX- 的数据采集中编好测试程序（如图 4） 。 3、选择好测量条件后，开始采集数据，并将采集的数据保存。然后进行 数据处理并打印出衍射谱图。四、实验内容1.X 射线的物相分析⑴、材料的定性物相分析，就是要确定材料含有什么物相。由衍射原理可知，物质的 X 射线衍射花样与物质的内部晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数4图 4 数据采集设置图 （包括晶体结构类型，晶胞大小，晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等） ，因此，没有 两种结晶物质会给出完全相同的衍射花样。所以，根据某一待测样品的衍射花样，不仅可 以知道物质的化学成分，还能知道它们的存在状态，即能知道某元素是以单质存在或者以 化合物、混合物及同素异构体存在。当试样为多相混合物时，其衍射花样为各组成相衍射 化样的叠加。 显然， 如果事前对每种单相物质都测定一组面间距 d 值和相应的衍射强度 （相 对强度） ，并制成卡片，那么在测定多相混合物的物相时，只需将待测样测定的一组 d 和对 应的相对强度，与某卡片的一组 d 和相对强度进行比较，一旦其中的部份线条的 d 和 I/I1 （相对强度）与卡片记载的数据完全吻合，则多相混合物就含有卡片记载的物相。同理， 可以对多相混合物的其余相逐一进行鉴定。 ⑵、定性分析举例（PDF 卡片介绍参见附录） 单相物质的定性分析：如待分析试样为单相，在不知元素的情况下可用 hanawalt 索引 或 Fink 索引进行分析。例如，现有一待测试样，用 CuKα 辐射对它进行摄照，得到的数据 列入表 1-2 中，现确定其物相。由表可见三强线为 d1=2.02Ao，d2=2.15Ao 和 d2=3.58Ao，用 Hanawalt 索引之后，发现最强线面距位于 2.64~2.58Ao 一组中，再核对 dz 值，发现 d1 和 d2 都吻合的有表 1-3 所列的三种物质。但这三种物质中只有 Cd4Sb3 的 d3 与实验值相吻合，故 可初步认为待分析样品为 Cd4Sb3。 根据索引书记载 Cd4Sb3 的索引号 23-82， 再从第 23 组粉未 衍射卡片中找 82 号卡片，就可查到 Cd4Sb3 的数据，结果列入表 1-4 中。将表 1-2 和表 1-4 的数据进行比较，即可作出待分析样为 Cd4Sb3 的结论。 已知物相的定性分析：当被分析试样的化学成分或可能出现的物相已知时，为了确定 在一定的工艺条件下该物相是否存在，可用字母索引进行物相鉴定，例如，现分析 45*钢齿 轮在离子氮化过程中表面生成的粉状沉积物，所得实验数据和分析结果列入表 1-8 中。根 据离子氮化原理，工件在氮氢离子的高速轰击下，可能溅射出 Fe、C 等原子，Fe 原子与氦 原子结合成 FeN， 并在高温和离子轰击下发生以下分解过程： FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N。 所以， 上述几种铁的氮化物相和α -Fe 都是可能出现的物相。另外，好子密封性不好，还将出现铁 的氧化物。因此，可以根据铁的英文单调 Iron 在索引中查到以下数据： ★ Iron:/Iron Syn (a-Fe)2B 2.03x 1.173 1.432 6-6965I Iron Nitride: (Fe3N)N 2.09x 2.193 1.613 1-1236 ○ Iron Nitride: Fe3N-Fe2N 2.34x 2.19x 2.06x 3-925 I Iron Nitride: (Fe4N)4.25C 2.19x 1.903 1.347 6-627 I Iron Nitride: (FeaN)120 2.11x 1.633 2.212 6-656 ★ Iron Oxide/Magnetite Syn(Fe3O4)56F 2.53x 1.494 2.933 19-629 根据上列卡片号找出卡片，再将卡片上的数据与实验数据反复对比，最后得出的结果 见表 1，即表面粉状况积物中含有 a-Fe、Fe2N 和 Fe2O4。 表 1 离子氦化表面粉状沉积物物相鉴定 粉末衍射卡片值 实测值 a-Fe Fe2N o o d(A ) I/I1 d(A ) I/I1 d(Ao) I/I1 3.00 &10 2.52 50 2.36 40 2.34 100 2.18 60 2.19 100 2.11 20 2.08 60 2.06 100 2.02 100 2.026 100 1.73 70 1.60 90 1.59 100 1.51 30 1.43 10 1.443 19 1.26 10 1.24 70 1.23 100 1.19 20 1.17 20 1.17 30 1.17 60 1.15 30 1.15 100 1.13 70 1.13 100 1.11 &10 1.10 60 1.08 70 1.09 60 1.04 90 1.02 10 1.03 80 1.01 10 1.013 9线 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23Fe3O4 d(Ao) I/I1 2.97 28 2.53 1002.10321.71 1.61 1.48 1.2716 64 40 801.11 1.09 1.0410 10 102、几点说明⑴、实验测定的衍射数据和粉末衍射记载的数据都有误差，这给物相鉴定带来困难。 因影响线条强度的因素复杂得多，故在分析时应更重视面间距数据的吻合。 ⑵、当混合物中某相的含量很少时，或某相各晶面反射能力很弱时，它的衍射线条可 能难于显现。因此，X 射线衍射分析只能肯定某相的存在，而不能确定某相的不存在。在钨 和碳化钨的混合物中，仅含 0.1%~0.2%钨时，就能观察到它的衍射线条；而碳化钨的含量在 不少于 0.3%~0.5%时，其衍射线条才可见。 ⑶、任何方法都有局限性，有时 X 射线衍射分析往往要与其它方法配合才能得出正确6结论。例如，合金钢中经常碰到的 TiC、VC、ZrC、NbC 及 TiN 等都具有 NaCl 结构，点阵常 数也比较接近，同时它们的点阵常数又因固溶其它合金元素而变化。在此情况下，单纯用 X 射线分析可能得出错误结论，应与化学分析、电子探针分析等相配合。五、要求1、在教师指导下学习制样，实验条件选取，实地学习多晶衍射仪的各结构单元的原理 及功能； 2、根据已制作的粉末衍射图谱和数据，采用数字索引，查找已知物相的 PDF 卡片，并 与实验所得的衍射数据进行对比分析，确定物相； 3、写出实验报告，报告中应着重对定性分析结果作出评价。图 5 仪器结构图7附录PDF 卡片介绍（1）卡片的由来 早在 1919 年 A. W. Hull 已经指出，可以用 X 射线衍射进物相鉴定，但 X 射线真正成为 一种常规的物相检测手段，是 1938 年以后的事情。1938 年 Dow 化学公司的 J. D. Hanawalt 等公布了他们摄制的上千种物质的衍射花样，并将其分类，给出每种物质三条最强线的面 间距索引 （称为 Hanawalt 索引） 1941 年美国材料试验协会 。 （The American Society for Testing Materials，简称 ASTM）提出推广，将每种物质的面间距 d 和相对强度 I/I1 及其他一些数据 以卡片形式出版（称 ASIN 卡） ，公布了 1300 种物质的衍射数据。以后，ASTM 卡片逐年增 添。1969 年起，由 ASTM 和英、法、加拿大等国家的有关协会组成国际机构“粉末衍射标 准联合委员会” 负责卡片的搜集、 ， 校订和编辑工作。 所以， 以后的卡片称为粉末衍射卡 （the Powder Diffraction File） ，简称 PDF 卡，或称 JCPDS 卡（The Joint Committee on Powder Diffraction Standards） 。目前 PDF 卡共搜集无机化全物 28×103 种，有机化合物 1×104 种， 且每年增补的卡片，无机化合物约 1.5×103 种，有机化合物种 5×102 种。 （2）卡片的形式和内容 粉末衍射卡的形式如图 1-1 所示，其中图（a）为一张空白卡片，图（b）为 CuSO4 的 卡片。 卡片中各栏的内容为： 1 栏：1a、1b、1c 分别列出德拜相上最强、次强、再次强三强线的面间距。1d 是试样 的最大面间距。 2 栏： 2a、 2b、 2c、 分别列出上述各线条以最强线强度（I1）为 100 时的相对强度 I/I1。 2d 3 栏：摄照时的实验条件。Rad-辐射的种类；A-波长；Filier-滤波片；当采用单色器时 写明“Mono” ；Dia-圆筒相机直径；Cut off-所用设备能得到的最大面间距；I/I1-测量线条相 对强度的方法；dcorr abs?-所测 d 值是否经过吸收校正。 4 栏：物质的晶体学数据。Sys-晶系；S、G-空间群；ao、bo、co-点阵常数，其中 A=ao/bo， C=co/bo；α 、β 、γ -晶轴间夹角；Z-单位晶（阵）胞中化学单位（对元素指原子，对化合 物指分子）的数目。 5 栏：光学性质数据。ε α 、nω β 、ε γ -折射率；Sing-光学性质的“正” （+）或“负” （-） ；2V-光轴间夹角；D-密度（如由 X 射线法测得者标以 Dx） ；mp-熔点；Color-颜色（如 Colorless 为无色） 。 6 栏：试样来源、制备方式、摄照温度等数据，有时也注明物质的升华点（SP） ，分解 温度（DT） ，转变点（TP） ，热处理等。 7 栏：物质的化学式及英文名称，在化学式之后常有数字及大写字母。其中的数字表示 单胞中的原子数，英文字母下面画一横线则表示布拉维点阵的类型。各个字母代表的点阵 是：G―简单立方；B―体心立方；F―面心立方；T―简单四方；U―体心四方；R―简单 菱方；H―简单六方；O 简单斜方；P―体心斜方；Q―底心斜方；M―简单单斜；N―底心 单斜；Z―简单三斜。810 D I/I1 Rad. Dia. I/I1 Ref. 1a 2a 1b 2b 1c 2c 1d 2d 7 8 dA I/I1 hkl dA I/I1 hklλ Filter Cut off Coll. 3 d corr. Abs.?Sys S.G. ao bo Co A a β γ Z Ref. 4 8a sign 2V D Ref. nω β mp 5 6C 9 ε γColor（a） 空白卡片12-779 d I/I1 2.62 100 4.20 55 3.55 55 4.20 55 CuSO4 COPPER (11) SULFATE (CHALCOCYANITE) dA 4.20 3.92 3.55 2.62 2.41 2.31 2.08 2.01 1.96 1.77 1.67 1.58 1.55 1.46 1.43 1.40 1.38 1.31 1.29 1.24 I/I1 55 4 55 100 40 10 6 4 12 35 10 14 8 2 25 4 12 4 2 2 hkl 101,200 011 111,210 121,220 002,301 102,221 202 031,410 022,321 222 040,421 103,402+ 141,240 213,422+ 303,600 042,341+ 033,242+ dA 1.2 1 1.1 8 1.1 5 1.1 0 1.0 7 I/I1 4 2 4 4 4 hklRad. Moka2 λ 0.709 Filter ZRO2 Dia. 16 INS. Cut off I/I1 CALIBRATED STRIPS Ref. H Sya. ORTHORHOMBIC S.G. PNMA (62) ao 8.39 bo 6.69 co 4.83 A 1.25 C 0.722 α β γ Z 4 Dx 3.90 Ref. KOKKOROS AND RENTZEPERIS, ACTA CRYST. 11 361 (1958) (SYNTHETIC) ε α 1.724 nω β 1.733 ε γ 1.739 sign2V LARGE d3.65 mp 650oDEC. Color GREEN; WHITE IF Ref. C., WA, D7 PUER ISOS TRUCTURAL WITH ZNSO4, α -CoSo4（b）CuSO4 卡片 图 I-I 粉末衍射卡片的形式98 栏：物质的矿物学名称或通用名称，有机物为结构式。本栏中若有“☆”号表明卡片 数据高度可靠；若有“O”号则表明其可靠程度较低；无标号者表示一般；有字母“i”者， 表示已指标化及估计强度，但不如有星号的卡片可靠；有“C”表示数据是计算值。 9 栏：面间距、相对强度及密勒指数。该栏中可能用到下列符号：b―宽、模糊或漫散 线；d―双线；n―并非所有资料上都有的线；nc―并非该晶胞所有的线；ni―对给定的单胞 不能标注的线；np―不为给出的空间群所允许的指数；β ―由于β 线的出现或重叠而使强 度不确定；tx―痕迹线；+―可能是附加指数。 10 栏：卡片序号。若某物质需要两张卡片，则第二张卡片在序号之后以小写字母 a 指 示。 各栏中的“Ref” ，均指该栏数据的来源。 三、卡片索引书 为了从几万张卡片中快速找到所需卡片，必须使用索引书。目前使用的索引有以下三 种编排方式： （1）Hanawalt 数字索引 该索引是将已经测定的所有物质的三条最强线的 d1 值从大到小按顺序分组排列，目前 共分 45 组。在每组内则按次强线的面间距离 da 减少的顺序排列。考虑到影响强度的因素 比较复杂。为了减少因强度测量的差异而带来的查找困难，索引中将每种和质列出三次， 一次将三强线以 d1d2d3 的顺序列出， 然后又在索引书的其他地方以 d2d3d1 和 d3d1d2 的顺序再 次列出。每条索引包括物质的三强线的 d 和 I/I1、化学式、名称及卡片的顺序号，例如在索 引书中可以查到： 2.28 1.50 2.28 1.50 2.28 1.49 2.27 1.49 1.78 1.35 1.10 1.07 100 100 100 100 100 35 100 60 70 35 100 60 Cs3Bi(NO2)6 Cesium Bismuth Nitrite MO2C Molybdemun Carbide Cs3Ir(NO2)6 Cesium Iridium Nitrite α -W2C Alpha Tungsten Carbide 2:1 2-8 2-4用数字索引进行物相鉴定的步骤如下： 1、摄照特测样品的衍射谱图； 2、确定衍射谱图上所有线条的相对强度 I/I1 和晶面间距 d，并选出前反射区（2θ &90o） 三条最强线； 3、根据最强线的面间距 d1，在数字索引中线到所属的组，再根据 d2 和 d3 找到其中的 一行； 4、 比较此行中的三条线， 看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。 d 和 I/I1 如 都基本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片载的这种物质； 5、根据索引中查找的卡片号，从卡片金中找到所需卡片； 6、将卡片上全部 d 和 I/I1 与未知物质的 d 和 I/I1 对比，如果完全吻合，则卡片上记载 的物质，就是要鉴定的未知物质。 应该指出，实验得出的 d 和 I/I2，与卡片上记载的数据可能有出入，这是由于实验条件 不同和测量准确度不同所造成。因影响强度的因素太多，在 d 和 I/I1 这两组数据中，应以 d 的吻合为主。 （2）Fink 数字索引 随着被测标准物质的增加，卡片数量增多，因此，用三强线检索时常得出多种结果。 为了克服这一困难，又出现 Fink 索引，并于 1960 年被 ASIM 采纳。该索引是用 8 强线循环10排列组成，故所占篇幅太大。1977 年产生了改进型的 Fink 索引，它仍以 8 强线作为一物质 的代表编制而成。不过，在 8 个 d 使用中 d1、d2、d3 和 d4 为最强线。然后再从剩下的线条 中按强度递减的顺序选出 4 个附于其后。每条索引的顺序是：随有强度脚标 8 个 d 值，化 学式，卡片编号，显微检索顺序号（72 年的索引书中才有显微检索顺序号） 。脚标标明的强 度分为 10 级，最强者为 10，以 X 标注，其余则直接标明数字。例如在索引书中可以查到： C 1.873 3.24x 2.897 1.453 1.322 0.972 0.871 1.081 (LaSb)8F 15-8931-71-DA ＊ 1.862 3.23x 2.286 1.442 3.721 1.611 1.321 1.081 KBr0.5Cl0.5 22-8001-CH ＊ 1.862 3.23x 2.286 1.442 3.731 1.321 1.611 1.951 K0.5Rb0.5Cl 22-1233 l-156-EI i 1.849 3.23x 3.129 2.688 1.918 1.658 2.466 2.426 RbVF4 22-1297 I-157-C3 为了减少因强度变化引起的检综困难，索引中，8 个 d 值除按 d1、d2、d3??d8 排列外， 还按 d2、d3??d7 和 d2、d4??d8 以及 d4、d5??d8 的顺序排列，即同一物质在索引中出现 4 次。 （3）Davey 字母索引 在不少物相分析工作中，被测物的化学成分或被测物中可能出现的相常常是知道的。 在此情况下，利用字母索引能迅速地检索出各可能相的卡片，使分析工作大为简化。 字母索引是按物质的英文名称的首字母的顺序编排的。在索引中每一物质的名称占一 行，其顺序是：名称、化学式、三强线晶面间距、卡片顺序号和显微检索顺序号（72 年的 索引书中才有显微检索顺序号） 。例如，在索引书中可以查到： ○ Oxide2 ★ Oxide2 Oxide2 ★ Oxide2 Iron Titanium Iron Titanium Iron Tungsten Iron Tungsten Fe4(TiO4)3 Fe2TiO4 (Fe2WO6)360 FeWO4 3.33x 1.81x 1.73x 13-270 I-53-C10 2.57x 1.515 1.644 18-658 I-94-C9 2.87x 3.532 1.663 20-539 I-122-B3 2.94x 4.693 3.756 21-436 I-134-F5无机字母索引由化学名称索引和矿物名称索引两部份组成。无论接物质的化学名称或 矿物名称均可查出卡片编号。 应用字母索引进行物相鉴定的步骤为： 1、根据被测物质的衍射谱图，确定各衍射线的 d 值及其相对强度； 2、根据试样成分和有关工艺条件，或参考有关文献，初步确定试样可能含有的物相。 按照这些物相的英文名称，从字母索引中找出它们的卡片号，然后从卡片盒中找出相应的 卡片。 3、将实验测得的面同距和相对强度，与卡片上的值――对比，如果某张卡片的数据能 与德拜相上的某一组数据吻合，则待分析样中含有卡片记载的物相。同理，可将其他物相 ― ―定出。11实验二利用 X 射线衍射仪进行物相的定性和定 量分析一、实验目的1、了解定量分析的原理和方法； 2、学会如何对未知物相的样品进行定性和定量分析； 3、练习用 PDF（ASTM）卡片及数值索引对多相物质进得定性相分析。二、实验原理1、定性分析原理材料的定性物相分析，就是要确定材料含有什么物相。由衍射原理可知，物质的 X 射 线衍射花样与物质的内部晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数（包括晶体 结构类型，晶胞大小，晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等） ，因此，没有两种结晶物 质会给出完全相同的衍射花样。所以，根据某一待测样品的衍射花样，不仅可以知道物质 的化学成分，还能知道它们的存在状态，即能知道某元素是以单质存在或者以化合物、混 合物及同素异构体存在。当试样为多相混合物时，其衍射花样为各组成相衍射化样的叠加。 显然，如果事前对每种单相物质都测定一组面间距 d 值和相应的衍射强度（相对强度） ，并 制成卡片，那么在测定多相混合物的物相时，只需将待测样测定的一组 d 和对应的相对强 度，与某卡片的一组 d 和相对强度进行比较，一旦其中的部份线条的 d 和 I/I1（相对强度） 与卡片记载的数据完全吻合，则多相混合物就含有卡片记载的物相。同理，可以对多相混 合物的其余相逐一进行鉴定。2、定量分析原理物相定量分析的根据是：各相衍射线的强度，随该相的含量增加而提高。但由于试样 对 X 射线的吸收，使得&强度&并不正比于'含量&，须加以修正。 采用衍射仪测量时，单相多晶体的衍射强度公式为：式中 μ l 为样品的线吸收系数。 上式本来只适用于单相物质，稍作修改，则亦可用于多相试样。设样品是由 n 个相组 成的混合物，其线吸收系数为 μ ，因为各相的 均不相同，故当其中某一相(第 j 相)的含量 改变时，μ 亦将随之改变。若 j 相的体积百分数为 fj ,又如令试样被照射的体积 V 为单位 体积，则 j 相被照射的体积为 vj=fjV=fj。当混合物中 j 相的含量改变时，强度公式中除 fj 及 μ 外，其余各项均为常数，它们的乘积可用 cj 表示之。这样，第 j 相某根线条的强度 Ij 即可比表示为：12将ｊ相某根线条的强度跟该相的重量百分数及混合物质量吸收系数联系起来由此得定量分 析的基本公式如下；这就是多相试样中任一相含量与该相某一衍射线 (hkl) 的强度关系的基本公式。3、定量分析方法介绍（K 值法）由K值法基本公式：xi=xs?(Ii/Is)?1/Ki，设一个二元系统的两相物质的质量分数为x1和 x2，则有： x1 + x2 =1 (1) I1/I2=K1/K2?(x1/x2) (2) 解方程式（1）、（2）得： x1=1/（1+ K1/K2?I2/I1）。 因此，根据两相最强衍射线的强度比，很容易计算出二元系统的相组分含量。 同理，我们可以推导出含n个物相的混合物中任一i相的xi。xi ? 1 Ki Ii?Ki ?1nIii因此，在得到各组分的参比强度Ki后，直接利用混合物各物相的X射线衍射线强度数据Ii 就可计算各组分的质量分数xi。 K值法是研究和应用得最多的一种定量分析方法，因为K值法可用于任何一个多相混合物 的物相定量分析。该方法不需要配制一系列内标标准物相和绘制标准工作曲线，扩大了应用 范围，因此，该法是目前国内外用得最多的一种方法，并大都取得了比较好的效果。目前许 多物质的参比强度已经测出，并以I/Ic的标题列入PDF卡片中，该数据均以α -Al2O3为参比物 质，并取各自最强线计算强度比。该法与内标法一样，要求测定参比强度时，每种待测物相 的纯物质要与参比物质1:1混合方可测定其参比强度Kc ，所以，在许多PDF卡片上都没有I/Ic 的数据，这就给用K值法进行定量分析带来困难，限制了该法的应用范围。 我们介绍一种利用电子版PDF卡片库所收集的大量理论计算值的PDF卡片上所列I/Ic数据 来进行定量分析。首先，对待测样品进行定性分析，找出样品所含物相的标准PDF卡片，如果 找出的卡片上没有I/Ic数据， 则根据卡片所列物相在电子版PDF卡片库里找出与该物相相同的 计算值卡片，从而得到I/Ic数据（计算值卡片上均载有I/Ic数据）。三、实验数据的获取1、试样衍射仪一般采用块状平板试样，它可是整块的多晶体，亦可用粉未压制，金属样可从 大块中切割出合适的大小（例如为 18×20mm） ，经砂轮、砂纸磨平再进行适当的侵蚀而得。13分析氧化物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 用细砂纸轻轻磨去氧化皮） 。 粉未样品应有一定的粒度要求，颗粒大小在 1-10μ m 数量级（粉未过 200~325 目筛子） 即合乎要求，否则强度的再现性差。根据粉未的数量可压在玻璃制的通框或凹框中。压制 时一般不加粘结剂，所加压力以使粉未样品粘牢为限。压力过大可能导致颗粒的择优取向， 当粉未数量很少时，可在平板玻璃片上抹上一层凡士林，再将粉未匀均撒上。2、测试参数的选取获取衍射谱图前，须确定实验参数，如对 X 射线发生器有：X 管阳极种类、滤波片、管 压、管流，测角仪上的参数有：发散狭缝（DS） 、防散射狭缝（SS） 、吸收狭缝（RS） 、扫描 方式、扫描速度等。若使用单色器，还要考虑单色器的选取条件，记录系统的参数有：脉 冲高度分析器的基线、道宽、计数率仪的满量程（CPS） 、时间常数（0.1S, 0.2S??）等。 按实验一所介绍的方法设置好测量参数，进行数据采集。四、多相物质的定性分析举例多相物质的定性分析：当待分析样品为多相混合物时，根据混合物的衍射花样为各相 衍射花样的叠加，也可对物相逐一进行监定，但手续比较复杂。现测得待测试样的衍射数 据见表 2-4，其三强线为 d2=2.09Ao，d2=2.47Ao，d3=1.80Ao，查 Hanawalt 索引时，d2 位于 2.15-2.09Ao 一组中， 从中可以找到若干种物质的 d2 接近 2.47 Ao ， 但它们的 d3 都不等于 1.80 o A ，这说明待分析样品可能由多相物质组成。此时可用尝试的方法进行物相鉴定：先假定 最强线和次强线（d2=2.47Ao）是由两种不同物相产生，第三强线（d3=1.80Ao）与最强线为 同一物相产生，即是说，待测试样中的一个物相的 d1=2.09Ao ，d2=1.08Ao 。于是又在 d1 位于 2.15-2.09Ao 那组中，找 d2 接近 1.80Ao 和 d3 与表 2―4 中之值相吻合的物质，再查对其余 d 值相对强度，使可确定待分析样为合成 Cu，其卡片号为 4-836。表 2-5 为 Cu 粉末衍射卡片 记载的数据，它与表 2-4 中标注星号的数据相对应 表 2-1 未知物质的实验数据D(A ) 3.75 3.58 3.19 3.11 3.00 2.61 2.25 2.15 2.06 1.98 1.72oI/I2 30 50 40 30 30 100 50 100 40 50 30d(A ) 1.59 1.56 1.51 1.40 1.34 1.32 1.29 1.25 1.23 1.17 1.12oI/I2 30 10 50 30 30 30 20 30 30 30 20表 2-2 Hanawalt 索引部分数据0 1 2.615 2.61x 2.612 2.155 2.15x 2.152 3.785 3.585 1.86x 3.694 3.185 2.311 1.904 2.265 1.951 2.763 2.065 3.721142.213 1.985 2.9511.743 1.515 1.841Cs3AqAuCl6 Cd4Sb3 (Be17Hf2)30H13-291 23-32 14-457表 2-3 Cul4Bb3 的粉未衍射卡片数据D(A ) 3.76 3.58 3.18 3.11 3.01 2.614 2.258 2.145 2.061 1.984 1.716oI/I1 30 60 50 30 30 100 50 100 50 50 30d(A ) 1.591 1.556 1.510 1.404 1.344 1.311 1.289 1.249 1.229 1.172 1.115oI/I1 30 10 50 30 30 30 30 30 30 50 30表 2-4 待测样的衍射数据D(A ) 3.01 2.47 2.13 2.09* 1.80* 1.50 1.29 1.28*o表 2-5 铜粉末衍射卡数据d(A ) 2.088 1.808 1.278 1.09 1.8 3oI/I1 5 70 30 100 50 20 10 20d(A ) 1.22 1.08* 1.04* 0.89 0.91* 0.33* 0.31*oI/I1 5 20 5 5 5 10 10I/I1 100 46 20 17 5 3 9 8为了从剩下的线条找到混合物中的其他物相，首先应令剩下的最强线 （d=2.47Ao）的 强度为 100，即应将 70 扩大 1.43 倍，并将所有剩余线条的强度扩大 1.43 倍，所得结果列 入表 2-6。用上面类似的办法进行剩余线条的物相鉴定，发现剩余线条的数据与 Cu2O 的数 据相一致，说明待分析样品由 Cu 和 CuxO 混合而成。 多相混合物的衍射线条可能有重叠现象，且高角度线的重叠机会更多。如果重叠线为 强线之一，则物相分析将变得更复杂。五、实验内容及要求1、根据已制作的粉末衍射图谱，进行进行图谱分析，在衍射图谱中找出三强线所对应 的 d 值和强度比； 2、根据所获得数据和给出的试样 X 荧光分析结果，采用 PDF 卡片索引，进行物相定性 分析； 3、 若试样为多相物质， 应分别定出所有物相并用 K 值法对试样各相含量作半定量分析； 4、写出实验报告，报告中应着重对多相物质的物相分析所要注意的问题进行讨论。15表 2-6 待测样剩余线条与 CuxO 衍射卡数据的对比待测样剩余线条 d(A ) 3.01 2.47 2.13 1.50 1.29 1.22 0.98oCu2O 衍射卡数据 (I/I1) 7 100 43 29 14 7 7 d(A ) 3.020 2.465 2.135 1.743 1.510 1.287 1.233 1.5 0.5 0.8216o(I/I1) 5 70 30 20 10 5 5I/I1 9 100 37 1 27 17 4 2 4 3 3 316实验三一、目的用多晶衍射法测定晶体结构1、了解多晶衍射法测定晶体结构的基本原理 2、通过测定氧化钠的结构，学习用多晶衍射法测定结构简单的物质的结构的方法。二、原理概述晶体的结构与晶体的物理化学性质紧密相关。因此，结构的测定对于物性的基本研究， 乃至合成新的化合物均具有极其重要的意义。近年来由于计算机的应用，以及测定结构方 法的不断发展、完善，使过去论年才能完成的结构测定，而今在几天内就可解决。结构测 定逐渐成为一种常规的测试方法。 结构测定的难易程度不一样，因此解决结构测定的方法也千差万别，主要的当推单晶 X 射线衍射法。而多晶衍射法研究的试样，不必经过培养单晶体样品的步骤，各种样品都可 以制成试样进行测定，适用的范围广泛，但是单纯粉末图测定结构，批量标化不容易，衍 射点只分布在一维的线上，重叠现象较多，也没有特殊方法解决这个困难，所以能有效地 用多晶衍射法测定其结构的对象，有相当大的局限性，即对那些不易培养出单晶的物质， 结构又比较简单，可以用粉末图所得数据，推断出晶体的结构，或者用于结构原已大体确 定的某些物质的某些结构细节修正问题。 衍射法测定结构的基本依据是：衍射图样由晶体物质的结构所决定，所以由衍射图样 的解析可以得到结构的有关信息。具体地讲，衍射角由单位晶胞的大小和对称性所决定， 所以由衍射线的位置可以确定晶胞的大小和对称类型；衍射强度由原子在晶胞中的位置所 决定，所以由衍射强度的计算和分析，可以确定原子在晶胞中的位置，多晶衍射法解决未 知结构问题的一般程序是： （1）摄取未知物质多晶衍射图，获得各衍射线的 2θ 值和积分强度，对衍射图谱进行 指标化，在正确确定衍射线的指标后，精确测定某些衍射线条的 2θ 值，从而确定晶胞的 大小； （2）根据晶胞的大小，试样的化学成分，与测量得到的密度值算出各个晶胞中的分子 数（或原子数） ； （3）从衍射线的指标化引出消光规律，根据消光规律并结合晶胞中的分子数目可以确 定晶体的点阵类型、可能的空间群、各种原子所处的各种可能的等效点系； （4）根据衍射线条的相对强度，有关化学知识，以及上述有关结果，作出有关结构的 不同假设，计算其衍射强度，将计算结果与实验测定结果进行比较，如能唯一确定地结构， 这样就可能最后确定原子在晶胞中的位置，结构测定工作即告结束。三、实验内容及步骤1、按粉未法制样制备好待测试样、用衍射仪法提取待物质的衍射图谱供进行数据初步 处理和确定衍射角度范围用，数据初步处理结果列入附表中： 2、在确定了试样所属晶系，利用图表法或解析或利用计算机进行指标化，将指标化结 果列入附表中，根据指标化结果确定消光规律，确定待测物质的布拉威点阵类型，衍射群 和可能的空间群，由衍射线的系统消光规律，一般可以确定点阵类型与含平移量的有关微 观对称元素――滑移面和螺旋轴，但不能给出有无中心的信息。所以，按照系统消光规律17只能确定晶体所属的衍射群――指具有相同消光规律的对称中流砥柱型。晶体结构的 230 个空间群分属于 120 个衍群，而 120 个衍射群中，只有 58 个按系统消光规律是可以、唯一 地确定空间群的。其余 62 个衍射群，每个可对应多个空间群，它们的差别多数是在有无对 称中心上。 3、选择几条高角度衍射线，较准确地测定其 2θ 值，由 2dSinθ =λ 确定其 d 值，再 根据面间距 d 与面指数、 晶格常数的关系求解晶格常数和晶胞体积 V， 并将结果列入附表中； C3 4、实验测定待测结构物质的密度 ρ （单位为 9cm ） ，各化学组分的含量，根据 n=pV/1.66A 计算每个晶胞所含原子（或分子）数 n，其中晶胞体积以 Ao3 为单位，A 为原子（或分子）量。 由计算所得原子（或分子）数，进一步核实待测物质的布拉格点阵类型； 5、空间群的确定，除了 58 个衍射群可以唯一地确定空间群外，其余 62 个衍射群中每 个对应于 2 个以上的空间群，为了排除不可能的空间群，而最后确定其所属空间群，常常 还需提供晶体中有无对称中心的信息，确定晶体结构中有无对称中心有二种方法： 其一是根据物性的测量结果，如实验测定晶体具有压电性，热释电性或旋光性，则结 构中必然没有对称中心，但如实验发现不了这些性质的晶体，但却不能武断地推断晶体一 定具有对称中心； 其二是凭借衍射强度的统计分配规律来区分结构中有无对称中心存在，如果晶胞中原 子数近于相等时，非中心对称的晶体的结构振幅的平均值的平方与强度平均值之比要大于 中心结称性晶体相应的值，即： 非中心对称晶体：&|F|&2/&I&=π /4≈0.785 中心对称晶体：&|F|&2/&I&=2/π ≈0.637 进行上述计算时，强度不需要绝对值，但数据必须准确，式中&|F|&由 I 开方求得。此外， 尚有其它的统计方法； 6、确定原子在晶胞中的位置，由粉未衍射强度公式Io e4 2 I? ?3 pYN 2 F Lpe ? 2 M 2 4 32?R? m C知道，只有结构振幅 F 与原子在晶胞中的位置直接相关联，要计算 F 必须根据空间群等效 点系情况设定其各种原子所占据等效点系，从而确定其原子坐标（x1，y1，z1） ，设定原子坐 2 标后，即可计算 F 值种|F| 以及相角α 。 F ? ? f1e 2? 1(hx1 ? iz1 )? ? f1Cos2? (hx1 ? ky1 ? Iz1 ) ? i ? f1 Sin2? (hx1 ? ky1 ? Iz1 ) ? F Cos? ? i F Sin? ? A ? iBF2? F ? F ? ? A2 ? B 2? ? tan ?1A ? tan ?1 B? f Cos2? (hx ? k y ? Iz ) ? f Sin2? (hx ? k y ? Iz )1 1 1 1 1 1 1 1α 称为衍射线（hkl）的相角，它是指晶体在 X 射线照射下，晶胞中所有原子在（hkl）方 向上产生的衍射束与处在原点的电子在该方向上散射的 X 光束的位相差。结构测定中的相 角问题以及关于电子云密度问题；较复杂，课程中未详细涉及，此地从略，本实验测定工 作也不涉及，将计算所得 F 2 之值代入上述粉未法衍射强度公式中，可算出各衍射线的相对 强度值，将所计算值归一化（化为百分比）与实验所测定的积分强度值（归一化的）进行18比较，若值符合的很好，说明所设定原子坐标是正确的，结构分析到此结束。若计算值和 实验测定值不能很好符合，修改原子坐标再进行计算比较，直到满意为止，将计算的强度 值列入附表以资进行比较； 7、积分强度 IP 的实验收集：根据所待测物质的衍射谱，确定各衍射线的角度范围 2θ 1~2θ 2，对计算机控制和收集强度数据的衍射仪，将一系列 2θ 1~2θ 2 之值输入计算机自 动收集各衍射线的积分强度 Ip(已扣除背底)，对于一般衍射仪可自动收集积分强度。如图 所示：若背底变化较小， 则在 2θ （前背底） 2θ （后背底） 和 分别计数时间 t, t=2θ 2C2θ 1/w， 1 2 其中 w 为扫描速度， 一般 W 应尽可能小， 视实验要求、 仪器功率和稳定度而定。 2θ 1 和 2θ a 在 处在时间 t 内计数 3~5 次， 取其平均值得前后背底计数 N2θ 1， 2θ 2， N 则背底为 Na= N2θ 1+ N2θ 2/2， 而由 2θ 1，扫描到 2θ 2 所得计数为 NP+B，则积分强度 IP=NP+BCNB，将所测得各衍射线条积分 强度值 IP 列入附表； 8、写出实验报告。报告中应包括用框图表示的实验步骤和心得体会。 （附表见下页） 结论：待测物质的布拉威点阵类型 ；晶格常数 原子坐标 ；每个晶胞中的原子（或分子）数 ； ；空间群 。19附表编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2θ (0 )o实验数据及处理结果fa F |F|2SinθSin θ2Sin θ /sin θ221khla(?)fAPhklLpI 实验值I 计算值强度 I 实验 %强度 I 计算%20实验四一、实验目的晶粒尺寸的测定1．掌握用谢乐（Scherrer）公式测定晶体尺寸的方法。 2．通过对晶粒尺寸的测定，讨论有关晶粒形状和分布的信息。二、实验原理纳米材料是指由极细晶粒组成、特征维度尺寸在纳米量级（1-100nm）的固体材料。纳米 材料的许多物理性能、化学性能和力学性能等都与组成它的颗粒度或晶粒尺寸的大小有关。由 于这种材料的尺度处于原子簇和宏观物体的交接区域，故而具有表面效应、小尺寸效应、量子 尺寸效应和宏观量子隧道效应等，并产生奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性， 从而使其在国防、电子、化工、冶金、航空、轻工、医药、核技术等领域中有重要的应用价值。 所以， 对纳米材料晶粒尺寸的测定与表征就显得非常重要。 不过,对于纳米微粒的颗粒和颗粒度, 存在概念上和尺寸定义上的差异问题,如从概念上分有晶粒、团聚体、一次颗粒和二次颗粒等, 从定义上分有等当直径、投影面积直径等。在不同的研究领域，对纳米材料也有不同的称呼， 例如，材料科学家称之为超细颗粒，晶体学家称之为纳米晶粒，原子分子物理学家称之为团簇， 化学家称之为胶体颗粒或大分子，固体理论物理学家称之为量子点等。目前，已有几种流行通 用的纳米微粒尺寸评估方法，如透射电镜(TEM) 观察法、比表面积法、拉曼散射法、X 射线衍射 线宽(谢乐公式)法、X 射线小角散射法(SAXS)等，它们测出的尺寸结果都对应于一定的颗粒概 念和尺寸定义方法,且各有各的优越性和局限性，适合于特定的制样条件和测量方法。在这些方 法中,最广泛采用的是 TEM 观察法和 X 射线线宽法。 利用 X 射线衍射测定晶粒尺寸的方法主要是谱线宽化法。引起衍射线宽化的原因主要有两 大类： 1．仪器致宽因素。其中包括 X 射线源尺寸，平板样品不完全符合聚焦园条件，X 射线的轴 向发散度，样品的透明度，接收狭缝的大小及实验条件等。 2．物理致宽因素。其中包括晶粒度致宽和点阵畸变致宽两种。当实验条件固定时，仪器致 宽是恒定的，通常可用一个μ （微米）数量级晶粒度且无点阵畸变的标样测定。晶粒度致宽和 点阵畸变致宽的分离是复杂的。下面讨论的是无点阵畸变时，由晶粒度（10?-1000?）引起的谱 线宽化，以及如何从实测的谱线合成宽度中扣除仪器宽度而求得纯加宽度，近而再求晶粒尺寸。 计算晶粒尺寸谢乐（Scherrer）方程式为：D? K? ? cos?式中 D 为晶粒尺寸；K 是与晶体形状有关的常数，通常取 1；λ 为所用 X 射线的波长；θ 为 XRD 峰的半衍射角；β 是衍射谱线在强度峰值一半处的宽度，即半高宽。 由实验测得的谱线宽度 B 是仪器宽度 b 和物理宽度β 的合成宽度，欲求β ，首先要求 b，b 可由事先采集的仪器宽度工作曲线求出。 B，b 和β 间的关系跟衍射线的峰形有关，衍射线通常具有两种峰形，一是对称的，其强度 按高斯（Gaussian）分布，此时：B2=b2+β 2，另一是非对称的，其强度按柯希（Cauchy）分布， B=b+β 。 所以只要测定衍射峰真实半高宽 B 及仪器宽度 b，就可求出β ，然后利用谢乐公式计算出晶21粒尺寸。图1仪器宽度工作曲线三、实验条件1、仪器：DX-1000 型射线衍射仪； 2、样品：氢氧化镍粉； 3、条件：Cu:λ :1.542?;40KV,25mA;Slit:1,1,0.2;Mono:Graphite.四、实验内容与步骤1.在教师指导下收集氢氧化镍衍射谱图并选出三个主要方向的衍射线测定其对应的半高宽。 2.并用谢乐公式计算出晶粒尺寸。 3.根据衍射图谱及计算结果，简要讨论晶粒形状和分布状况。写出实验报告。22[Ni(OH)2.mdi] 35003000Intensity(Counts)2500200015001000500 0 17 18 19 20 212-Theta(°[Ni(OH)2.mdi] 20001500Intensity(Counts)10005000 32.5 33.0 33.5 34.02-Theta(°23[Ni(OH)2.mdi] d=4.6405Intensity(Counts)00d=2.7024d=2.3369d=1.5619 d=1.7755 d=1.7546d=1.4812d=1.3507500 001-1047& Ni(OH)2 - Nickel Hydroxide203040506070802-Theta(°24d=1.16651000d=1.297925实验八金相显微镜的操作与金相磨片的制备一、普通金相显微镜的构造及使用（一）显微镜的光学原理简介1、放大原理 为了了解金相显微镜的操作及构造，应当先简单地介绍一下显微镜的有关光学知识。 众所周知，放大镜是在放大状态下研究物体的最简单的光学工具。放大镜是一简单的 凸透镜。它的放大原理如图 1-1 所示。物体 AB 置于焦距 f2 之内，这时，通过放大镜就可以 看到物体放大的直立虚象 A'B'。A'B'/AB 的比例，称为放大率。图 8-1 由相似三角形 A'OB'及 AOB 导出放大镜光学简图A' B ' b ? AB a式中 b――放大镜到象间的距离； a――放大镜到物体间的距离。 因为放大镜到物体间的距离。近似地等于透镜焦距。即 a≈f2，而距离 b 近似地等于人 眼的明视距离。即 250mm，则放大镜的放大率N?A' B ' 250 ? AB fz（1）N――放大镜的放大率 f2――透镜焦距 由式（1）可知透镜的焦距愈小，则放大镜的放大率愈大。简单的放大镜只在要求不大 的放大率（2.5 到 25 倍）时才适用。若要求得到高倍放大，就要求透镜有很短的焦距，这 种透镜实际上很难用来观察，它使象变得模糊不清，所以要得到高倍放大必须使用显微镜。26图 8-2 显微镜工作原理简图 显微镜是由两个透镜组成的。对着所观察物体的透镜叫接物镜（或称物镜） ，对着眼睛 的叫接目镜（或称目镜） 。物体经物镜与目镜两次放大，能得到很高的放大倍数。图 1-2 是 显微镜光学放大部分的示意图。由几何光学可知，物镜 ob 使位于焦点 F'ob 以下的物体， 放大成为一个倒立的放大实象 O'。实象的位置离开后焦点 F'ob 的距离为Δ ，Δ 称为显微镜 的光学镜筒长，由目镜向下观察时，目镜又使映象 O'放大，在明视距离处出现了一个倒立 的再经放大的虚象。所以显微镜的放大倍数等于物镜的放大倍数与目镜放大倍数的乘积。 即： Mm=Mob?Mok Mm――显微镜放大倍数 Mob――物镜的放大倍数 Mok――目镜的放大倍数 由式（1）可知M ob M ok Mm? f ob 250 f ob ? 250 ? f ob f ok（2）从上式可知显微镜的放大倍数与物镜及目镜的焦距及镜筒长度有关。焦距愈短放大倍 数愈高。27既然物镜的放大倍数与光学镜筒长度有关，所以在使用时必须符合设计的物镜光学镜 筒长度，才能得到物镜光学设计应有的放大倍数。如果不符合，就要进行修正。 2、鉴别率和有效放大倍数 显微镜的鉴别率是指物镜所能清晰分辨出物体彼此相近的两点的最小距离。鉴别率可 用两点之间距 d 表示，理论的推导得出：d??2( NA)（3）λ 为光的波长，N?A 称为数值孔径，它的物理意义是物镜聚光的能力，可按下式计算：N ? A ? ? ? sin ?（4）sinφ 为物镜的孔径角，如图 1-3 所示。孔径角越大，则 N?A 也大。鉴别率高。φ 在 理论上可达到 90o，但实际上 2φ 最大只可达到 15o 左右。即 sinφ 约 0.95。η 为物镜与试样 之间介质的折射率。空气的折射率η =1，故在通常情况下 N?A 值最大只可达到 0.95。为了 尽可能提高鉴别率，高倍放大的物镜可以改变传光介质，可使用折射率较大的松柏油（η =1.55） 。这样数值孔径可达到 1.30~1.40。这种物镜称为油镜，油镜可使原来空气折射不到 物镜内的一部分光线进入物镜内，提高了光通量，增加了鉴别率。图 8-3 物镜的孔径角 图 8-4 干物镜（b）与油镜（c）聚光能力的比较 因为每种物镜都有自己特定的鉴别率，所以当选用一种物镜时就应针对鉴别率的大小 选择适当的目镜，使物镜能充分发押它的鉴别能力。通常人眼在明视距离 250mm 处，其鉴 别率 e=0.15~0.30 毫米之间。所以为了使物镜所鉴别的组织能为人眼看清，就应使放大倍 数为 e/d，这个放大到人眼鉴别率的放大倍数称为有效放大倍数。 e （5） M 有效 ? d?2( N ? A)?（6）可见，M 有效和物镜鉴别率及光波波长有关。 设所有的光为黄绿色，λ =0.55μ ，则有效放大倍数的范围应为： M 有效=（500~1000）N?A 这样，就可根据物镜 N?A 值，正确选用目镜。如果选的目镜倍数太大，使 M 有效值超 过 1000N?A，则有一部分倍数是“虚放大” ，并不能看到更多的组织细节。如果选的倍数太 小，则还未充分利用物镜的鉴别能力。由此可知，采用黄绿色及松柏油油镜时，光学显微 镜的最高有效放大为 =1400 倍。更高的放大倍数就应采用紫光或紫外线，但只28能用于照相。 3、透镜成象的缺陷 普通透镜不能得到理想的象，它的主要缺陷是球面差和色差。 球面差：是指由透镜的中间部分和边缘部分所折射的光线不能交于一点。如图 1-5 所 示。靠透镜中心部分的光线聚焦较远，靠边缘的光线聚焦较近，因此使映象模糊不清。 色差：照明用的白光包括许多不同波长的光波。由于透镜对不同波长的光线折射率不 同，因而不能集中在一点，波长最短的紫色光聚焦位置靠透镜最近。而红色光线折射率小， 聚在最远处。如图 1-6 所示。对于某一个位置，如果它成为某一光波的成象位置，则其它 光线所成的象呈不同颜色的环状，使映象模糊。图 8-5 凸透镜的球面差 图 8-6 透镜的色差 透镜成象的色差及球面差，可用透镜组合的办法加以改善，一般采用具有不同折射率 的凸透镜和凹透镜组合一起改善其质量。根据色差校正程度可分为消色差物镜和复消色差 物镜。消色差物镜（标有 Achro-mafic）的球面差能校正黄绿光区，色差的校正为红至绿光 区。所以使用时最好与黄绿色的滤光片配合，适用于低倍观察。复消色差物镜（标有 Apochromatic）是各种象差校正最完善的一种物镜，所以适用于高倍观察。 目镜的构造比物镜简单。目镜可分普通目镜、补偿目镜两类。补偿目镜上标有 K 或 O 字（如 K20×） 。适宜与复消色差物镜配合高倍观察时使用。（二）显微镜的构造与使用普通金相显微镜主要有三部分组成，即照明系统、光学系统（放大系统）和机械系统 等。立式金相显微镜外形示意图 I、照明系统： 1、明场照明和暗场照明29明场照明：是金相研究中主要的采光方式，光源经垂直照明器（45?平面玻璃和棱镜） 反射而转向，经物镜垂直或近乎垂直地照射在试样面，由试样表面反射的光线又垂直地进 入物镜。如果试样是一个抛光镜面，那么所得映象是明亮的；如果试样经腐蚀呈凹洼时， 则有黑色影象衬映在明亮的视域内。称之为明场照明。 暗视场照明：来自光源的平行线，为环形遮光板所阻，中心部分光线被遮去，光线成 空心园筒形光束射入垂直照明器（暗场的垂直照明器是一个环形反射镜） 。筒形光束沿着物 镜外壳投到反射集光镜的金属弧形反射面上，靠它的反射使光线聚焦在试样上。这种光线 其倾斜角度大，所以如果试样是一抛光镜面，由试样上反射的光线仍以极大的倾斜角度向 反方向反射，不可能进入物镜，所以观察时呈漆黑一片，只有试样的凹陷处（不规则的表 面）才可能使光线被反射进入物镜，试样上的组织将以明亮的影象衬映在漆黑的视野内， 因而称为暗视场。XJB-1 型金相显微镜光学照明系统示意图 1―光源；2―聚光镜；3―反光镜；4―孔径圈；5、7―透镜；6―视光圈；8―平面镜；9、 10―棱镜；11―物镜；12―试片；13―目镜 2、光源：一般小型金相显微镜都采用低压钨丝灯泡。 3、孔径光栏：用来调节入射光束的粗细。孔径光栏张得太大，使镜筒内的反射与内弦 增强给试样影象迭加了一层白光，降低了影象的衬度，使组织模糊不清。故适当缩小孔径 光栏，可提高成象质量。但是，孔径光栏缩得太小，使物镜的鉴别能力降低，不易辨别微 细的组织。最合适是使光线刚好充满物镜的后透镜。在使用时一般都是调节到观察物最清 晰，光的强弱使人眼舒适为适宜。 4、视场光栏：装在孔径光栏之后，用来调节视域的大小。减少内的反射光与内弦光， 以提高影象的清晰度。 5、垂直照明器：是将光源的光线以垂直的方向投射到试样表面。可分为平面玻璃反射 器及棱镜反射器。 平面反射器：如图 1-7 平面玻璃与光源光束呈 45o，使光线反射进入物镜并在试样上获 得直射照明。使用这种反射器可获得清晰平埋的影像。另外，由于充分地利用了物镜的数30字孔径（光束弃满物镜） ，所以鉴别率高，适用于中倍或高倍观察。它的缺点是平面玻璃不 可能将光源的所有光完全反射，即使用最好的平面玻璃反射，最后达到目镜筒内的光线也 只有 25%。因此，亮度较弱，影像的衬度也较差。图 8-7 平面玻璃反射照明器 棱镜反射器：如图 1-8，光源光束被棱镜全反射，故亮度高。由于光呈斜射，试样的高 低部分阴影产生，提高了影像的衬度并富于立体感。缺点是由于成象时只用了物镜孔径的 一半，所以鉴别率低，只适用于 100 倍左右的观察。图 8-8棱镜反射照明器II、光学系统 主要是物镜和目镜两部分，前已说明。31III、机械系统 主要有底座（支撑整个镜架用） ，载物台（放试样用） ，镜筒（物镜、垂直照明器、目 镜等的联接筒） ，调节螺丝（用来聚焦）等部分。（三）显微镜的操作与维护要点金相显微镜是贵重精密仪器，使用时必须了解其基本原理及操作规程，严格遵守操作规程。1、操作显微镜对双手及样品要干净。绝不允许把浸蚀剂未干的试样在显微镜下观察， 以免腐蚀物镜。 2、操作时应精力集中，小心谨慎。接电源时应通过变压器，装卸或调换镜头时必须放 稳后才可松手。切勿精心大意。 3、调焦距时，应先转动粗调螺丝。使物镜尽量接近试样（目测） ，然后一边从目镜中 观察，一边调节粗调螺丝使物镜慢慢上升直到逐渐看到组织时，再用微调螺丝调至清晰为 止。 4、显微镜的光学系统部分严禁用手或手帕等去擦，而必须用专用的驼毛恻或镜头纸轻 轻擦试。 5、使用过程中，若发生故障，应立即报告教师，不得自行拆动。二、金相样品制备的一般方法金相样品制备的方法操作好坏，决定了金相组织观察所能达到的目的及其真实性。因此，样品制备 是研究组织和质量检验重要的一环。普通光学显微镜所观察的试样的制备，一般可分为取样、磨平、抛 光及组织显露四个步骤。（一）试样的截取在金属材料上按观察的目的正确选择位置以及方向来截取观察面。试样的大小形状虽 没有明确的规定，但通常以便于磨制操作及适合所选用的显微镜为宜。 试样可用各个方法切取。通常使用砂轮片切割。但当砂轮片切割时，因局部的发热， 可能导致组织发生变化，所以应加强用水冷却。尤其对受热容易发生组织变化的试样，如 淬火钢、低温回火钢。特别应指出，即使用水冷却，也或多或少存在一定热影响区，所以 对某些要求严格的试样，观察面在切割后最好还应磨去其热影响区。 某些特殊形状和尺寸大小不便磨制的试样，可以采用镶嵌的办法，将要镶嵌的试样放 在金属圈内，下面填一平整的金属板，将熔化的易熔合金或硫磺注入圈内。也可以在镶样 机上用塑料或电木粉把试样镶起来。观察边缘组织的试样最好用夹具把试样夹起来磨，夹 具的材料最好和试样有同样的硬度。有些镶嵌过程中，由于受热而发生组织变化的试样可 采用室温浇铸造镶嵌法――冷镶。其材料为环氧树脂，加入适当的固化剂，其配比如下： 环氧树脂 100ml 二乙胺（固化剂） 6~8ml 二丁脂（稀释剂） 10~21ml（二）磨平通常可分为粗磨和细磨两步。粗磨一般在砂轮上进行。选择粒度合适的平整的砂轮， 将试样磨光面（观察面）平稳而均匀地和砂轮接触，压力也要适宜。为了避免发热，磨时 要勤沾水冷却。为了保持砂轮面的平整，可将试样沿砂轮径向移动，否则易形成沟槽。不32要求观察边缘的试样，其观察面的周围的棱角在砂轮上轻轻磨掉，以防止在磨砂约或抛光 时划伤砂纸和抛光布。软金属（铝合金等）不能使用砂轮，可用细锉刀加工磨面。粗磨之 后，磨面虽较粗，但却要求很平整，这是此工序的主要目的。 细磨：砂轮磨后的粗纹不能直接用抛光机抛去，还必须逐渐磨细。为此选用从粗到细 的一系列金相砂纸进行磨制。实验室使用的从粗到细的金相砂纸编号 粒度号 代号 磨粒尺寸（微米） 320 0 42~20 M28 0.1 28~20 M20 0.2 20~14 M14 0.3 14~10 M10 0.4 10~7 M7 0.5 7~5 磨砂纸时，可将砂纸平铺在玻璃板上，保证有硬而平的底面，一手按住砂纸，一手握住样 品将试样磨面压在砂纸上向前推动如图 1-9，试样在移动及起落时都要均匀与砂纸接触，防 止产生不平。每号砂纸要磨到前一道的磨痕完全消失。为了能正确判断这一点，在换砂纸 时必须将磨制方向变换 90o，并且在一种砂纸磨制过程中一直保持这个方向，否则就无法判 断是否把前一道的磨痕磨掉。换砂纸时，还应特别注意将试样洗干净及玻璃板擦干净，以 免将粗砂粒带入下一道砂纸上。图 8-9砂纸磨制示意图（三）抛光抛光是为了消除细磨留下的磨痕，使观察面成为光亮如镜的平面。抛光方法有机械。 电解、化学抛光及化学机械抛光四种。机械抛光是最通常使用的方法机械抛光是由是动机 带动水平园盘旋转，盘上铺有抛光布，布上带有起研磨作用的抛光粉。按粗细的不同，抛 光布可用帆布和呢绒两种。操作时，先用水湿润抛光布并均匀加上抛光粉（通常是将粉调 合在水中） 。操作时，将磨面均匀地压在旋转的抛光盘上。抛光过程中，还要添加适量的水 及抛光粉，以保证滑润及增加磨削作用。 磨料粒度为 10~5 微米之间， 按硬度不同， 可用氧化镁、 氧化铝及氧化铬等 （由软及硬） 。33按试样材料软硬选择抛光粉。目前生产的新磨料――人造金刚石研磨膏，其特点是比一般 的磨料抛光效率高，抛光面质量好。但对于一般软金属不太适宜。 粗抛后的试样虽然砂纸的磨痕已经抛掉，但在显微镜下检查仍有许多细的磨痕， （尤其 是软金属）要用细抛来消除。无论粗抛或细抛，都要经常转动试样，防止夹杂物脱落。当 试样磨面成镜面一样光亮时即成。抛好后的试样不要用手摸，以免损坏磨面。试样冲洗干 净后（可用脱脂棉擦洗） ，立即去水。去水方法可用酒精擦拭后用滤纸吸干（或用吹风机吹 干） ，也可置于干净的沸水中加热后吹干。总之迅速去水是特别重要的一项操作，不然抛光 面就易出现锈斑。 化学机械抛光法：是利用化学抛光液边腐蚀边抛光，加速、抛光，提高抛光质量，一 般常用的化学抛光液如表（1）所示。由于抛光面受化学腐蚀作用所以最后必须再经清水抛 光一段时间清除其腐蚀层。表1序号 三氧化二铬 10 克 100 克 铬酸酐 20 克 ――化学机械抛光液水 100 毫升 1000 毫升 草酸 ―― 25 克 硫酸 ―― 7.5 毫升 双氧水 ―― 100 毫升（四）组织显露（浸蚀）抛光好的试样，经适当的浸蚀后才能把组织显露出来。化学浸蚀液应根据金属种类， 检查目的而选择。碳素钢和一般合金刚常用的浸蚀剂为 3~5%硝酸酒精溶液或 4%苦味酸酒精 溶液。 浸蚀方法可采用浸入法或擦试法。浸入法是把试样磨面浸入装有浸蚀液的容器内，经 一定时间。擦试法是用脱脂棉沾浸蚀液擦拭磨面。浸蚀剂选定后，组织显露天矿的好坏主 要取决于浸蚀时间， 一般是数秒~数分。 短时间浸蚀一般用擦试法， 以便随时直接观察磨面。 当金相观察是作为一项质量检验，需要评级时，每种钢号、浸蚀剂及检验项目都对浸蚀时 间的严格的规定，必须照章进行方能正确评定。而在一般观察研究金属内部组织时，则可 用肉眼判断试样抛光面颜色的变化决定浸蚀是否合适。例如观察碳素钢素钢和一般合金钢 的退火、正火、回火组织时，一般以试样开始变为灰色为适宜。 浸蚀好后，立即用水冲洗，并使用试样很快干燥，其方法前已谈到，可用酒精擦洗去 水，也可用热水法。如浸蚀过度，使组织模糊，应重新抛光浸蚀，如浸蚀不足，组织显露 不清可补充浸蚀。 浸蚀后的金属或合金，能显露出内部组织的原因，在于内部不同的相或同一相的晶粒 界与内部具有不同的化学性能，使原来平滑的不同的晶粒表面成为不平整，在光学显微镜 下就显示了明暗的区别，也即显示了内部组织。例如 α -Fe 的晶粒界在浸蚀后产生沟槽， 从而在观察时形成“黑”色的线条（图 2-2） 。这是因为晶粒界的结构以及化学成份与晶粒 内不同，所以晶界易被浸蚀，晶界浸蚀后由于反射光线在晶粒间凹处散失，所以在晶粒界 呈现暗黑的线条。 纯金属或单相合金的晶粒位向不一，因而其被浸蚀的程度也不同，光线的反射能力也 就不同，因此在显微镜下也会显现不同的亮度。凡是腐蚀形成的坑洼部分、不平整部分， 在明场显微镜下观察是“黑”的。凡是未被浸蚀的光滑表面，光线可反射进入物镜，在明 场下则是“白”的。总之一般光学显微镜观察组织的主要根据是金属内部微区对浸蚀剂产 生不同反应，经受不同程度的浸蚀。34图 8-10显微镜下铁素体晶界示意图三、报告要求1、简述实验原理、步骤、记录结果 2、根据自己的实验体会，谈谈制好试样与用好显微镜的关键。35实验九一、实验目的氯化钠晶体的位错蚀坑观察1、初步掌握研究 Nacl 晶体中位错的化学浸蚀法。 2、通过以氯化钠为例，了解和掌握难浸蚀法的可靠性和有效性的一些重要方法。二、原理简介在直接观察位错的实验方法中，浸蚀法最为简单，所以应用也最广，在一定的浸蚀条 件下被浸蚀表面呈现具有规则形状的蚀坑。前人大量的实验证明，蚀坑与位错之间具有一 一对应的关系。对于每一种晶体，如果找到适当的选择性浸蚀剂来浸蚀，则得到蚀坑而把 位错的露头显示出来。1、选择性浸蚀晶体在液体溶剂中被浸蚀的过程就是组成晶体的原子或离子，不断地跑到溶液中去的 溶解过程，当晶体放在液体中，实际晶体的表面总不是完全平滑的某一原子面，而有许多 “台阶” ，如图 2-1 所示。图 9-1 晶体表面的原子面台阶示意 如某一个处于平滑原子面中的原子（图 9-1 中 A 处）跑入溶液，则 A 处即产生新的台阶， 这样一个过程使整个体系的自由能改变以 Δ f1 表示。同样我们把台阶 C 处的一个原子跑入 溶，使体系的自由能改变以 Δ f2 表示。显然 Δ fa&Δ f1，因为 C 处的原子晶体结合更弱。所 以在平滑原子面上产生新台阶远比使已有的台阶运动困难， 当溶解很慢时 （弱溶剂的情况） ， 溶解过程主要通过台阶运动来实现。它使晶体表面基本上保持为平滑的原子面，这就是化 学抛光。但是，实际晶体中总有缺陷（如位错） ，如果某种弱溶剂对位错特别敏感，即在位 错露头处 B 的原子特别容易跑入溶液（选择性浸蚀） ，情况就不同了。这时在位错露头处特 别容易产生新台阶。 （当然，已出现的台阶也要沿表面不断地作线运动） ，于是沿位错浸蚀 不断深入（如图 2-2 B1 处） ，在位错露头处形成尖底的蚀坑。如果缺陷中断（如 B2 处） ，则36经过一定的时间新台阶停止产生，而已有的台阶仍不断运动，于是形成平底蚀坑。2、尖底蚀坑与位错对应的判断方法（1）根据位错理论，位错线必须永远在晶体内形成一个闭合曲线，或者终止于晶体的 自由表面，所以可采用以下办法判断：9-2 蚀坑形成示意 （粗线代表缺陷） （a） 将晶体解理， 观察两对应的理解面上的浸蚀蚀坑是否相互对应， 两图像近于镜像。 （b） 用浸蚀――抛光――浸蚀的方法， 把已浸蚀过的晶体表面化学抛光， 去掉蚀坑后， 以同样的方法，再浸蚀，看蚀坑是否重现。 （2）由位错概念的产生――晶体的范性形变通过滑移实现，而晶体中存在的位错。位 错运动的结果，使晶体逐步滑移。由于滑移的不均匀性，晶体经过滑移后，必然有位错停 在滑移面内，因而试样被浸蚀时，如果位错会引起蚀坑，则在滑移线上必然有蚀坑的排列。 所以我们采用形变引入位错，观察由形变引入的位错蚀坑是否沿滑移带上排列分布。3、判断浸蚀法在晶体表面显示位错露头的有效性即各类位错的露头均能显示，还是只能显示其特定位错的露头。这可根据与蚀坑相应 的位错的广泛性进行判断。例如，经退火后的位错（通称“老位错” ，它周围可能有溶质原 子聚集） ，低温下形变新引入的位错（周围肯定没有溶质原子聚集） ，为刃型位错，螺型位 错与表面正交的及斜交的位错是否均给出蚀坑。4、Nacl 晶体有关知识? Nacl 晶体点阵是由一套 N a 的面心立方点阵和一套 cl-的面心立方点阵套构在一起组成的，与它结构相同的晶体还有很多，如 L1F、MgO、T1C 等。 Nacl 晶体通常的滑移面是{110}，滑移方向是&110&，Nacl 晶体最易沿{100}面， （即立 方面）发生脆断，{100}称为解理面，我们很易将它沿{100}切开。 Nacl 极易溶于水，为保证良好的选择性浸蚀，选用的溶剂需尽量避免含水。三、浸蚀液、抛光液、清洗液成分以下介绍两种浸蚀液： 1、浸蚀液：冰醋酸：甲醇=3：1（15：5）37抛光液：甲醇： 乙醇=6：1（24：4） 清洗液：正丁醇： （25CC） 2、浸蚀液：50 份冰醋酸+1 份 FaCl3 盐酸饱和溶液+1 份水。 抛光液：同第一种。 清洗液：吡啶四、实验步骤1、按照上面给出的数据，学生配制一种新鲜的试剂。 浸蚀液：第一种 20 毫升，第二种 28 毫升。 清洗液：25 毫升。 抛光液：28 毫升。 2、将一个小样品沿解理面切成三块，将新鲜表面朝下，用夹子轻轻夹住，放在第一种 浸蚀剂（醋酸―甲醇）中不断摆动，进行浸蚀，浸蚀时间的长短，决定蚀坑的大小和质量， 分别以 30，60，120 秒的不同浸蚀时间进行浸蚀，浸蚀后立刻放到清洗液中清洗，清洗后 轻轻地将新鲜的表面用吹风机吹干，自己选定显微镜的观察条件，观察并记录蚀坑的大小、 形状、选定最佳浸蚀时间，这里给出第二浸蚀剂的最佳浸蚀时间为 5~10 秒。 3、把一块较大的样品切开来，对称的两个新鲜表面用最佳浸蚀时间进行浸蚀，并在金 相显微镜下进行观察。 （a）选择适当的放大倍数，观察位错坑的精细结构，把适当的具有代表性的地方画下 来。 （b）选择适当的放大倍数。观察对称面上浸蚀坑的对称图形并照相。 （c） 把上述两块中的一块放到抛光液中进行抛光， 时间为一分钟，要不断地摆动样品， 抛光后在清洗液中清洗，然后在金相显微镜下检查抛光质量，如果抛光质量良好，再如前 进行浸蚀。和另一块对称解理面进行比较，看抛光重新浸蚀后尖底蚀坑的重现性。 （d）把（C）中样品再抛光，检查抛光质量良好后，用小针在晶体表面上三个不同位 置轻轻刺一下，使力量 P1&P2&P3，浸蚀，观察微小形变引入的位错分布，并示意画下来。五、实验报告内容：1、记录以上各种实验现象。 2、对各种实验现象进行分析解析，对所见蚀坑与位错是否一一对应的问题提出自己看 法。六、思考问题1、研究蚀坑与位错一一对应的意义。 2、什么叫最佳浸蚀时间，最佳浸蚀条件。 3、其他材料（例举）如何运用此方法观察其蚀坑。38实验十一、实验目的铁碳合金平衡组织的观察1、观察识别不同含量的铁炭合金在平衡状态下的显微组织。 2、应用显微分析法分析亚共析钢的含钢量。二、实验说明含碳量小于 2%的铁碳合金称为碳钢，常温下的平衡组织取决于含碳量，由 Fe-Fe2C 相 图可知，在室温下，按钢的含碳量可分为： 工业纯铁 C&0.02% F+Fe2CIII 亚共析钢 C=0.02%~0.8%之间 F+P 共析钢 C=0.8% P 过共析钢 C=0.8%~2%之间 P+Fe2CII 它们的组织分别由铁素体（F） ，渗碳体（Fe2C） ，珠光体（P）三种组织物组成。1、铁素体铁素体是碳容于（α ）-Fe 中的固溶体。抛光试片用 3-5%硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素 体呈亮色。在单相铁碳合金中，铁素体呈多面体状，由于晶体方向性，经腐蚀后，各个铁 素体之间亮度将不相同。有的晶粒暗一些，有的亮一些。在含碳低的钢中，铁素体呈亮块 状分布当含碳量接近共析成分时，铁素体在晶体上呈网状分布。2、渗碳体渗碳体是铁和碳所组成的化合物 Fe3C。用 3~5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮色 而铁素体用硝酸酒精溶液浸蚀后，也呈亮色，两者不易区别。但如用苦味酸钠溶液浸蚀， 渗碳体将染成暗黑色，而铁素体仍是明亮的白色。这样就比较容易区别了。 三次渗碳体（Fe3CIII） ，因数量极少，而且很小，在光显微镜下观察不到，常被忽略。 过共析钢中，二次渗体（Fe3CII）的形状受加热温度和冷却速度的影响，一般完全退火 后呈网状；经球化退火后呈粒状。3、珠光体珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。用 3~5%硝酸酒精溶液腐蚀后，低倍观察 （100~150 倍） ，珠光体呈暗黑色块状。高倍观察，能看出珠光体中渗碳体和铁素体呈黑白 交替的批量纹状组织，这是因为，试样经浸蚀后，在铁素体和渗碳体交界处受到腐蚀。形 成凹坑。在光线的照射下，因散射而呈暗条纹。其中白的是铁素体，黑的地方是渗碳体， 渗碳体本应是亮白色，这是因为珠光体中渗碳体很薄，两边交界腐蚀成的凹沟靠得很近， 不能检别开渗碳体与两边的交界线。 在亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体的面积也随之增加，而铁素体的面积则随 之减少。由于铁素体的含碳量极少，可近似为零，故含碳量可认为全部集中在珠光体内。 同时因为珠光体与铁素体两者的比重相近，因此，在显微镜下，依据珠光体所占面积的百39分数，可以近似地估算钢的含碳量。根据杠杆定理：QF 0.8 ? X ? QP XQF―铁素体量 QP―珠光体量 X―钢的含碳量 通过简化得X ? 0.8QP QF ? QP将 QP 和 QF 用百分比计算， QP+QF=1 X=0.8QP QP―珠光体所占的面积百分比。三、实验用的仪器和试样1、金相显微镜 2、试样试样编号 A-1 A-2 A-3 成分 工业纯铁 0.2%C 0.4%C40热处理 退火 退火 退火浸蚀剂 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液A-5 A-6 A-7 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁0.8%C 1.2%C 1.2%C 2%&C&4.3% C=4.3% 4.3%&C&6.67%退火 退火 退火 铸态 铸态 铸态4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 碱性苦味酸钠溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液四、实验报告的要求1、实验名称及实验目的 2、画出工业纯铁，亚共析钢，共析钢，过共析钢的显微组织（视场园圈直径统一用 30mm） 。 3、估算亚共析钢的含碳量（估算一个试样即可） 。 4、小结实验的心得体会及发现的问题。41实验十一一、实验目的：金属材料硬度的测试及碳钢热处理1、了解金属材料机械性能――硬度的概念，熟悉布氏硬度和洛氏硬度的测试原理掌握 测试方法。 2、熟悉热处理的基本操作。 3、了解钢的热处理对机械性能（硬度）的影响。二、金属材料硬度的测试金属材料抵抗硬的物体压入其表面的能力，称硬度。硬度往往对于机械零件或工具的 使用性能和寿命具有决定意义。一般零件图中都标有该零件的硬度要求，是检验半成品， 成品等机械性能的重要指标。 硬度测定，是用一个一定形状的硬东西――“压印器” ，给它加上一定的重量（载荷） 压在零件表面上，压出一个压痕、根据压痕的大小或深浅来表示零件的硬度数值。常用硬 度测定方法有如下两种： （1）布氏硬度（HB）测定方法图 11-1 布氏硬度试验原理示意图 用淬火钢球作压印器，加一定载荷，压入工作表面，根据压痕面积大小来计算布氏硬 度值。布氏硬度值等于载荷除以压痕部分的球面积 F 以符号 HB 表示即（见图 4-1 所示） 。 P HB ? 公斤 / 毫米 2 F P―所加载荷（公斤） F―压痕面积（毫米 2） ?D 又 F ? ?Dh ? (D ? D 2 ? d 2 ) 2 ∴HB ? 2P?D ( D ? D 2 ? d 2 )式中：D――钢球直径（毫米） h――压痕最大深度（毫米）42d――压痕直径（毫米） 其中 P 与 D 为常数，在测试中只需把压痕直径 d 用放大镜测出就可计算出 HB，实际 应用时，测知 d 后查表可知 HB，无须用公式计算。 根据金属材料种类和试件厚度，按表一选择所用载荷，钢球直径和载荷保持时间。 表 11-1 布氏硬度选用标准材料种类 黑色金属 （硬） 黑色金属 （软） 有色金属及合 金（铜及铜合 金、 镁合金等） 有色金属及合 金（铝及轴承 合金） 布氏硬度范围 HB 试件厚度 （mm） &6 6-3 &3 7.6 6-3 &3 &6 6-3 &3 &6 6-3 &3 钢球直径 D 载荷 负荷保持时间 （mm） （kg） （秒） 10 5 2.5 10 5 2.5 10 5 2.5 .5 .5 .5 250 62.5 15.6 10140-450140 以下30318-130308-3560布氏硬度试验法比较精确倮麻烦，由于钢球本身硬度所限，一般只适于测量 HB450 的 较软材料，如退火、正火或调质状态的钢材。另外，可根据布氏硬度值换算出材料的近似 抗拉强度 σb，如未经淬火的低碳钢 σb=0.36HB。 （2）洛氏硬度（HR）测定法 洛氏硬度测定方法是用金刚石顶角为 120o 园锥体，或直径等于 1.588 毫米的淬火钢球 作为压印器，在一定的压力下，压入试件表面，根据压抗的深浅来测定试件的硬度， （见图 4-2 所示） 。 测试硬度时，将试件表面加工平整，去掉表面的氧化皮等。先加 10 公斤的初载荷，使 园锥压印器在试件表面压一浅坑，此浅坑不计算硬度，只是为了使园锥压印器和试件表面 有良好接触，消除由于不平整而造成的误差。见图 11-2 中的 b，然后再加主载荷，使压印 器由 a 至 C 点，当载荷去除后，由于材料有部分弹性恢复，故压坑深度由 C 点减至 b 点， 这样测量洛氏硬度的有较深度是 h1-h。表示硬度值。此值经过换算由专门刻度指示出于， 可从硬度计上直接读数。 洛氏硬度根据测量范围不同，常用字的有 A、B、C 三种表示。它们的应用范围与压印 器选用见表二所示。 表 11-2 洛氏硬度的选用标准材料硬度范 围（He） 60-230 230-700 &700o o压印器 φ 1.588 淬火钢球 顶角 120 金刚石园锥 顶角 120 金刚石园锥总载荷 （kg） 100 150 60应用举例 HRB（RB）退火钢、铜合金等 HRC（RC）淬火钢、调质钢 HRA（RA）碳化物硬质合金、表面淬 火钢这种方法测量简单，可直接读硬度值，压坑小，不影响试件表面质量，测量范围广。 然而精确度不如布氏硬度测量方法。 （参阅《金属材料及热处理》附录 P. 251）43图 11-2洛氏硬度压抗示意图二、碳钢热处理操作（一）实验说明1、碳钢的热处理原理 钢的热处理基本操作，有淬火、正火、退火和回火四种。 由热处理原理可知，钢在淬火， （退火、正火）加热时得到均匀的奥氏体组织，奥氏体 在冷却时将会发生两种不同的转变：奥氏体向马氏体的转变和奥氏体向铁素体加渗碳体的 混合物的转变。当钢的冷却速度 V&VC（如图）发生马氏体转变。 当钢的冷却速度 V&VC 时发生铁素体+渗碳体混合物转变。即生成珠光体，索氏体或屈 氏体。 改变钢的冷却速度，将获得不同的组织，很缓慢地冷却，如 V1（相当于退火）得到珠 光体，+B（铁素体）慢冷如 V2（相当于正火）得到索氏体，+E 稍快冷却、如 V3（相当于 油淬）得到屈氏体，+Eo 不同组织的强度、硬度有显著的不同。 硬度：马氏体&屈氏体&索氏体&珠光体 回火是将淬火钢加热至 AC1 以下某一温度，保温一定时间，然后冷却的操作。 淬火马氏体回火时的转变是： 8u~180℃温度范围，淬火马氏体变成回火马氏体，同时析出细小的渗碳体质点。 200~300℃温度范围，残余奥氏体转变为回火马氏体。 300~400℃温度范围， 回火马氏体进一步分解并形成细小的渗碳体+铁素体的混合物 （回 火屈氏体） 。 400℃以上回火屈氏体中渗碳体聚集粗化，转变为回火索氏体。442、钢的淬火操作 进行钢的淬火时，需合理地选择淬火温度、加热时间和冷却速度。 淬火温度：由铁――渗碳体的相图来决定。 亚共析钢的加热温度为：AC3+(30~50%) 过共析钢的加热温度为：AC1+(30~50%)图 11-3 45#钢 A 连续冷却转变曲线 保温时间：可参考下列数据决定工作形态 加热温度 600 700 800 900 1000 园 每一毫米直径的保温时间 2.0（分） 1.5（分） 1.0（分） 0.8（分） 0.4（分）表一方 每一毫米尺寸的保温时间 3.0（分） 2.2（分） 1.5（分） 1.2（分） 1.0（分）（二）实验步骤1、每组同学领取一组试件，首先打字编号，测定淬火前的硬度，然后按表一所示选择 加热时间，并按表二的规定进行热处理。 表二试件 编号 1 钢号 45 原始 硬度 加热温度 840℃45加热时间 （分）冷却 方法 空冷淬号硬度 RC显微 组织2 3 4 545 45 T12 20840℃ 840℃ 780℃ 930℃油冷 水冷 水冷 水冷（注：RC 系 RC1、RC2、RC3 三次硬度值的平均值。 ） 2、测定试件热处理后的硬度。 3、淬火操作时的注意事项： （1）注意掌握加热温度和加热时间。 （2）淬火的动作要敏捷、准确。 （3）在测定硬度前须用砂布将试件表面打磨干净。（三）实验报告要求1、列出实验的数据。 2、分析冷却速度对钢组织性能的影响；分析不同含碳量对淬火钢的组织性能的影响。 3、心得体会和发现的问题。4647实验十四钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁电陶瓷 粉体预烧一、实验引言钛酸铋钠 (Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)是 1960 年由 Smolensky 等人发明的钙钛矿型铁电体，室 温时属三方晶系， 居里点为 320℃。 具有铁电性强 r=38μ C/cm2）压电系数大 t,K33~50%） BNT （P ； （K ； 介电常数小（ε r 约为 240―340） ；热电性能与钛酸铅和 PZT 相当；声学性能好（其频率常数 Np=3200Hz?m） ，因而有利于制作声表面波器件；烧成温度属中温烧结（约在 ℃烧 结）比较容易获得好的陶瓷烧结体等优点。但钛酸铋钠陶瓷的矫顽场很高，达 73kV/cm，加 之该陶瓷在铁电相区的电导率较高，因而极化极为困难，难以制得实用的压电陶瓷。此外， 该系列陶瓷烧成温度范围窄，Na2O 易吸水，陶瓷的化学稳定性较 BaTiO3 和 PZT 差。因此，单 纯的 BNT 陶瓷难以实用化。 日本学者 Takenaka 等人长期致力于 BNT 陶瓷的改性研究， 成功地解决了 BNT 陶瓷难以极 化的问题，并得到了性能较好的无铅压电铁电陶瓷。 本实验主要进行对(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3DxBaTiO3DySrTiO3 压电陶瓷金属粉体的预烧实 验。为了对 BNT 电子陶瓷进行改性，解决 BNT 陶瓷难以极化的问题，并得到性能较好的无铅 压电铁电陶瓷，拟用 BaTiO3 和 SrTiO3 进行掺杂改性。二、实验目的了解钛酸铋钠（BNT）金属粉体的构成，组分设计。学会正确使用电子天平。能够在老师 指导下独立完成 BNT 粉体的组分计算、称量、混料和研磨等工艺过程。掌握基本的实验技能， 撰写实验报告，并对实验过程及实验数据进行分析整理。三、实验要求认真阅读实验指导讲义，熟悉各种仪器设备的使用操作规则，记录实验过程及实验数据 包括原料名称、产地、纯度、研磨时间、预烧时间等。清洗实验用具，保持实验室桌面和地 下的整洁，把用过的称量纸、棉球放到塑料垃圾桶内。在综合分析有关实验数据的基础上， 完成实验报告。四、实验仪器和设备1、名称：箱式电阻炉，型号：KXXD41D3A，厂家：上海科析试验仪器厂；2、名称：温 度控制仪， 型号： AID708， 厂家： 厦门宇光电子技术研究所； 名称： 3、 电子天平， 规格： Max200g， 厂家：上海精科天平。五、实验用品及耗材50mL 坩埚、瓷研钵、脱脂棉、滤纸、称量硫酸纸、药勺、手套、口罩、肥皂、毛巾、抹桌 布、电吹风、多功能计算器。六、实验步骤：BNT 粉料的称量与预烧1、 原料准备：Na2CO3、Bi2O3、TiO2、BaCO3、SrCO3；CH3CH2OH；482、 计算称量 0.01mol 的 (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3DxBaTiO3DySrTiO3 不同组分的粉体原料， 其中 x=0.01, y=实验分组数/1000。注意：a. 计算出的原料数据保留三位小数；b. 应对原 料的纯度进行修正； 3、 按照设计组分，把计算好的原料数据，在电子天平上进行称量，然后将所称量的粉 体原料倒入研钵中； 4、 将少许酒精倒入研钵中，仔细搅拌，研磨 30 分钟； 5、 再把混合研磨好的粉料倒进瓷坩埚中，然后将坩埚放入电炉中，按照预烧曲线调整 控温仪。预烧曲线：室温→每分钟升温 0.5℃→80℃保温 120 分钟→每分钟升温 2℃→850℃ 保温 120 分钟→关机（关机信号数据值“T=D121”； ）Time/Minute 学会正确使用程序式温度控制仪。将陶瓷粉体 BNT 按预烧曲线经过数字计算处理后，输 入到程序式温度控制仪中，并再次检查确认无误后，方可启动控温仪； 了解电炉的构造、发热原理。七、注意事项1、 各步骤的实验应在老师指导下进行。2、 电子天平用完后应仔细清除散落在天平内 外的粉料。49实验十五钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁 瓷的成型烧结电陶一、实验意义利用氧化物烧结法制备电子陶瓷具有工艺简单、设备可靠、产品性能稳定、成品率高等 特点。通过本实验的学习，可以了解电子陶瓷的一般制备工艺，熟悉电子陶瓷制备的各项实 验技能，能够在老师的指导下独立完成称量、混料、研磨、成型、烧结等工艺过程。二、实验目的学会正确使用模具和小型压片机，完成其粉体的成型压片制备过程。三、实验要求认真阅读实验指导讲义，正确使用模具和小型压片机的操作，记录实验过程及实验数据 包括研磨时间和烧结时间。清洗实验用具，保持实验室桌面和地下的整洁。把用过的称量纸、 滤纸、棉球放到塑料垃圾桶内。在综合分析有关实验数据的基础上，完成实验报告。四、实验仪器和设备1、名称：箱式电阻炉，型号：KXXD4D13A，厂家：上海科析试验仪器厂；2、名称：温 度控制仪， 型号： AID708， 厂家： 厦门宇光电子技术研究所； 名称： 3、 电子天平， 规格： Max200g， 厂家：上海精科天平；4、名称：集热式恒温磁力搅拌器，规格：DF―101B， 厂家：乐清市乐 成电器厂；5、名称：粉末压片机，型号：769YPD24B，厂家：天津市科器高新技术公司。五、实验用品及耗材培养皿、乙醇、8%PVA 粘合剂、Ф 10mm 粉末压片磨具、镊子、手套、口罩、药勺、肥皂、 毛巾、抹桌布、滤纸、脱脂棉、毛刷、试管刷。六、实验步骤BNT 粉料的成型与烧结 1、将预烧好的粉料从电炉中取出，用勺子把粉料舀进研钵中，仔细研磨 15 分钟； 2、在研磨好的粉料中加入浓度为 8% 2─3 滴 PVA 粘合剂，混合均匀后再研磨 10 分钟； 3、用小型压片机将粉料压制成直径为 10 毫米，厚度约为 1.1 毫米的圆片。要求圆片无 裂纹、不分层，至少压成 4 片符合要求的圆片； 4、在氧化铝板上，均匀倒入少量的粉料，以免圆片在烧结过程中与氧化铝板粘连。再将 压制好的圆片小心均匀分布放在氧化铝板上。然后将氧化铝坩埚盖上，放入电炉中进行烧结； 5、按照烧结曲线调整温控仪。烧结曲线：室温→每分钟升温 0.5℃→105℃保温 120 分钟 →每分钟升温 1℃→450℃保温 30 分钟→每分钟升温 3℃→1200℃保温 60 分钟→关机（关机信 号数据值“T=-D121” ）七、注意事项1、 各步骤的实验应在老师指导下进行。2、 压片机的底板最大行程只有 2 厘米左右， 压片时随时观察底板的行程距离，底板行程不能太大。否则，应旋松固压手柄，使压片机底 板复位。可以重复压几次，决不能只反复加压，一次便压片成功。50Time/min51实验十六钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁电陶瓷 的极化一、实验目的1、对已烧结好的陶瓷圆片进行挑选，把挑选出符合要求的陶瓷圆片用金相砂纸中仔细磨 平，抛光等实验工序。2、在老师指导下，完成对陶瓷样品的极化实验。二、实验要求通过本实验的学习，学会正确使用小型离子溅射仪对陶瓷样品的表面金属化（真空溅射 法） 。陶瓷表面金属化的作用主要有：对陶瓷样品进行极化；作为电容器的电极；集成电路管 壳的引线；装置瓷用作焊接、密封等。学会正确使用氩气钢瓶的开气、关气以及小型离子溅 射仪的操作； ；学会正确使用 CJ2671 耐压测试仪，测试陶瓷样品在不同频率下的电容、介电 损耗。分析陶瓷样品介质损耗与频率的关系；介电常数与频率的关系；介电常数与温度的关 系。学会正确使用加热磁力搅拌器。三、实验仪器和设备1、名称：离子溅射仪，型号：SBCD12，厂家：中科院北京科学仪器研制中心；2、名称： 集热式恒温磁力搅拌器，规格：DF―101B， 厂家：乐清市乐成电器厂；3、名称：耐压测试 仪，型号：CJ2671，厂家：南京长江无线电厂；4、氩气钢瓶。四、实验用品及耗材烧杯、硅油、陶瓷样品夹具、乙醇、去污粉、肥皂、毛巾、培养皿、金相砂纸、镊子、尖 嘴钳、手套、脱脂棉、抹桌布、200℃可调温度计、电吹风、滤纸、毛刷、试管刷、 （Pt、Au、 Ag 等）溅射靶，视其陶瓷体系不同而选之。五、实验步骤1、将烧结好的陶瓷圆片从电炉中取出，仔细观察。凡有裂纹、翘曲的陶瓷样品，均不能 使用。 2、送一片陶瓷圆片样品（有裂纹和翘曲的陶瓷样品，均可使用）到 X 射线衍射仪实验室 进行 XRD 的物相测试。 3、将平整的、不分层、不翘曲的陶瓷圆片样品用金相粗砂纸仔细打磨，使两个平面十分 平整，再用金相细砂纸进行打磨抛光。 4、用酒精将打磨抛光好的陶瓷圆片样品清洗干净。注意：对已经打磨好的样品，只能用 镊子进行移动，翻面清洗，不可用手直接拿取。 5、在老师指导下，把陶瓷圆片样品放到小型离子溅射仪的托盘上，进行镀膜。六、注意事项1、第一次溅射定时在 60 秒，第二次可调到 80 秒，每溅射一次停顿 2 分钟。2、毫安表指 针不超过 10mA。3、气压指针应指示到 5 以下，才能启动离子溅射仪。52实验十七钛酸铋钠―钛酸钡钙钛矿型铁电陶瓷 的电学性能测试一、实验意义利用电桥法可以测试电子陶瓷的介电系数、介电损耗、居里点等参数；利用准静态法可 以测试电子陶瓷的电压系数(又称绝缘强度)。通过本实验的学习，可以了解电子陶瓷的电学 测试方法，熟悉电子陶瓷的电学参数测试技术，能够在老师的指导下独立测试电子陶瓷的介 电系数、介电损耗、居里点、压电系数等。掌握基本的实验技能，为探索新型电子材料奠定 良好的实验基础。 1、XRD 物相分析实验原理：1、X 射线是一种波长极短的电磁波。用 X 射线照射物质时会 产生衍射花样，衍射花样除与 X 射线的种类有关外，主要受物质结构影响。 根据布拉格定律：2d sin ? ? n?可知衍射方向（用θ 描述）与晶