相關關係

[拼音]：X shexian yanshe

[英文]：X-ray diffraction

利用 X射線照射晶體（或某些非晶態物質）時產生的衍射，研究晶體內部結構（即內部原子排布）的分析技術。在金屬學中用於瞭解成分對結構的影響，金屬效能變化的本質和金屬經過各種處理過程時結構變化的機制。

特徵X

X射線是一種波長很短(約為20～0.06┱)的電磁波，能穿透一定厚度的物質，並能使熒光物質發光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產生的X射線中，包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的X射線，稱為特徵（或標識）X射線。考慮到X射線的波長和晶體內部原子間的距離(10-8cm)相近，1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當一束 X射線通過晶體時將發生衍射，衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結構。這一預見隨即為實驗所驗證。1913年英國物理學家布喇格父子(W.H.Bragg，W.L.Bragg)在勞厄發現的基礎上，不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構，並提出了作為晶體衍射基礎的著名公式──布喇格定律：

式中λ為X射線的波長，n為任何正整數。

當X射線以掠角θ(入射角的餘角)入射到某一點陣平面間距為d的原子面上時(圖1)，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強的衍射線。布喇格定律簡潔直觀地表達了衍射所必須滿足的條件。當 X射線波長λ已知時(選用固定波長的特徵X射線)，採用細粉末或細粒多晶體的線狀樣品，可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布喇格條件的反射面得到反射，測出θ後，利用布喇格公式即可確定點陣平面間距、晶胞大小和型別;根據衍射線的強度，還可進一步確定晶胞內原子的排布。這便是X射線結構分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法(圖2a)的理論基礎。而在測定單晶取向的勞厄法中（圖2b）所用單晶樣品保持固定不變動（即θ不變），以輻射束的波長作為變數來保證晶體中一切晶面都滿足布喇格條件，故選用連續X射線束。如果利用結構已知的晶體，則在測定出衍射線的方向θ後，便可計算X射線的波長，從而判定產生特徵X射線的元素。這便是X射線譜術，可用於分析金屬和合金的成分。

X射線衍射在金屬學中的應用

X射線衍射現象發現後，很快被用於研究金屬和合金的晶體結構，出現了許多具有重大意義的結果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是體心立方結構，β-Fe並不是一種新相;而鐵中的α─→γ轉變實質上是由體心立方晶體轉變為面心立方晶體，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨後，在用X射線測定眾多金屬和合金的晶體結構的同時，在相圖測定以及在固態相變和範性形變研究等領域中均取得了豐碩的成果。如對超點陣結構的發現，推動了對合金中有序無序轉變的研究，對馬氏體相變晶體學的測定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關係；對鋁銅合金脫溶的研究等等。目前 X射線衍射(包括散射)已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。在金屬中的主要應用有以下方面：

物相分析

是 X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射資料相比較，確定材料中存在的物相；後者則根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究效能和各相含量的關係和檢查材料的成分配比及隨後的處理規程是否合理等方面都得到廣泛應用。

精密測定點陣引數

常用於相圖的固態溶解度曲線的測定。溶解度的變化往往引起點陣常數的變化；當達到溶解限後，溶質的繼續增加引起新相的析出，不再引起點陣常數的變化。這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數的精密測定可得到單位晶胞原子數，從而確定固溶體型別；還可以計算出密度、膨脹係數等有用的物理常數。

取向分析

包括測定單晶取向和多晶的結構（見擇優取向）。測定矽鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的範性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。

晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定

由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的效能。

巨集觀應力的測定

巨集觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測量點陣平面在不同方向上的間距的變化，可計算出殘留應力的大小和方向。

對晶體結構不完整性的研究

包括對層錯、位錯、原子靜態或動態地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。

合金相變

包括脫溶、有序無序轉變、母相新相的晶體學關係，等等。

結構分析

對新發現的合金相進行測定，確定點陣型別、點陣引數、對稱性、原子位置等晶體學資料。

液態金屬和非晶態金屬

研究非晶態金屬和液態金屬結構，如測定近程式參量、配位數等。

特殊狀態下的分析

在高溫、低溫和瞬時的動態分析。

此外，小角度散射用於研究電子濃度不均勻區的形狀和大小，X射線形貌術用於研究近完整晶體中的缺陷如位錯線等，也得到了重視。

X射線分析的新發展

金屬X射線分析由於裝置和技術的普及已逐步變成金屬研究和材料測試的常規方法。早期多用照相法，這種方法費時較長，強度測量的精確度低。50年代初問世的計數器衍射儀法具有快速、強度測量準確，並可配備計算機控制等優點，已經得到廣泛的應用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強度X射線源（包括超高強度的旋轉陽極X射線發生器、電子同步加速輻射，高壓脈衝X射線源）和高靈敏度探測器的出現以及電子計算機分析的應用，使金屬 X射線學獲得新的推動力。這些新技術的結合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進行瞬時的動態觀察以及對更為微弱或精細效應的研究。

參考書目

A.Taylor，X-Ray Metallography，John Wiley & Sons，New York，1961.

許順生:《金屬X射線學》，上海科學技術出版社，上海，1962。

B.E.Warren， X-Ray Difraction， Addison-Wesley，London，1969.