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一、材料X射线应力测试
1、三种应力及衍射效应
材料现代分析方法X射线内应力的测定
第I类应力（σⅠ）：
在物体宏观较大体积或多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。
此类应力释放，会使物体宏观体积或形状发生变化，称之为“宏观应力”或“残余应力”。
衍射效应：
能使衍射线产生位移。
产生原因：
比如零件在热处理、焊接、表面处理、塑性变形加工。
第II类内应力（σⅡ）：
在一个或少数个晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。
衍射效应：
引起线形变化（峰宽化）。
产生原因：
由于弹性变形时晶格会发生弹性的弯曲、扭转、拉伸等，变形消失后残留的内应力，或者由于温度变化引起。
第III类应力（σⅢ）：
在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。
衍射效应：
能使衍射强度减弱。
产生原因：
由于不同种类的原子的移动、扩散、原子的重新排列使晶格畸变所造成的。
第Ⅱ类应力和第Ⅲ类应力称为：
“微观应力”。
2、应力测定原理
通过测定弹性应变量推算应力（σ=Eε）。
通过晶面间距的变化来表征应变（σ=Eε=E△d/d0）
晶面间距的变化与衍射角2θ的变化有关。
因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面的衍射线位移量△θ，即可计算出晶面间距的变化量△d/d，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应力数值。
1）、对于单轴应力测定的思路：
是在单轴应力作用下，垂直于应力方向的晶面间距变小，通过X-ray衍射求出晶面间距的变化值，便可算出应变（ε=△d/d），通过εx=-γεy，求出应力方向的应变，从而求出应力σy=Eεy。
布拉格方程微分得d/d=-cosθ*△θ，推出
2）宏观应力测定方法：
由应力测定的基本公式：
可知，若测得M，根据测试条件取应力常数K，即可求得测定方向平面内的宏观应力值因此关键是M的测定。
一般步骤如下：
（1）使X射线从几个不同的ψ角入射（ψ角已知），并分别测取各自的2θ（衍射角）。
（2）作出2θ-sin2ψ的曲线，求出斜率M，求出σφ。
3、衍射仪法测定2θ-sin2ψ曲线常用方法有两种：
①sin2ψ法
为尽量避免测量时的误差，多取ψ方位进行测量，用最小二乘法求出2θ-sin2ψ直线的最佳斜率。
一般ψ=0°、15°、30°、45°,测量对应的2θ角，绘制2θ-sin2ψ关系图。
、
②0o－45°法（两点法）
取ψ（ψ0）为0°和45°（或其他两个适当的角度），分别测量2θ，作直线求M值；
适用范围：
已知2θ-sin2ψ关系呈良好线性或测量精度要求不高的工件。
作业
1、材料的内应力分类及产生的衍射效应？
2、内应力测定原理？
3、宏观内应力的主要测定方法？
二、材料织构
织构定义：
多晶体由许多晶粒组成，但就其晶粒取向分布而言，可分为两种情况：
一种是取向分布呈完全无序状态；
另一种是取向分布偏离完全无序状态，呈现某种择优分布趋势。
具有择优取向的结构状态称为织构。
分为丝织构和板织构。
2）取向表述：
取向描述了物体从初始取向出发相对于参考坐标系的转动状态。
（1）密勒指数（Millerindices）•
（hkl）[uvw],（hkl）||轧面,[uvw]||轧向{hkl}Miller指数族
（2）欧拉角（Eulerangles）经过以下三次旋转操作，可实现样品坐标轴与任意的晶体坐标轴重合。
第一次：
XOY面绕Z轴转φ1角；第二次：
YOZ面绕新的X轴转Ф角；第三次：
XOY面绕新的Z轴转φ2角
（3）旋转矩阵（RotationmatrixG）（4）旋转轴角（Angle/axisofrotation）
3）极图
以多晶体材料的特征外观方向（轧制平面法向ND、轧制方向RD及横向TD）作为宏观参考系的三个坐标轴，取轧制平面为投影面，将多晶材料中每个晶粒的某一低指数晶面（hkl）法线用极射赤道平面投影的方法投影在此平面上得到多晶材料的（hkl）极图。
主要用来描述板织构{hkl}
根据极密度的高低可得到赤面投影后的极图密度分布。
再根据极密度值的起伏范围画出等密度线，即可制成通常分析织构所用的极图。
4）反极图
把多晶材料中垂直于轧面法线（和轧向、横向）所有晶面的极点全部投影到同一极射赤面投影的基本三角形中，也就是某一样品的参考方向（ND，RD，TD）在晶体坐标系中的几率分布的极射赤面投影。
以晶体的三个主要晶轴（或低指数晶向）为参照坐标系的三个坐标轴，取与晶体主要晶轴垂直的平面作投影面，将与某一外观方向平行的晶向的空间分布用极射赤道平面投影的方法投影在此平面上，得到多晶体材料的此特征方向的反极图。
一般描述丝织构。
5）ODF（织构取向分布函数）
OA－轧向（R.D），OB－横向（T.D），OC－轧面法向（N.D）；O－XYZ是微观晶轴坐标系，对正交晶系OX－[100]，OY－[010]，OZ－[001]。
O－XYZ相对于O-ABC的取向由一组相应于欧拉角（ψ、θ、φ）的转动获得
特点：
1、ODF已确切表达了晶粒的取向分布，也可计算材料的织构指数
3、ODF不能直接测定，需由一系列极图数据通过计算机软件来计算，这些程序往往兼有由ODF获得任何极图和反极图功能
三种方法比较
极图和反极图已成为常规的织构表示方法，对丝织构可直接测算织构指数〈uvw〉。
用轴向反极图可进一步描述其织构的强烈程度，一般不需测定极图；而板织构则需用极图或反极图或ODF才能全面表达。
极图、反极图和ODF比较：
被测材料的HKL极图只表明了材料中hkl晶面的分布情况，并没有直接得到晶粒取向的分布。
反极图比较直观全面地表达了织构的情况。
优点是便于定量处理，可直接将织构与物理量变化联系起来，测绘手续方便，不需特殊的测角头。
缺点是不能从一张极图上同时反映出轧面和轧向的关系，一般需测定轧向、法向和横向三张反极图。
织构的极图只提供了二维空间，不足以表示三维空间的取向分布问题。
三维取向分布函数能提供三维取向分布信息，用于精确表示织构。
宏观织构测定方法：
照相法透射法反射法
透射法需要薄试样，需要进行强度校正，不对称衍射方式，适合于低α角区的测量。
反射法要求厚试样，对称衍射方式，适合于高α角区的测量。
通常将两种方法结合起来，得到材料晶面取向概率的完整空间极图
5）数据校正：
背底校正散焦校正
6）作业
织构概念及表示方式？
极图和反极图不同？
取向分布函数特点？
织构检测原理？
宏观织构检测方法？
三、EBSD电子背散射技术
电子与物质的相互作用电子束和固体物质作用时激发的信号有二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线、俄歇电子
原理:
电子束轰击至样品表面，撞击晶体中原子产生散射，这些散射电子由于撞击的晶面类型（指数、原子密度）不同在某些特定角度产生衍射效应，在空间产生衍射圆锥。
几乎所有晶面都会形成各自的衍射圆锥，并向空间无限发散；
用荧光屏平面去截取这样一个个无限发散的衍射圆锥，就得到了一系列的菊池带。
而截取菊池带的数量和宽度，与荧光屏大小和荧光屏距样品（衍射源）的远近有关；
荧光屏获取的电子信号被后面的高灵敏度CCD相机采集转换并显示出来；
2）作业
1.EBSD依据什么进行织构分析？
2.EBSD可以获得什么信息？
晶粒尺寸、形状晶界特性（晶界类型、错位角）相分布、相鉴定
断面残余应变分布织构分布及定量统计再结晶形核的分布
3.EBSD和X射线织构分析测定的差异？
四、FIB（聚焦离子束技术）
离子源：
已有用Ga，In，Al等金属作为发射材料的单质液态离子源，也有包含高熔点的Be，B，Si高液态蒸汽压的P，Zn，As等掺杂元素的共晶合金液态离子源
1、离子与物质相互作用
（1）入射离子注入入射离子在与材料中的电子和原子的不断碰撞中，逐渐丧失能量并被固体材料中的电子所中和，最后镶嵌到固体材料中。
镶嵌到固体材料中的原子改变了固体材料的性质，这种现象叫注入
（2）入射离子引起的反弹注入。
入射离子把能量和动量传递给固体表面或表层原子，是后者进入表层或表层深处。
（3）入射离子背散射。
入射离子通过与固体材料中的原子发生弹性碰撞，被反射出来，称作背散射离子。
某些离子也可能经历一定的能量损失。
（4）二次离子发射。
在入射离子轰击下，固体表面的原子、分子、分子碎片、分子团以正离子或负离子的形式发射出来，这些二次离子可直接引入质谱仪，对被轰击表面成分进行分析。
（5）二次电子、光子发射。
入射离子轰击固体材料表面，与表面层的原子发生非弹性碰撞，入射离子的一部分能量转移到被撞原子上，产生二次电子、X射线等，同时材料中的原子被激发、电离产生可见光、紫外光、红外光等。
。
（6）材料溅射
在入射离子在与固体材料中原子发生碰撞时，将能量传递给固体材料中的原子，如果传递的能量足以使原子从固体材料表面分离出去，该原子就被弹射出材料表面，形成中性原子溅射。
被溅射还有分子、分子碎片、分子团。
（7）辐射损伤。
指入射离子轰击表层材料造成的材料晶格损失或晶态转化。
（8）化学变化。
由于入射离子与固体材料中的原子核和电子的作用，造成材料组分变化或化学键变化。
离子曝光就是利用了这种化学变化。
（9）材料加热。
具有高能量的离子轰击固体表面使材料加热，热量自离子入射点向周围扩散。
2）原理
在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源可使液态金属形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径（AutomaticVariableAperture，AVA）可决定离子束的大小而后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。
3）作用
离子注入、离子溅射、诱导沉积、离子束曝光、二次离子成像
二次离子成像工作原理：
离子光学柱将离子束聚焦到样品表面，偏转系统使离子束在样品表面做光栅式扫描，同时控制器作同步扫描。
电子信号检测器接收产生的二次电子或二次离子信号去调制显示器的亮度，在显示器上得到反映样品形貌的图像
分辨率：
主要取决于聚焦离子束的束斑直径和系统的S/N信噪比，分辨率低于SEM；二次离子成像与电子成像相比，可以获得良好的对比度，而后者可以提供较高的分辨率。
作业
1.常用的液体金属离子源？
2.离子束与固体材料表面作用所产生的物理化学现象？
3.FIB的主要功能？
4.离子束相比电子束成像的特点？
五、STEM
1）STEMSTEM与TEM
作用：
成像衍射能谱分析
工作原理：
STEM成像不同于一般的平行电子束TEM成像，它是利用会聚的电子束在样品上扫描来完成的。
在扫描模式下，场发射电子源发射出电子，通过在样品前磁透镜以及光阑把电子束会聚成原子尺度的束斑。
电子束斑聚焦在试样表面后，通过线圈控制逐点扫描样品的一个区域。
在每扫描一点的同时，样品下面的探测器同步接收被散射的电子。
对应于每个扫描位置的探测器接收到的信号转换成电流强度显示在荧光屏或计算机显示器上。
样品上的每一点与所产生的像点一一对应。
从探测器中间孔洞通过的电子可以利用明场探测器形成一般高分辨的明场像。
环形探测器接受的电子形成暗场像。
成像：
STEM明场像类似于TEM明场像，可以形成TEM中各种衬度的像，如弱束像、相位衬度相、晶格像等。
不同之处在于STEM明场探测器收集β角度内的电子信号，TEM中明场像的电子信号取决于取决于入射半角α
STEM暗场像是用环形探测器检测落于检测范围内的衍射电子信号；TEM暗场像通常是选定某一衍射电子束。
2）明暗场成像
成像影响因素：
球差~β3，衍射~1/β，色差~β
在一定的会聚角，衍射效应和球差对电子束的影响交与一点，而衍射效应的影响取决于波长，相对固定，通常得办法是改变球差。
电压电流的稳定性；周围的磁场电场；震动；样品的厚度等
3）衍射
（1）选择区域衍射（SAD）
利用扫描系统移动电子束在选择区域光阑限定的样品上扫描，明场探测器上测得样品散射强度的角度分布。
选择区域衍射（SAD）与会聚束电子衍射（CBED）比较
SADP是有规则排列的亮点组成，CBED有盘状衍射斑组成
SAD研究样品区域小于0.5微米时有误差SAD提供样品的二维晶体结构信息
CBED克服了SAD上面的两种局限性CBED要求相对厚的样品
CBED图中提供更多的信息
（2）会聚束电子衍射（CBED）的作用
CBED样品厚度测量，材料晶胞的测定，材料晶格中心的测定，晶体材料对称性的测定，晶格应变的测定，结构因子和电荷密度的测定，NED具有比较大的背底噪声，需要发射枪为场发射
（3）纳米电子束衍射（NED）
NED可以用来测量大晶胞中晶体参数的局部变化；位错源；晶界偏聚；单一的纳米材料，如碳纳米管或纳米颗粒
4、能谱分析
1）EDS能谱分析利用电子束和样品相互作用激发出的特征X射线进行成分分析；
2）电子能量损失谱EELS能谱分析非弹性散射电子能量存在不同程度的能量损失；
通过检测能量的损失来获得对应样品区域的大量信息；
3）比较EDS、EELS
EELS散射的一次过程检测具有能量损失的电子散射方向主要为入射束前进方向
效率高适于分析轻元素
提供化学价态和态密度、氧化态、局域的相邻原子成分和距离、能带结构信息
EDS散射的二次过程检测激发出的特征X射线散射方向不是入射束前进方向
效率低适于分析重元素
六、热分析
热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。
程序控制温度：
指用固定的速率加热或冷却。
物理性质：
包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、声学、电学及磁学性质等。
最常用的热分析技术主要有以下几种：
差热分析、热重分析、示差扫描量热分析、热机械分析。
七、材料表面分析
1）表面结构及成分分析的主要技术
俄歇电子能谱分析（AES）X射线光电子能谱分析（XPS）
场离子显微分析（FIM）原子探针（AtomProbe）离子探针（IMA）
低能电子衍射（LEED）
2）俄歇电子能谱分析（AES）
（1）俄歇电子产生：
入射电子使试样中某原子的内层（如K层）电子激发（打飞）后，外层电子（如L2层电子）将回跃到内层（K层）来填补空位，假如多余的能量（△E=EL2-EK）不是以特征X射线的形式释放出来，而是传给了外层（如L3层）的电子，使之激发。
这个过程称为俄歇作用，由此产生的自由电子称为俄歇电子。
不同原子所产生的俄歇电子具有相应的特征能量，俄歇电子能谱分析对于轻元素是特别有效的；
分析原理：
用一定能量的电子束轰击样品，使样品内电子电离，产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出进入真空，被收集和进行分析。
由于俄歇电子具有特征能量，其特征能量主要由原子的种类确定。
因此，测定俄歇电子的能量，就可以确定原子的种类，即进行定性分析；根据俄歇电子信号的强度，可确定元素含量，即进行定量分析。
再根据俄歇电子能量峰的位移和形状变化，可获得样品表面信息。
特点：
分析层薄，能提供固体样品表面0～3nm区域薄层的成分信息；
可分析元素范围广，可分析出H和He以外的所有元素，对轻元素敏感；
分析区域小，可用于材料中≤50nm区域内的成分变化的分析；
能对元素的化学态进行分析；定量分析精度较低。
（2）能谱特点：
俄歇电子能谱是以探测器检测到的电子能量值为横坐标，以不同电子能量值所对应的电流强度（即电子数量的多少）为纵坐标而得到的能量分布图。
由于样品中元素所产生的俄歇电子都具有特征能量值，
假如在逸出样品表面之前不发生非弹性散射，俄歇电子的能量不会产生损失，因此，具有特征能量的俄歇电子会出现峰值。
而有能量损失的俄歇电子或其他电子将形成连续的能量分布（即背景）。
3）表面光电子主要用于成分和化学态的分析
（1）原理：
用一定能量的光子束（X射线）照射样品，使样品原子中的内层电子以特定几率产生光电子，光电子从表面逸出进入真空，被收集和分析。
由于光电子具有特征能量，其特征能量主要由出射光电子束能量及原子种类确定
因此，在一定的照射光子能量条件下测试光电子的能量，可以进行定性分析，确定原子种类；根据光电子信号的强度，可半定量地分析元素含量；根据光电子能量峰的位移和形状变化，可获得表面元素的化学态信息；
（2）XPS具有以下特点：
分析层薄分析元素范围广空间分辨率差数据收集速度慢
（3）作业：
1.俄歇电子和光电子是如何产生的？
2.俄歇电子能谱和X射线光电子能谱表面分析的相同点和不同点？
3.为什么X射线光电子能谱可以测定元素的化学态？
化学态分析是XPS分析中最具特色的分析技术。
它是基于元素形成不同化合物时，其化学环境发生变化，将导致内层电子的结合能发生变化，在谱图中产生峰的位移（这种位移称为化学位移）和某些峰形的变化，而这种化学位移和峰形的变化与元素化学态的关系是确定的。
据此，可对元素进行化学态分析，即确定元素形成哪种化合物。
八、SPM、STM、AFM
（1）扫描隧道显微镜（STM）
原理：
把两个导体换成尖锐的金属探针和平坦的导电样品，在探针和样品之间加上电压。
当移动探针逼近样品并在反馈电路的控制下使二者之间的距离保持在小于1纳米的范围时，根据前面描述的隧道效应现象，探针和样品之间就会产生隧道电流。
隧道电流对距离非常敏感，当移动探针在水平方向有规律的运动时，探针下面有原子的地方隧道电流就强，而无原子的地方隧道电流就相对弱。
把隧道电流的变化记录下来，再输入到计算机进行处理和显示，就可以得到样品表面原子级分辨率的图象。
1.具有极高的分辨率。
2.得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。
3.使用环境宽松。
电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。
4.应用领域是宽广的。
无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。
5.价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲较低。
利于推广应用。
（2）原子力显微镜（AFM）一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子间力微弱的变化信号。
原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。
AFM的特点和使用范围
可以在大气，高真空，液体等环境中检测导体，半导体，绝缘体以及生物样品的形貌，尺寸及其力学性能等。
具有极高的分辨率。
水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.01纳米。
可以在纳米尺度测量材料的物理性能。
例如导电性。
可以在纳米尺度测量材料的机械性能，例如粘滞，摩擦，润滑等
（3）使用尖端非常细小的探针，在试样表面扫描，通过检测探针和试样之间的相互作用，在三维空间，纳米尺度上探测试样表面的形态，物理性质和化学性质。
作用：
三维成象
计量及其它特殊测量功能
纳米加工
1.STM的工作原理以及可以用它做什么工作？
2.AFM的工作原理以及可以用它做什么工作？
九、光谱分析原子光谱
1）光谱分析：
光谱分析是基于电磁辐射与材料相互作用产生的特征光谱谱长与强度进行材料分析的方法。
光谱分析方法包括：
吸收光谱分析法可以根据物质的吸收光谱来研究物质的结构或测定物质的成分。
发射光谱分析法发射光谱也可用来研究物质的结构和测定物质的化学成分。
散射光谱（拉曼散射谱）分析法可用于定性分析以及结构分析。
2）原子光谱：
由于原子核外电子在不同能级间跃迁而产生的光谱，包括原子发射光谱、原子吸收光谱和原子荧光光谱
3）分子光谱：
由于分子内部能级之间的跃迁所产生的光谱，包括分子吸收光谱、分子发射光谱。
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