今天，竟然已经是三月的第三个周五了，三月也将离我们而去！小编觉得时间真是过得飞快啊！前不久还是寒冬呢，最近各地都一下子开始回暖了，相信各位也一定都在享受着最近舒适的气候吧！
莫负春光，让我们在春日里继续一同学习吧！今天，小编也是为大家带来小课堂系列哦~
话不多说，现在就让我们开始吧！（敲黑板）
X射线衍射分析技术是确定物质的晶体结构、定性和定量物相分析、点阵常数精确测定、应力测定、残余奥氏体测定、晶体取向测定等最有效、最准确的方法。X射线衍射分析技术的特点是：能够反映大量原子的散射行为的统计结果，此结果和材料的宏观性能有良好的对应关系。
物相分析技术X射线衍射能确定试样中不同的组成相，包括区分相同物质的同素异构体，也能计算各相的相对含量，这就是物相的定性和定量分析。图1示意了两种TiO2晶体的结晶形态、结构模型以及结构的X射线衍射谱。
图1晶体的结晶形态、结构模型及其X射线衍射图谱
1.定性相分析与定量相分析
定性相分析的基本方法是将未知物质的衍射谱中的全部d和I/IⅠ值与已知物质谱中的全部d和I/IⅠ值对照，依据其相符情况做出判断。
定量相分析的基本依据是试样中某物相的衍射线强度与试样中该物相的含量成比例，找出这种比例关系的方法有许多种，在这种情况下，相对强度可以用任何单位度量。
定性相分析和定量相分析都需要用标准衍射谱进行比对，为了使这一方法切实可行，就必须掌握大量已知的标准衍射花样。对此，世界范围内的各国科学家联合在一起，已经建立了多种物质的大量衍射数据卡组。
2.衍射数据卡组
目前，应用较广的有衍射资料国际中心（ICDD）发行的PDF-2和PDF-4两种型号的数据库，以及年新出现的晶体学公开数据库（COD），它们包含了大量的化合物晶体数据，在具体分析时，对数据卡组的检索和进行多相物质的相分析都已由计算机来完成，无论是效率还是分析的准确性方面都得到了极大的提高。
3.实例
某核电疏水阀管道出现多处开裂泄漏事故，泄漏位置多出现在弯管或焊接部位。在对泄漏部位管子内表面做宏观观察时，发现管内壁表面有一层异物覆盖。
为了弄清楚该异物的成分组成，采用D8AdvanceX射线衍射仪对靠近焊缝内表面附近的表面覆盖物做X射线衍射分析，结果见图2，可知其主要成分为Fe3O4，含量约为69%（质量分数），其余为基体铁。
该XRD分析结果的意义在于表明管道内壁的腐蚀只与氧有关，可以排除其它腐蚀性介质的影响，从而缩小了分析范围。这与最后得到的“空泡腐蚀引发了腐蚀疲劳”的失效分析结论相一致。
图2焊缝附近异物分析结果
残余应力分析技术通常，残余应力被分为宏观残余应力和微观残余应力两类，本文中提到的残余应力均指宏观残余应力。
对理想的多晶体（晶粒细小均匀、无择优取向），在无宏观应力的情况下，不同方位晶粒中的同族晶面的间距是相等的；而当平衡着一宏观应力σ时，不同晶粒的同族晶面间距d随晶面方向及应力的大小发生有规律的变化，如图3所示。
其中，ψ为同族晶面法线和测试面法线之间的夹角。平行于主应力方向的晶面间距d最小，垂直于主应力方向的晶面间距d最大。
当ψ从0→90°增大时，d也增大，只要设法测出不同方位（图中所示的ψ）上的同族晶面的间距d，利用弹性力学中的一些基本关系，就可以求得多晶体中所平衡着的应力σ。
图3宏观应力与不同方位同族晶面间距离示意图
测定残余应力的基础是在晶面间距随方位的变化率和作用应力之间存在一定的函数关系。建立图4所示的坐标系，其中O-X1X2X3为主应力坐标系，X1，X2，X3代表三个正应力（σ1σ2σ3）与主应变（ε1ε2ε3）方向，σφψ和εφψ为空间任意方向的正应力和正应变。
图4主应力与任意方向的正应力的关系
可以认为，晶面间距的相对变化量△d/d反映了由残余应力所造成的表面法线方向的弹性应变，即εφψ=△d/d，△d/d可以用X射线衍射法测定。根据弹性力学的基本原理能建立待测残余应力σφ与空间某方位上的应变εφψ之间的关系。
若构件中内应力沿垂直于表面方向的变化很小，而X射线的穿透深度较浅（约10μm数量级），一般可以认为σφ是在自由表面（表面法线方向的正应力和切应力为零）内平行于表面的应力，即假定为平面应力状态。由此得出X射线衍射法测定宏观残余应力的基本公式如下：
根据布拉格方程的微分式，将εφψ转换成用弧度θ表示的衍射角的变化，又因σφ是一定值，所以εφψ与sin2φ呈线性关系。对于同种材料，当选定某一特定的晶面族和入射线波长时，应力常数K恒定不变（可查表或计算）。以铁基的钢铁材料为例，选铁素体的{}晶面进行测定，采用Cr靶作为辐射源，则θ≈78.2°，其中K=-Mpa/(°)，所以：
根据式（2），只要在同一测定平面测定不同方位的同族衍射晶面的2θ值，就可以求出△2θ/△sin2φ值，即在一定的测定条件下，应力常数K是已知的，代入式（2）中即得到应力σφ。当采用最常见的同倾角法（Iso-InclinationMethod）测定平面与扫描平面相重合的测定方法时，确定ψ角的方法有两种，即固定ψ0法和固定ψ法。
图5现场测试残余应力
测定残余应力的方法很多，有电测法、机械引申仪法、磁性法、超声法和X射线衍射法等。鉴于X射线衍射法具有无损、快速、精确等许多优点，其应用最为广泛。
选自：《理化检验—物理分册》Vol..8
作者：王荣，教授级高工，上海材料研究所
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