发布时间 : 星期一 文章X射线衍射在材料分析中的应用更新完毕开始阅读67735e5c27d3240c8447ef45
图2 Origin软件中锌铝基镁铅合金的物相分析结果
图2中,标准峰1代表MgZn2相,标准峰2代表Pb相,标准峰3代表Al 相,标准峰4代表Zn相。可见,MgZn2相、Pb相、Al相的标准衍射峰的角度值(位置)和绝对强度值与实验所测的吻合得很好,只有2个强度很小的峰没有与标准衍射峰对上,说明它们是在该金属合金制备过程中混入的少量杂质所产生的未知相。Zn 相标准衍射峰的角度值 (位置)与实验所测的Zn相完全符合,但实验所测Zn相衍射峰的峰高强度比与标准PDF卡片的Zn相不太一致这是由于该样品是金属块状样品,存在择优取向而导致的结果。在一般多晶体中,每个晶粒都有不同于邻晶的结晶学取向,从整体看,所有晶粒的取向是任意分布的； 某些情况下,晶体的晶粒在不同程度上围绕某些特殊的取向排列,这些特殊的取向排列就称为择优取向,或简称织构。择优取向的存在是影响金属块状样品物相分析的主要因素之一。如果试样中的晶粒具有定向排列,即存在择优取向,则择优取向晶面的衍射强度将异常增强。从图2中也可以看出,在2θ=42.6左右时,Zn相衍射峰的衍射绝对强度异常增强,其峰高强度值达到了 1000以上。由此可以推断出:①该金属合金中的单质相含有单质 Zn 相、单质Al相和单质Pb相②该金属合金中含有化合物MgZn2相③金属 Mg 相和部分Zn相在该金属合金样品的制备过程中形成了化合物MgZn2相④该金属合金中还含有少许杂质相⑤该金属合金样品检索出来的物相与其已知元素组成完全相符⑥由于该金属合金绝大部分物相都可以被检索出来,因此,它们衍射峰的角度值(位置)和绝对强度值都与标准PDF 卡片上的衍射峰相符合,且杂质含量很少,说明该样品制备得较好⑦由于金属块状样品存在择
优取向,导致Zn相衍射峰的峰高强度比与标准PDF卡片中 Zn相的峰高强度比不太一致。
2.物相定量分析
物相质量分数的计算,由式(3)可知，若样品中含有4种物相,则各物相的质量分数为:
?AL?IALIMgZn2?IIPbIZn?ALKAL??AL???MgZn2ALPbZn?KAL?KALKALKAL?IPbIMgZn2?IIPbIZn???AL???MgZn2ALPbZn?KAL?KALKALKAL?IMgZn2MgZn2KAL (4)
?Pb?PbKAL （5）
?MgZn?2IMgZn2?IIPbIZn???AL???MgZn2ALPbZn?KKKKALALAL??AL （6）
?Zn?IZnIMgZn2?IIPbIZn?ZnKAL??AL???MgZn2ALPbZn?KKKKALALAL??AL （7）
由式(4)-(7)看出,若想计算出各物相的质量分数,需要将每个物相的积分强度I值与相对K值分别计算出来。通过MDIJade计算出来的各物相的积分强度如表1、表2所示,即IPb=2246,IAl=2415,IMgZn2=1981, IZn=4238。通过MDIJade 计算出的各个物相的K值如表3所示,即KAl=4.10,KZn=8.99,KMgZn2=3.43，KPb=29.37
表 1 金属块状样品峰的物相鉴定报告
表 2 金属块状样品峰搜索报告
表 3 锌铝基镁铅合金物相分析结果中各物相的相关参数与数据
由各相的K值以及式(2)可以计算出各个物相的相对K值:
KALALKAL4.10KPb29.37KMgZn23.43MgZn2Pb?AL??1;KAL?AL??7.16;KAL???0.84AL4.104.104.10KKKKZn8.99?AL??2.19
4.10K;KZnAL将每个物相的积分强I值和相对K值代入到式(4)-(7)中,可得:ωAl=34.39%,ωPb=4.47%,ωMgZn2=33.58%,ωZn=27.56%,由此可知ωAl+ωPb + ωMgZn2+ωZn=100%。虽然金属块状样品4种物相的质量分数相加正好等于100%,但这并不意味着每种物相的质量分数就如此准确地等于上述数值。其原因有以下4 点。(1)金属合金样品中存在有少量杂质 , 杂质也会产生物相 ,只是具体产生什么物相不清楚,所以金属合金样品中4种物相的质量分数相加不会完全等于100 %。但由于杂质含量很少,所以金属合金样品中4种物相的质量分数相加的数值也会与100%很接近。(2)金属合金样品中Pb相的RIR值是进行背景扣除以后通过MDIJade5.0软件中的“CalcMDI”功能计算出来的,该RIR值会有些偏高,实际的RIR值会比此数值小一些,且计算出来的都是2位数,从而导致了实验误差,使得计算出来的金属合金样品中4 种物相的质量分数与实际各物相所含的质量分数稍有偏差。(3)金属合金样品在制备过程中由于各种物相混合不均匀,导致实际金属合金样品中各物相的含量(即质量分数)与参考值偏离,从而造成衍射数据偏离,引起实验误差。(4)由于金属块状样品存在择优取向,即金属试样中的某晶粒具有定向排列,则择优取向晶面的衍射绝对强度将异常增强,从而对实验数据造成误差。由图2以及计算出来的各物相质量分数可以作出以下推断。
(1)实验所测锌铝基镁铅合金样品中每种物相的衍射峰的角度值(位置)和绝对强度值与标准衍射峰吻合得越多的,不一定说明该物相所含的质量分数就越大。MgZn2相与标准衍射峰吻合得最多,但其所含的质量分数并不是最大的,它比Al相所含的质量分数稍小。这是因为从图1所观察到的各物相衍射峰的角度值(位置)和绝对强度值与标准衍射峰相吻合的程度,只能定性地说明该金属合金样
品是否含有所需物相,并不能通过两者吻合的多少来定量判断物相的质量分数。试样中各个物相质量分数的数值是通过计算而得出,它与每种物相最强峰的积分强度和K值都有关系。对于一定的物相, K值是一常数,不能通过图1观察得到,标准衍射卡片中固有的或是通过MDIJade软件计算出来的数值。
(2)由于已知金属块状样品单质Zn、Al相的质量分数均各为27% ,而通过物相质量分数的计算而得出的单质Zn相的质量分数为ωZn =27.56% ,单质Al相的质量分数为ωAl=34.39%,与已知金属块状样品单质 Zn、Al相的质量分数基本符合。说明该金属块状样品的物相质量分数计算结果可信程度较高。
六、X射线衍射在材料分析中的其他应用
1.点阵常数的精确测定
点阵常数是晶体物质的基本结构参数,测定点阵常数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置(θ)的测定而获得的,通过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。
2.应力的测定
3.晶粒尺寸和点阵畸变的测定 4.单晶取向和多晶织构测定
七、X射线衍射在材料分析中的应用展望
随着X射线衍射技术越来越先进,X射线衍射法的用途也越来越广泛, 计算机的普遍使用让各种测量仪器的功能变得强大,测试过程变得简单快捷,但是,伴随X射线衍射测量仪器的软件缺陷越来越明显,在各种分析过程中,软件分析检索的准确度都不尽人意。纵观整个X射线衍射领域,可以看出仪器设备的精密化和多用途化是一个发展趋势,然而测量仪器运行的软件明显落后于设备的发展,因此今后需要开发强大的分析软件，以满足科学者分析的需要。