材料现代分析技术

材料、信息和能源是现代科学技术重点发展的三大领域，而材料又是信息和能源发展的物质基础，是重中之重，没有先进材料就没有现代科技。然而，对材料的科学分析是获得先进材料的核心环节，也是材料科学工作者的知识。

为此，南京理工大学较早开设了材料类的核心课程《材料研究方法》，经多年的建设和努力，2019年入选在线开放课程国家精品，2020年入选线上线下混合式国家一流课程，参加学生已达2.5万余人。在此基础上，我们编写了《材料现代分析技术》，作为该课程的选用教材。

材料的测试方法繁多，并且随着科学技术的发展，更先进的测试方法不断涌现，因此不同的材料分析方法教材很难做到全面介绍，对每一种分析方法的详略安排差别也较大，侧重点不同。本书根据材料分析的不同目的，将内容分为结构分析技术、形貌分析技术、成分分析技术和其他分析技术四个篇章。结构分析技术的核心是衍射，包括X射线衍射分析、电子衍射分析、电子背散射衍射分析和中子衍射分析。形貌分析技术主要包括扫描电子显微分析、扫描透射电子显微分析、原子力显微分析和扫描隧道显微分析。成分分析技术包括特征X射线能谱（又称电子探针）分析、荧光X射线能谱分析、特征电子能谱（俄歇电子能谱、X射线光电子能谱）分析、原子探针和光谱分析。其他分析技术主要为热分析。

书中所涉及的材料包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料、非晶材料、复合材料等。对每章内容均作了提纲式的小结，便于读者复习和掌握所学内容，对一些重要的分析方法，还列举了相关的分析实例，帮助读者深刻领会材料分析的科学思路，懂得该分析什么、为何分析及怎么分析。全书力求内容深度适中，表述繁简结合，通俗易懂。

本书由南京理工大学一线教师编著。全书共14章及附录：朱和国编写第1～7章，11章，14章及附录；尤泽升编写第8章，兰司编写第9章，曾海波编写第10章，黄鸣编写第12章，董玉辉编写第13章，全书由朱和国统稿，沙刚主审。评审专家南京大学吴迪教授对本书书稿提出了许多宝贵建议，在此表示衷心感谢。

本书广泛参考和应用了其他材料科学工作者的一些研究成果，出版工作得到了南京理工大学教务处及材料学院领导的积极支持，得到东南大学吴申庆教授的热情鼓励，以及张继峰、黄思睿、吴健、朱成艳、伍昊、赵晨朦、刘晓燕、邓渊博、赵振国、刘思聪、杨泽晨等研究生的鼎力协助，在此表示深深的敬意和感谢！

由于作者水平有限，本书中定有疏漏和不妥之处，敬请广大读者批评指正。

编者

2021年春于南京

朱和国，南京理工大学材料学院，教授/博导，朱和国：男，1963年7月生，汉族，江苏丹阳人，博士、教授、博士生导师，校教学名师。主持完成国家自然基金和江苏省自然基金面上项目各两项，主持在研省科技攻关项目和国防项目各一项，参加国防基础研究、国家自然基金等项目多项，发表期刊论文近百篇，其中第@一作者SCI收录论文40篇，二区以上16篇。授权发明专利6项。*自然科学二等奖1项（排名第4）。十余种外文期刊审稿人。出版独立专著《内生型铝基复合材料反应机制与力学性能》一部，国防工业出版社出版，28万字，2013；主持编著“十一五”国家@级规划教材、“十二五”、“十三五”江苏省高校重点教材、兵工优@秀教材《材料科学研究与测试方法》（第1～第4版）及其配套教材：《材料科学研究与测试方法学习辅导》和《材料科学研究与测试方法实验教程》，东南大学出版社；编著“十三五”江苏省高校重点教材、兵工优@秀教材《复合材料原理》（第1、第2版），电子工业出版社。MOOC网课程《复合材料原理》负责人。

第1篇结构分析技术

第1章晶体的投影与倒易点阵

1.1晶体的投影/2

1.1.1球面投影/2

1.1.2极式网与乌氏网/4

1.1.3晶带的极式球面投影和极射赤面投影/7

1.1.4标准极射赤面投影图/9

1.2正点阵与倒易点阵/10

1.2.1正点阵/10

1.2.2倒易点阵/10

1.2.3正倒空间之间的关系/12

1.2.4倒易矢量的基本性质/13

1.2.5晶带定律/14

1.2.6广义晶带定律/15

本章小结/15

思考题/16

第2章X射线的物理基础

2.1X射线的发展史/18

2.2X射线的性质/18

2.2.1X射线的产生/18

2.2.2X射线的本质/19

2.3X射线谱/21

2.3.1X射线连续谱/21

2.3.2X射线特征谱/22

2.4X射线与物质的相互作用/26

2.4.1X射线的散射/26

2.4.2X射线的吸收/27

2.4.3吸收限的作用/30

本章小结/31

思考题/32

第3章X射线的衍射原理

3.1X射线衍射的方向/34

3.1.1劳埃方程/34

3.1.2布拉格方程/36

3.1.3布拉格方程的讨论/37

3.1.4衍射矢量方程/40

3.1.5布拉格方程的厄瓦尔德图解/41

3.1.6布拉格方程的应用/42

3.1.7常见的衍射方法/42

3.2X射线的衍射强度/44

3.2.1单电子对X射线的散射/45

3.2.2单原子对X射线的散射/46

3.2.3单胞对X射线的散射强度/48

3.2.4单晶体的散射强度与干涉函数/53

3.2.5单相多晶体的衍射强度/57

3.2.6影响单相多晶体衍射强度的其他因素/58

本章小结/61

思考题/65

第4章X射线的衍生分析及其应用

4.1X射线衍射仪/66

4.1.1测角仪/66

4.1.2计数器/68

4.1.3计数电路/69

4.1.4X射线衍射仪的常规测量/70

4.2X射线物相分析/71

4.2.1物相的定性分析/71

4.2.2物相的定量分析/80

4.3点阵常数的精确测定/84

4.3.1测量原理/84

4.3.2误差源分析/84

4.3.3测量方法/85

4.4宏观应力的测定/89

4.4.1内应力的产生、分类及其衍射效应/89

4.4.2宏观应力的测定原理/89

4.4.3宏观应力的测定方法/92

4.4.4应力常数K的确定/95

4.5微观应力的测定/97

4.6非晶态物质及其晶化后的衍射/97

4.6.1非晶态物质X射线衍射花样/98

4.6.2非晶态物质的晶化/98

4.7单晶体的取向分析/99

4.7.1单晶体的取向表征/99

4.7.2单晶体的取向测定/102

4.8单晶体的结构衍射分析/103

4.8.1四圆衍射仪/103

4.8.2面探测器衍射仪/104

4.9多晶体的织构分析/104

4.9.1织构及其表征/104

4.9.2丝织构的测定与分析/107

4.9.3板织构的测定与分析/111

4.10晶粒大小的测定/122

4.11小角X射线散射/123

4.11.1小角X射线散射的两个基本公式/123

4.11.2小角X射线散射技术的特点/124

4.11.3小角X射线散射技术的应用/124

4.12淬火钢中残余奥氏体的测量/125

4.13X射线薄膜分析/126

4.13.1薄膜物相结构分析/126

4.13.2薄膜厚度的测定/127

4.13.3薄膜应力的测定/128

4.13.4薄膜织构分析/129

4.14层错能的测定/129

4.14.1复合层错概率Psf的测定/129

4.14.2层错能的计算/130

本章小结/131

思考题/134

第5章电子显微分析基础

5.1电子波的波长/137

5.2电子与固体物质的作用/138

5.2.1电子散射/138

5.2.2电子与固体作用时激发的信息/140

5.3电子衍射/144

5.3.1电子衍射与X射线衍射的异同点/144

5.3.2电子衍射的方向——布拉格方程/145

5.3.3电子衍射的厄瓦尔德图解/146

5.3.4电子衍射花样的形成原理及电子衍射的基本公式/147

5.3.5零层倒易面及非零层倒易面/148

5.3.6标准电子衍射花样/149

5.3.7偏移矢量/153

5.4低能电子衍射/155

5.4.1低能电子衍射原理/155

5.4.2低能电子衍射仪的结构与花样特征/157

5.4.3LEED的应用举例/157

本章小结/159

思考题/161

第6章透射电子显微镜

6.1工作原理/163

6.2分辨率/164

6.2.1光学显微镜的分辨率/164

6.2.2透射电子显微镜的分辨率/165

6.3电磁透镜/167

6.3.1静电透镜/167

6.3.2电磁透镜/167

6.4电磁透镜的像差/169

6.4.1球差/169

6.4.2像散/170

6.4.3色差/171

6.5电磁透镜的景深与焦长/172

6.5.1景深/172

6.5.2焦长/173

6.6电镜的电子光学系统/174

6.6.1照明系统/174

6.6.2成像系统/177

6.6.3观察记录系统/178

6.7主要附件/178

6.7.1样品倾斜装置/178

6.7.2电子束的平移和倾斜装置/179

6.7.3消像散器/179

6.7.4光阑/180

6.8透射电镜中的电子衍射/181

6.8.1有效相机常数/181

6.8.2选区电子衍射/182

6.9常见的电子衍射花样/183

6.9.1单晶体的电子衍射花样/183

6.9.2多晶体的电子衍射花样/186

6.9.3复杂的电子衍射花样/187

6.10透射电镜的图像衬度理论/198

6.10.1衬度的概念与分类/198

6.10.2衍射衬度运动学理论与应用/200

6.10.3非理想晶体的衍射衬度/206

6.10.4非理想晶体的缺陷成像分析/206

6.11衍射衬度动力学简介/216

6.12透射电镜的样品制备/220

6.12.1基本要求/221

6.12.2薄膜样品的制备过程/221

本章小结/223

思考题/225

第7章薄晶体的高分辨像

7.1高分辨电子显微像的形成原理/229

7.1.1试样透射函数/229

7.1.2衬度传递函数S（u，v）/231

7.1.3像平面上的像面波函数B（x，y）/233

7.1.4欠焦条件及电镜分辨率/234

7.1.5通带宽度（sinχ=-1）的影响因素/235

7.2高分辨像举例/240

7.2.1晶格条纹像/240

7.2.2一维结构像/242

7.2.3二维晶格像/243

7.2.4二维结构像/244

本章小结/246

思考题/247

第8章电子背散射衍射

8.1基本原理/248

8.1.1电子背散射衍射/249

8.1.2扫描电镜的透射菊池衍射/249

8.2EBSD仪器简介/250

8.3EBSD衍射谱标定与晶体取向确定/252

8.3.1EBSD衍射谱标定/252

8.3.2晶体取向确定/255

8.4EBSD分辨率/257

8.5EBSD样品制备/258

8.6EBSD的应用/259

8.6.1取向衬度成像/259

8.6.2织构分析/260

8.6.3晶粒取向差及晶界特性分析/260

8.6.4物相鉴定/261

8.6.5晶格缺陷分析/262

8.6.6三维取向成像/264

本章小结/265

思考题/266

第9章中子衍射

9.1概述/267

9.2原理/267

9.2.1中子衍射基本原理/267

9.2.2中子衍射和X射线衍射的区别和联系/268

9.2.3中子技术测量应力的基本原理/270

9.3应用/271

9.3.1利用中子衍射原位测定残余应力/271

9.3.2材料织构的衍射测定/273

9.3.3离子溶液的中子散射研究/274

9.3.4中子衍射的生物同位素替代研究/276

本章小结/278

思考题/278

第2篇形貌分析技术

第10章形貌分析

10.1扫描电子显微镜/280

10.1.1扫描电镜的结构与原理/281

10.1.2扫描电镜的主要性能参数/283

10.1.3成像衬度/284

10.1.4二次电子衬度像的应用/286

10.1.5背散射电子衬度像的应用/289

10.1.6扫描电子显微镜的发展/290

10.2扫描透射电子显微镜/291

10.2.1扫描透射电子显微镜的工作原理/291

10.2.2扫描透射电子显微镜的特点/292

10.2.3扫描透射电子显微镜的应用/293

10.3扫描隧道电子显微镜/294

10.3.1STM的基本原理/294

10.3.2STM的工作模式/295

10.3.3STM的特点/295

10.3.4STM的应用/296

10.4原子力显微镜/299

10.4.1原子力显微镜的工作原理/299

10.4.2原子力显微镜的工作模式/300

10.4.3试样制备/300

10.4.4形貌成像的应用/301

本章小结/302

思考题/304

第3篇成分分析技术

第11章能谱分析

11.1俄歇电子能谱/306

11.1.1俄歇电子能谱仪的结构原理/306

11.1.2俄歇电子谱/307

11.1.3定性分析/308

11.1.4定量分析/309

11.1.5化学价态分析/310

11.1.6AES的应用举例/310

11.1.7俄歇能谱仪的进展/312

11.2X射线光电子能谱/312

11.2.1X射线光电子能谱仪的工作原理/312

11.2.2X射线光电子能谱仪的系统组成/313

11.2.3X射线光电子能谱及表征/315

11.2.4X射线光电子能谱仪的功用/317

11.2.5XPS的应用举例/319

11.2.6XPS的发展趋势/321

11.3电子探针/322

11.3.1电子探针波谱仪/322

11.3.2电子探针能谱仪/325

11.3.3能谱仪与波谱仪的比较/326

11.3.4电子探针分析及应用/326

11.4X射线荧光光谱/328

11.4.1工作原理/328

11.4.2结构组成/329

11.4.3应用/330

本章小结/331

思考题/332

第12章原子探针技术

12.1原子探针技术的发展史/333

12.2场离子显微镜/334

12.2.1场离子显微镜的结构原理/334

12.2.2场电离/335

12.2.3场离子显微图像/336

12.3原子探针/338

12.3.1场蒸发/338

12.3.2原子探针的基本原理/339

12.3.3原子探针层析/340

12.3.4原子探针脉冲模式/341

12.3.5原子探针样品制备/341

12.3.6原子探针层析的应用/343

本章小结/347

思考题/347

第13章光谱分析技术

13.1原子发射光谱/348

13.1.1基本原理/349

13.1.2仪器/350

13.1.3分析方法/354

13.1.4应用/355

13.2原子吸收光谱/356

13.2.1基本原理/356

13.2.2仪器/358

13.2.3干扰与去除/359

13.2.4分析方法/360

13.2.5应用/361

13.3原子荧光光谱/361

13.3.1基本原理/361

13.3.2仪器/363

13.3.3原子荧光光谱法的优点/363

13.3.4应用/363

13.4紫外-可见分光光度法/364

13.4.1基本原理/364

13.4.2基本概念/364

13.4.3紫外-可见分光光度计/366

13.4.4紫外-可见分光光度法的分析及应用/367

13.5红外光谱/368

13.5.1基本原理/368

13.5.2红外光谱仪/371

13.5.3试样的处理和制备/372

13.5.4红外光谱法的应用/373

13.6激光拉曼光谱/374

13.6.1基本原理/374