【现货速发】材料X射线衍射基础与实践

材料是人类文明进步的物质基础和重要标志，为高端装备、先进制造、航空航天、交通运输、土木建筑、能源环保、医学健康等众多领域提供重要支撑。材料的宏观性能与微观结构密切相关，而X射线衍射分析正是研究材料微观结构的最基础、最重要的技术之一，在材料的表征和性能优化、新材料的设计和探索中具有重要作用，广泛应用于材料、物理、化学、冶金、机械等学科中，是体现学科交叉特征的一种材料分析技术。
编者讲授“材料X射线衍射学”课程多年，熟知课程知识体系，同时也一直工作在材料科学研究一线。在撰写本书过程中，始终把学生专业能力和创新能力的培养作为核心和目标，并对标高校材料类专业毕业要求的内涵观测点，注重知识点的理论基础和在材料研究中的实际应用，旨在提升学生在材料认知、设计和调控等方面的专业能力，并培养创新思维，为国家培养具有突出科技创新能力、善于解决复杂工程问题的高素质人才。此外，编者增设了部分课程思政内容，以及科技前沿和进展的报道，体现课程的时代性和前沿性，并引导学生增强爱国精神。例如，分别在第1章和第8章增加了我国“慧眼”硬X射线卫星、我国科学家在X射线发展中的重要贡献和伟大成果等内容，以及X射线衍射技术研究材料位错密度等最新成果。
本教材为燕山大学金属材料工程专业、无机非金属材料工程专业、高分子材料与工程专业、材料物理专业国家级一流本科专业建设成果教材。在本书撰写中，突出了以下几个方面：(1)逻辑融通。注重内容的整体性，详述核心知识点引入的必要性、重要性、科学性，强调核心知识点之间以及章节间的逻辑关系。(2)问题导向。围绕科学问题而引入知识点讲授，并引发学生思考，通过增加习题与思考题，强化知识点的巩固和应用。(3)难点剖析。设置了独立章节讨论教学难点，如倒易空间、劳厄方程与布拉格方程的衔接、衍射矢量方程、干涉函数等内容。(4)重点深挖。核心内容贯穿于多个章节，从多角度认识和理解，如布拉格方程、点阵消光、埃瓦尔德图解等。(5)专业兼顾。内容涵盖了X射线衍射在金属、无机、高分子等材料体系中的应用，也包含了非晶态材料的结构与衍射相关内容。(6)内容精练。本教材以基础理论讲解为主，辅以相关实际应用范例，针对本科生教学课时要求，尽可能压缩与核心理论关联性较弱的内容。
本书的第1、4～6章主要由燕山大学王利民教授完成，第2、7章主要由北京师范大学吴立明教授完成，第3、8、9章主要由燕山大学张宴会老师完成，三位编者均对全书进行了系统的校对工作。此外，本书编著过程中也得到了众多材料领域专家的支持和帮助。燕山大学材料科学与工程学院冯士东教授协助撰写了第1章和第6章的部分内容，舒予老师协助撰写了第2章和第7章的部分内容，梁永日教授协助撰写了第8章部分内容，王天生教授、梁永日教授、翟昆教授、范长增教授、王霖教授对本书进行了校正。燕山大学理学院李子敬副教授参与了第1章部分内容的撰写。燕山大学材料科学与工程学院综合实验室乔琪老师提供了部分物质的X射线粉末多晶衍射图谱。燕山大学材料科学与工程学院田永君院士和刘日平教授给予了大力支持并提出修改意见和建议。中国物理学会X射线衍射专业委员会秘书长、中国科学院物理研究所王文军研究员，中国科学院物理研究所董成研究员，南京大学吴迪教授，华北理工大学许莹教授与编者进行了多次有益讨论，并提出宝贵意见。在此，对各位专家的付出和支持表示衷心感谢。
由于编著者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正。

编著者
2023年6月

《材料X射线衍射基础与实践》根据“高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材”建设项目的要求，博采同类教材众长并结合编者多年教学和科研心得，从学生学习角度整合教材内容，教材深挖教学重点、剖析难点，不仅着眼于学生基础知识结构的构建，更注重学生思考能力的培养。
本书内容的安排如下：第1章绪论，阐述该课程在材料科学与工程专业课程体系中的定位，介绍衍射现象和衍射技术的发展历程；第2章讲解X射线的基础物理知识；第3章为材料晶体结构的描述方法，重点解释引入倒易空间描述晶体结构的科学性和意义；第4～6章讲解X射线晶体衍射的基本理论，包括衍射方向、衍射强度和衍射线形等，重点内容包括劳厄方程、布拉格方程、衍射矢量方程、埃瓦尔德图解、消光规律、干涉函数等；第7章为X射线衍射技术和方法，介绍获得衍射图谱的常见技术和基本方法；第8、9章介绍X射线衍射技术的基本应用，主要包括材料的物相鉴定与定量分析、点阵常数测定、结晶度分析和应力分析等。
本书是高等学校材料类专业的本科和研究生教材，也可供材料研究和工程领域的技术人员参考。

王利民，男，教授、博导，河北玉田人 
现任燕山大学副校长 
"长江学者"奖励计划特聘教授
材料专业教学指导委员会副秘书长 
从事材料相变尤其是非晶材料研究，先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、重点项目、河北省杰出青年基金等国家或省部级项目近20项。发表SCI学术论文200多篇。 
教育经历： 
[1]. 1998.9- 2001.7 
中国科学院物理研究所 | 凝聚体物理 | 博士研究生 | 博士学位 
[2]. 1995.9- 1998.7 
燕山大学 | 材料科学与工程 | 硕士研究生 | 硕士 
[3]. 1991.9- 1995.7 
燕山大学 | 材料科学与工程 | 大学本科教育 | 学士 
工作经历： 
[1]. 2007.8- 至今 
燕山大学 | 材料科学与工程学院 | 院长 | 教授 | 在岗 
[2]. 2001.9- 2007.7 
Arizona State University | post-doc 
研究领域： 
非晶态材料的形成机理与成分设计
非晶转变热力学与动力学

第1章绪论
1.1X射线的发现与应用领域  1
1.2X射线衍射学发展历程  3
1.3衍射基本概念  5
1.4教材特点与内容安排  7
习题与思考题  7

第2章X射线的物理学基础
2.1X射线的产生  9
2.1.1X射线管  9
2.1.2同步辐射  11
2.2X射线的性质  12
2.2.1X射线的物理本质  12
2.2.2X射线分类  13
2.3X射线谱  13
2.3.1连续X射线谱  13
2.3.2特征X射线谱  14
2.4莫塞莱定律  17
2.5X射线与物质的相互作用  18
2.5.1散射  18
2.5.2吸收  19
2.5.3透过与衰减  21
2.6X射线的安全与防护  23
习题与思考题  23

第3章材料晶体结构概述
3.1晶体结构的正空间表达与分类  25
3.1.1晶体结构与空间点阵  25
3.1.2晶胞与基本矢量  25
3.1.3布拉维晶胞  26
3.2晶面的标定与属性  29
3.2.1晶面指数  29
3.2.2晶面间距  30
3.2.3晶面族  31
3.2.4六方晶系的晶面指数  31
3.3晶向和晶带  32
3.3.1晶向和晶向指数  32
3.3.2晶向族  32
3.3.3晶带和晶带轴  33
3.4晶体结构的倒空间表述  33
3.4.1引入倒易变换和倒易点阵的必要性  33
3.4.2倒易点阵和倒空间  34
3.4.3倒易点阵与正点阵的变换  35
3.4.4倒易矢量及其性质  36
3.4.5倒易变换本质与数学表达  38
3.4.6倒易变换的科学意义  39
3.5非晶态材料结构  41
习题与思考题  44

第4章X射线衍射方向
4.1衍射谱的基本要素  45
4.1.1晶体X射线衍射的产生  45
4.1.2衍射图像的基本要素  45
4.2衍射方向的劳厄方程  47
4.2.1劳厄方程推导  47
4.2.2三维劳厄衍射方程的讨论  49
4.3衍射方向的布拉格方程  52
4.3.1布拉格方程推导  52
4.3.2布拉格方程的讨论  54
4.3.3劳厄方程和布拉格方程的比较  58
4.4衍射矢量方程  58
4.4.1衍射矢量方程推导  59
4.4.2衍射矢量方程的讨论  60
4.4.3埃瓦尔德图解  62
4.5埃瓦尔德图解应用：基于衍射原理的三种衍射方法  64
习题与思考题  68

第5章X射线衍射强度
5.1一个电子对X射线的散射  70
5.2一个原子对X射线的散射  71
5.2.1原子散射因子  71
5.2.2原子散射因子的讨论  72
5.3一个晶胞对X射线的散射  73
5.3.1简单点阵和带心点阵的散射  74
5.3.2带心点阵消光规律的定性分析  74
5.3.3带心点阵消光规律的定量分析：结构因子  76
5.3.4衍射谱指标化  85
5.4一个晶粒的X射线衍射强度  86
5.5粉末多晶的X射线衍射积分强度  87
5.5.1参与衍射的晶粒数目  87
5.5.2参与衍射的衍射面数目——多重性因子PHKL  89
5.5.3单位弧长上的积分强度  90
5.5.4角因子φ(θ)  90
5.5.5吸收因子A(θ)  91
5.5.6温度因子e-2M  91
5.5.7粉末多晶衍射积分强度  92
习题与思考题  93

第6章X射线衍射线形
6.1衍射峰的宽化  94
6.2晶粒细化引起的衍射峰宽化  95
6.2.1一个晶粒的衍射强度理论：干涉函数  95
6.2.2干涉函数的讨论  96
6.2.3衍射峰宽化的分析解释：德拜-谢乐方程  102
6.3晶格畸变导致的衍射峰宽化  105
6.4非晶态材料的衍射谱和干涉函数  107
习题与思考题  110

第7章材料衍射分析的实验方法
7.1衍射方法与衍射仪器分类  111
7.1.1按衍射原理分类  112
7.1.2按信号记录方式与接收系统分类  114
7.2衍射几何  115
7.2.1Debye-Scherrer 衍射几何  115
7.2.2Bragg-Brentano衍射几何  115
7.2.3Seemann-Bohlin衍射几何  117
7.3粉末X射线衍射仪  118
7.3.1X射线发生器  119
7.3.2测角仪  119
7.3.3晶体单色器  120
7.3.4信号接收器  121
7.4粉末衍射测量的基本参量与要求  121
7.5单晶X射线衍射仪  122
习题与思考题  122

第8章物相分析与点阵常数的精确测定
8.1物相定性分析  124
8.1.1基本原理和方法  124
8.1.2PDF卡片与分析软件  125
8.1.3基于单晶结构构建粉末衍射  127
8.2物相定量分析  129
8.2.1基本原理  129
8.2.2常用方法  130
8.2.3非晶材料结晶度测量  134
8.3点阵常数的精确测定  136
8.3.1基本原理  136
8.3.2误差产生原因和消除误差的方法  137
8.3.3辐射源对晶胞常数测定的影响  140
8.3.4Kα1和Kα2衍射线条的分辨  140
8.3.5点阵常数精确测定的应用  141
习题与思考题  143

第9章X射线衍射应力分析
9.1应力产生与分类  145
9.2应力测定的方法和基本原理  146
9.3三类应力与X射线衍射谱  146
9.4X射线衍射单轴应力测定  149
9.5X射线衍射平面应力测定  151
9.5.1基本原理  152
9.5.2sin2ψ法  153
习题与思考题  155

附录
附录A劳厄方程与布拉格方程的等效性  157
附录B衍射矢量方程与劳厄方程等效性  159
附录C衍射矢量方程与布拉格方程等效性  160

参考文献

《材料X射线衍射基础与实践》根据“高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材”建设项目的要求，博采同类教材众长并结合编者多年教学和科研心得，从学生学习角度整合教材内容，教材深挖教学重点、剖析难点，不仅着眼于学生基础知识结构的构建，更注重学生思考能力的培养。
本书内容的安排如下：第1章绪论，阐述该课程在材料科学与工程专业课程体系中的定位，介绍衍射现象和衍射技术的发展历程；第2章讲解X射线的基础物理知识；第3章为材料晶体结构的描述方法，重点解释引入倒易空间描述晶体结构的科学性和意义；第4～6章讲解X射线晶体衍射的基本理论，包括衍射方向、衍射强度和衍射线形等，重点内容包括劳厄方程、布拉格方程、衍射矢量方程、埃瓦尔德图解、消光规律、干涉函数等；第7章为X射线衍射技术和方法，介绍获得衍射图谱的常见技术和基本方法；第8、9章介绍X射线衍射技术的基本应用，主要包括材料的物相鉴定与定量分析、点阵常数测定、结晶度分析和应力分析等。
本书是高等学校材料类专业的本科和研究生教材，也可供材料研究和工程领域的技术人员参考。

王利民，男，教授、博导，河北玉田人 
现任燕山大学副校长 
"长江学者"奖励计划特聘教授
材料专业教学指导委员会副秘书长 
从事材料相变尤其是非晶材料研究，先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、重点项目、河北省杰出青年基金等国家或省部级项目近20项。发表SCI学术论文200多篇。 
教育经历： 
[1]. 1998.9- 2001.7 
中国科学院物理研究所 | 凝聚体物理 | 博士研究生 | 博士学位 
[2]. 1995.9- 1998.7 
燕山大学 | 材料科学与工程 | 硕士研究生 | 硕士 
[3]. 1991.9- 1995.7 
燕山大学 | 材料科学与工程 | 大学本科教育 | 学士 
工作经历： 
[1]. 2007.8- 至今 
燕山大学 | 材料科学与工程学院 | 院长 | 教授 | 在岗 
[2]. 2001.9- 2007.7 
Arizona State University | post-doc 
研究领域： 
非晶态材料的形成机理与成分设计
非晶转变热力学与动力学