現(xiàn)代材料分析測(cè)試技術(shù)河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料篇緒論目的與要求使用/效能合成/加工成分/結(jié)構(gòu)性能材料科學(xué)與工程是研究其成分/結(jié)構(gòu)、制備/加工、性能、使用性能及其關(guān)系的科學(xué)。

材料科學(xué)與工程的定義（國(guó)際公認(rèn)）是：研究有關(guān)材料成份/結(jié)構(gòu)、制備/合成、性能/組織和使用效能及其關(guān)系的科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)。對(duì)材料四要素的認(rèn)識(shí)和理解，要有動(dòng)態(tài)的觀念，材料科學(xué)與工程四個(gè)基本要素的說(shuō)明和控制應(yīng)放在更高、更深的層次，即分子、原子尺度來(lái)闡釋和控制。

材料的結(jié)構(gòu)與成分應(yīng)更著重于包括分子、原子的類(lèi)型及所觀察尺度范圍（納米、介觀、微觀、宏觀）內(nèi)分子、原子的排列組合。

使原子（原子團(tuán)），分子可得到特定排列組合的合成與加工；由不同原子（原子團(tuán)）、分子及其排列組合所得到的使材料具有值得研究和使用的性能；

考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的材料使用服役實(shí)際條件及其有效性的度量。四要素是一個(gè)整體，內(nèi)部有機(jī)聯(lián)系是其核心與活力所在。

使用/效能合成/加工成分/結(jié)構(gòu)性能“四要素”基本內(nèi)涵

（1）材料的成分、組成與結(jié)構(gòu)●從電子、原子尺度到宏觀尺度成分與分布●結(jié)構(gòu)無(wú)限變化導(dǎo)演材料復(fù)雜性能●成分與結(jié)構(gòu)表征●分析與建模技術(shù)煤炭、金屬、水泥、陶瓷等等（1）成分、組成與結(jié)構(gòu)成分設(shè)計(jì)

“四要素”基本內(nèi)涵組織設(shè)計(jì)

（1）成分、組成與結(jié)構(gòu)“四要素”基本內(nèi)涵復(fù)合設(shè)計(jì)

（1）成分、組成與結(jié)構(gòu)“四要素”基本內(nèi)涵（2）合成與加工

所有尺度上原子、分子及分子團(tuán)對(duì)結(jié)構(gòu)的控制新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為材料與結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程宏觀加工引發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)變化與“意外”現(xiàn)象決定工業(yè)生產(chǎn)效率與競(jìng)爭(zhēng)力“四要素”基本內(nèi)涵（3）性質(zhì)

●材料對(duì)外界刺激的整體響應(yīng)●各種尺度上的性能測(cè)試與分析●導(dǎo)向所需綜合性能的設(shè)計(jì)“四要素”基本內(nèi)涵（4）使用行為

●材料固有性質(zhì)與構(gòu)件功能、能力相結(jié)合●使用中材料固有性質(zhì)變化、預(yù)測(cè)與改善●環(huán)境中固有性能變化與預(yù)測(cè)“四要素”基本內(nèi)涵時(shí)效行為組織穩(wěn)定性蠕變變形老化輻照脆化疲勞行為彎曲疲勞接觸疲勞拉壓疲勞振動(dòng)疲勞腐蝕行為環(huán)境腐蝕應(yīng)力腐蝕氫脆復(fù)合環(huán)境行為腐蝕+疲勞疲勞+蠕變“四要素”基本內(nèi)涵控性控構(gòu)控形力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能近終形表面完整性尺寸精度宏觀組織（晶粒形態(tài)與尺寸）微觀組織（亞晶界、枝晶間距、次生相）強(qiáng)化相的形態(tài)、尺寸及分布多相合金的相結(jié)構(gòu)組織均勻性成分均勻性（宏觀與微觀偏析）組織致密性?shī)A雜、氣孔等應(yīng)力、變形、開(kāi)裂等晶體結(jié)構(gòu)缺陷（點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、孿晶等）非晶、微晶、納米晶及非平衡晶

設(shè)計(jì)（成分結(jié)構(gòu)）

合成

材料科學(xué)與工程

加工服役使用14

成份/價(jià)鍵、非晶/結(jié)晶、微結(jié)構(gòu)

力學(xué)性能物理性能

分析方法(XRD,TEM,SEM,EDS…)

分子結(jié)構(gòu)、非晶/結(jié)晶、織態(tài)

力學(xué)性能物理性能

分析方法(FTIR,NMR,TEM…)

高分子材料無(wú)機(jī)非金屬材料

成份/價(jià)鍵、結(jié)晶/非晶、組織

力學(xué)性能物理性能

分析方法(XRD,TEM,SEM,EDS…)

金屬材料結(jié)構(gòu)共性知識(shí)性能共性理論測(cè)試分析共性方法材料科學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)性能材料研究方法材料物理性能緒論15材料科學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)性能材料研究方法材料物理性能

有限元

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算相圖

晶體結(jié)構(gòu)精飾

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)材料研究計(jì)算機(jī)應(yīng)用緒論16有限元基礎(chǔ)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)譜圖解析晶體結(jié)構(gòu)精飾材料研究計(jì)算機(jī)應(yīng)用EDSNMRFTIRXRDTEMSEMAFM結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)拉伸彎曲沖擊扭轉(zhuǎn)壓縮硬度疲勞粘彈量子力學(xué)介電光學(xué)傳熱磁性材料力學(xué)性能材料物理性能材料科學(xué)基礎(chǔ)

材料現(xiàn)代研究方法

成份/價(jià)鍵、分子結(jié)構(gòu)、晶態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、織態(tài)結(jié)構(gòu)熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、疲勞、磨損學(xué)習(xí)內(nèi)容核心內(nèi)容結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)演變力學(xué)性能物理性能4分析測(cè)試技術(shù)篇18結(jié)構(gòu)決定性能是自然界永恒的規(guī)律“相”(phase)

在體系內(nèi)部物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的一部分成分和結(jié)構(gòu)完全相同的部分才稱(chēng)為同一個(gè)相

19材料的微觀組織結(jié)構(gòu)形貌相分布、形狀、大小、數(shù)量等。結(jié)構(gòu)相的原子排列情況表征；組成相之間的關(guān)系缺陷晶體缺陷表面狀態(tài)成分相的成分、界面成分及其分布

材料分析檢測(cè)技術(shù)是關(guān)于材料成分、物相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和晶體缺陷等的現(xiàn)代分析、檢測(cè)技術(shù)及其有關(guān)理論知識(shí)的科學(xué)。20檢測(cè)分析分析儀器分析過(guò)程信號(hào)發(fā)生信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生分析信號(hào)信號(hào)檢測(cè)檢測(cè)器測(cè)量信號(hào)信號(hào)處理信號(hào)處理器放大、運(yùn)算、比較信號(hào)讀出讀出裝置記錄、顯示檢測(cè)信號(hào)與材料的特征關(guān)系材料分析的基本原理（或稱(chēng)技術(shù)基礎(chǔ)）是指測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系。采用各種不同的測(cè)量信號(hào)（相應(yīng)地具有與材料的不同特征關(guān)系）形成了各種不同的材料分析方法。材料的微觀組織結(jié)構(gòu)22基于電磁輻射及運(yùn)動(dòng)粒子束與物質(zhì)相互作用的各種物理效應(yīng)所建立的各種分析方法已成為材料分析檢測(cè)的重要組成部分，大體可分為：光譜分析、電子能譜分析、衍射分析及電子顯微分析、熱分析、核磁共振分析、色譜分析、質(zhì)譜分析、電化學(xué)分析材料的微觀組織結(jié)構(gòu)23

固體中的原子鍵合

結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)

金屬與無(wú)機(jī)材料結(jié)構(gòu)鍵合力與能量，雜化軌道的鍵合，分子軌道的鍵合，原子間基本鍵型，離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵，弱作用鍵

晶體的基本概念與性質(zhì)，晶體的宏觀對(duì)稱(chēng)，單形與聚形，晶體定向和結(jié)晶符號(hào)，晶體點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)，晶體的堆積方式金屬的晶體結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)合金，無(wú)機(jī)材料的晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)機(jī)熔體與玻璃材料科學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)缺陷及固溶體點(diǎn)缺陷，位錯(cuò)，面缺陷，固溶體，非化學(xué)計(jì)量缺陷，有序和無(wú)序固溶體

高分子鏈的結(jié)構(gòu)高分子鏈的組成和構(gòu)造，高分子鏈的構(gòu)象高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物的分子間作用力，聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的取向態(tài)結(jié)構(gòu)，高聚物的熱運(yùn)動(dòng)和力學(xué)狀態(tài)組織形貌分析

物相分析

成分和價(jià)鍵分析

光學(xué)顯微分析，掃描電子顯微鏡，掃描探針顯微鏡，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。

物相分析的意義及含義,電磁波及物質(zhì)波的衍射理論,X射線衍射物相分析,電子衍射及顯微分析

X射線光譜分析(電子探針儀，能譜儀，波譜儀),X射線光電子能譜分析,俄歇電子能譜.材料現(xiàn)代研究方法分子結(jié)構(gòu)分析

振動(dòng)光譜(傅里葉變換紅外光譜,拉曼光譜)和核磁共振波譜技術(shù)。

綜合案例分析

以一種材料的綜合研究為例，講授以上四大類(lèi)材料分析手段在材料研究中如何綜合應(yīng)用，達(dá)到實(shí)現(xiàn)材料研究的目的。緒論1、X-射線衍射分析：物相成分、結(jié)晶度、晶粒度信息2、電子顯微鏡：材料微觀形貌觀察3、熱分析：分析材料隨溫度而發(fā)生的狀態(tài)變化4、振動(dòng)光譜：分子基團(tuán)、結(jié)構(gòu)的判定5、X-射線光電子能譜：一種表面分析技術(shù)，表面元素分析6、色譜分析：分析混合物中所含成分的物理方法

7、核磁共振：分析材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)

1.化學(xué)組成分析：主要研究原料和制品的化學(xué)組成?；瘜W(xué)組成分析也叫化學(xué)成分分析。常用的分析方法有：普通化學(xué)分析；儀器化學(xué)分析（包括ICP光譜、直讀光譜、Ｘ射線熒光光譜、激光光譜等等）?；瘜W(xué)分析本課程不介紹。因?yàn)榛瘜W(xué)分析的目的就是知道化學(xué)成分含量，不管用那個(gè)分析方法，只要能精確告訴我們結(jié)果就行。常見(jiàn)的三大類(lèi)型的分析方法

2.微觀結(jié)構(gòu)分析▲微觀結(jié)構(gòu)分析主要分析材料的微觀晶體結(jié)構(gòu)，即材料由哪幾種晶體組成，晶體的晶胞尺寸如何，各種晶體的相對(duì)含量多少等?！?/p>

結(jié)構(gòu)分析常用的方法有：ＸＲＤ法、TEM法、TG法、ＤＴＡ法、紅外法、核磁等。這些方法以及所用的儀器設(shè)備是我們要學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。常見(jiàn)的三大類(lèi)型的分析方法

3.顯微組織分析

主要是分析材料的微觀組織形貌。顯微組織分析常用的分析手段有：普通光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡（ＳＥM）、透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）等。本課程主要學(xué)習(xí)ＳＥＭ和ＴＥＭ的原理及分析方法。常見(jiàn)的三大類(lèi)型的分析方法

本課程與其他課程的關(guān)系本門(mén)課程是以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無(wú)機(jī)及分析化學(xué)、有機(jī)