课程编码：SC19101120
课程名称：材料分析测试方法 II
课程英文名称：Analysis and Test Methods for Materials II
总学时： 32 讲课学时： 26 实验学时： 6 上机学时：0 课外辅导学时：0
学分：2
开课单位：材料科学与工程学院材料科学系
授课对象：材料成型及控制工程专业、焊接技术与工程专业、电子封装技术专业、航天工程与力学系、化工学院
开课学期： 3秋、3春、4秋
先修课程：大学物理II，材料科学基础II
主要教材及参考书：
教材：周玉主编.材料分析方法. 机械工业出版社.
一、课程教学目的
本课程是材料科学及其相关专业学生必须掌握的专业基础课，课程主要涵盖材料X射线衍射分析和材料电子显微分析两大部分。通过了解X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜及电子探针仪等分析仪器的结构和工作原理，掌握相关分析方法的原理和适用范围，培养学生利用现代分析测试方法解决实际问题的能力。
二、教学内容及基本要求
本课程主要包括材料X射线衍射分析和材料电子显微分析两大部分。课程重点介绍利用X射线衍射和电子显微技术分析材料微观组织结构的原理、设备及试验方法。具体内容包括X射线物理学基础、X射线衍射方向与强度、多晶体分析方法、物相分析及点阵参数精确确定、宏观残余应力的测定、电子光学基础、透射电子显微镜、电子衍射、晶体薄膜衍衬成像分析、扫描电子显微镜、电子探针显微分析。
课程的重点和难点是掌握X射线衍射仪和电子显术分析仪的工作原理和特点，以及分析方法的合理选择与利用。
绪 论（0.5学时）
教学内容：
课程的研究对象和主要内容；各种分析方法的应用实例简介；本课程的学习方法和基本要求。课程的、内容、。
教学要求：
了解各种分析方法的应用，了解课程的课程性质、任务、特点和学习方法。
第一章 X射线的性质 （1.5学时）
教学内容：主要讲述X射线的发展史及其基本性质、X射线的产生及X射线谱、X射线与物质的相互作用。
第一节 X射线的性质 （0.25学时）
简单介绍X射线的发展史及其基本性质。
第二节X射线的产生及X射线谱 （0.25学时）
本节主要讲述X射线产生的基本装置；连续X射线谱和特征X射线谱的产生机理。
第三节X射线与物质的相互作用 （1.0学时）
本节主要介绍X射线与物质相互作用产生的一系列效应，为更好地理解X射线的各种应用奠定基础。
教学要求：掌握X射线与物质相互作用产生的各种物理效应以及由此发展的X射线各种应用。
第二章 X射线衍射方向（1学时）
教学内容：主要讲述晶体几何学基础、衍射的概念与布拉格方程、布拉格方程的讨论与衍射方法。
第一节晶体几何学简介 （0.25学时）
主要介绍有关点阵、晶胞、晶系以及晶向指数、晶面指数的等与本课程相关的晶体几何学基础知识。
第二节 布拉格方程 （1.0学时）
主要介绍布拉格方程的推导过程；通过对布拉格方程的讨论加强对布拉格方程的理解和认识。
第三节 X射线衍射方法 （0.25学时）
简单介绍实验获得X射线衍射的3种基本方法。
教学要求：了解布拉格方程的推导过程；熟记布拉格方程的基本形式；
第三章 X射线衍射强度（3学时）
教学内容：主要讲述结构因子、多重性因子、角因子和多晶体的衍射积分强度的计算。
第一节多晶体衍射图相的形成 （0.25学时）
以德拜-谢乐法为例，简单介绍多晶体衍射花样的形成。
第二节 单位晶胞对X射线的散射与结构因数 （1.0学时）
主要介绍结构因子公式的推导过程以及同类原子组成的点阵结构因数的计算方法及其基本规律；
第三节 洛伦兹因数 （1.0学时）
主要介绍衍射的几何条件对X射线衍射强度的影响，包括衍射的积分强度、参加衍射的晶粒分数、单位弧长的衍射强度三方面的内容。
第四节 影响衍射强度的其他因数 （0.5学时）
主要介绍多重性因数、吸收因数和温度因数对X射线衍射强度的影响。
第五节 多晶体衍射的积分强度公式（0.25学时）
综合X射线衍射强度的影响因数，给出多晶体衍射的积分强度公式。
教学要求：了解X射线衍射强度的影响因数；掌握简单点阵、体心点阵和面心点阵的消光规律。
第四章 多晶体分析方法（1学时）
教学内容：主要讲述X射线衍射仪的结构和测量方法与实验参数选择。
第一节德拜-谢乐法 （0.25学时）
简单介绍德拜-谢乐法的仪器和工作原理；以立方系物质为例介绍X射线衍射分析的基础知识。
第二节X射线衍射仪 （0.75学时）
主要介绍X射线衍射仪的基本结构和工作原理及其常规测量方法。
教学要求：了解德拜-谢乐法的和工作原理；掌握X射线衍射仪的基本工作原理和常规测量方法。
第五章 物相分析及点阵参数精确测定 （4学时）
教学内容：主要讲述物相分析的原理和分析思路、粉末衍射卡片的组成、PDF卡片的索引、重点讲述物相定性、定量分析的原理和方法、以及点阵参数精确测定的基本原理和方法。
第一节定性分析 （1.5学时）
主要介绍X射线衍射物相定性分析的基本原理；粉末衍射卡片的主要内容和检索方法；重点介绍物相定性分析的过程及实例分析。
第二节 定量分析 （1学时）
根据X射线衍射强度的公式给出定量分析的基本公式；简单介绍几种常用的定量分析方法及实例分析。
第三节 点阵参数的精确测定 （1学时）
分析点阵参数测量过程中的主要误差来源；实现点阵参数精确测量的实验方法和数学方法简介。
第四节 非晶态物质及其晶化过程的X射线衍射分析 （0.5学时）
简单介绍非晶态物质的主要特征及其表征方法；非晶态物质X衍射谱的特征和晶化过程中衍射峰的变化特点。
教学要求：掌握物相定性和定量分析的基本原理，能够根据实验数据进行物相分析；能够利用图解外推和数据处理方法实现点阵参数的精确测定；了解非晶态物质的X射线衍射谱的特点。
第六章 宏观应力测定（2学时）
教学内容：主要讲述内应力的产生、分类和宏观应力测定的基本原理，重点介绍宏观应力的测试方法及试验精度的保证。
第一节物体内应力的产生和分类 （0.5学时）
主要介绍物体内应力的分类及其衍射效应。
第二节 X射线宏观应力测定的基本原理 （1学时）
主要介绍X射线宏观应力测定的基本假设和测量原理。
第三节宏观应力测定方法 （0.25学时）
主要介绍目前常用的宏观应力测量仪器的特点和应用范围及常用的衍射几何方式。
第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题 （0.25学时）
主要介绍主要介绍衍射角的实验精确测量方法和宏观应力测量精度的影响因素。
教学要求：能够选择合理的实验参数和方法，实现材料宏观残余应力的测定。
第七章 电子光学基础（2学时）
教学内容：主要讲述电子波与电磁透镜、电磁透镜的像差与分辨率、电磁透镜的景深与焦长。
第一节电子波与电磁透镜 （0.5学时）
主要介绍电磁透镜聚焦原理及其与光学显微镜的区别。
第二节 电磁透镜的像差与分辨率 （1学时）
主要介绍像差的产生原因及电磁透镜的分辨率。
第三节电磁透镜的景深和焦长
介绍电磁透镜景深和焦长的概念 （0.5学时）
教学要求：了解和掌握电子光学基础以及电磁透镜的工作原理和像差产生原因。
第八章 透射电子显微镜（2学时）
教学内容：主要讲述透射电子显微镜的结构与成像原理、主要部件的结构与工作原理、透射电子显微镜分辨本领和放大倍数的测定。
第一节 透射电子显微镜的结构与成像原理 （0.5学时）
主要介绍透射电子显微镜的基本结构和各组成系统的基本作用；
第二节 主要部件的结构与工作原理 （1学时）
主要介绍透射电子显微镜主要组成部件的位置、作用和工作原理。
第三节 透射电子显微镜分辨率和放大倍数的测定 （0.5学时）
主要介绍透射电子显微镜分辨率和放大倍数的实验测定方法及其主要控制参数
教学要求：了解透射电子显微镜的基本结构和工作原理，掌握透射电子显微镜两种成像方式的基本操作过程。
第九章 电子衍射（4学时）
教学内容：主要讲述电子衍射原理、电子显微镜中的电子衍射、单晶体电子衍射花样标定与复杂电子衍射花样。
主要介绍单晶体、多晶体以及非晶的电子衍射图的特点和形成原理；电子衍射与X射线衍射的异同点。
第二节 电子衍射原理 （1学时）
主要介绍倒易点阵与正点阵之间的关系；倒易点阵与电子衍射斑点之间的关系；偏离矢量与倒易点阵扩展；电子衍射的基本公式，
第三节电子显微镜中的电子衍射 （1学时）
主要介绍选取电子衍射的基本原理和应用；介绍电子显微镜中的有效相机常数和磁转角的标定。
第四节 单晶体电子衍射花样的标定 （1学时）
主要介绍单晶体电子衍射花样的标定方法及应用实例。
第五节 复杂电子衍射花样 （0.5学时）
典型复杂电子衍射花样的特点和形成机理简介。
教学要求：了解电子衍射与X射线衍射的异同点，掌握倒易空间点阵和正空间点阵的关系，掌握单晶电子衍射和复杂电子衍射的标定方法
第十章 晶体薄膜衍衬成像分析（2学时）
教学内容：主要讲述薄膜样品的制备、衍射衬度成像原理、消光距离、衍衬动力学简介与晶体缺陷分析。
第一节概述 （0.25学时）
简单介绍薄晶体衍衬分析的主要内容和透射电镜中的主要衬度像。
第二节薄膜样品的制备方法 （0.25学时）
主要介绍透射电镜对薄膜样品的基本要求和制备工艺过程及方法。
第三节衍射衬度成像原理 （0.5学时）
主要介绍衍射衬度成像原理；明场像、暗场像及中心暗场像的实验方法。
第四节 消光距离 （0.25学时）
主要介绍消光距离的定义；影响消光距离的主要物性参数和外界条件。
第五节 衍衬运动学 （0.25学时）
主要介绍衍衬运动学的基本假设；理想晶体衍衬运动学基本方程的应用。
第六节 衍衬动力学简介 （0.25学时）
主要介绍衍衬动力学与运动学的异同。
第七节 晶体缺陷分析 （0.25学时）
晶体中常见缺陷的衬度特征和形成原理。
教学要求：掌握透射电衍射衬度成像原理子显微镜样品的制备方法，掌握衍衬成像原理，能够解释材料中位错、层错等缺陷的衬度特征形成机制。
第十一章 扫描电子显微镜（1.5学时）
教学内容：主要讲述电子束与固体样品作用时产生的信号、扫描电子显微镜的构造和工作原理、扫描电子显微镜的主要性能、表面形貌衬度原理及其应用、原子序数衬度原理及其应用。
第一节 电子束与固体样品作用时产生的信号 （0.25学时）
主要介绍杨品在电子束轰击下会产生的各种信号特征及其应用。
第二节 扫描电子显微镜的构造和工作原理 （0.25学时）
主要介绍扫描电子显微镜的主要组成；扫描电子显微镜工作原理。
第三节 扫描电子显微镜的主要性能 （0.25学时）
主要介绍扫描电子显微镜分辨率和放大倍数；分辨率的主要影响因素。
第四节 表面形貌衬度原理及其应用 （0.5学时）
主要介绍二次电子像的形貌衬度特点及其成像原理和应用举例。
第五节 原子序数衬度原理及其应用 （0.25学时）
主要介绍背散射电子形貌衬度特点和背散射电子原子序数衬度原理；吸收电子衬度原理及其应用
教学要求：掌握扫描电子显微镜的基本结构，掌握二次电子像和背散射电子像的成像原理。
第十二章 电子探针显微分析（1.5学时）
教学内容：主要讲述电子探针仪的结构与工作原理、电子探针仪的分析方法及应用。
第一节 电子探针仪的结构与工作原理 （1学时）
主要介绍波谱分析仪和能谱分析仪的结构和工作原理及其各自优缺点。
第二节 电子探针仪的分析方法及应用（0.5学时）
简介电子探针仪的定性和定量分析方法和应用实例。
教学要求：了解电子探针仪的基本结构，掌握波谱仪和能谱仪的特点。
三、其它教学环节
实验项目明细
序号 | 实 验 项 目 | 学时 | 实验要求 | 实验类型 | 每组人数 |
1 | X射线衍射仪构造与操作 | 1 | 必修 | 演示 | 10 |
2 | X射线物相定性分析 | 1 | 必修 | 演示 | 10 |
3 | 电镜样品制备 | 1 | 必修 | 演示 | 10 |
4 | 透射电镜的结构原理与应用 | 1 | 必修 | 演示 | 10 |
5 | 扫描电镜的结构原理与应用 | 1 | 必修 | 演示 | 10 |
6 | 电子探针的结构原理与应用 | 1 | 必修 | 演示 | 10 |
四、考试权重
平时成绩10%，大作业10%，实验成绩20%，期末考试成绩60%