Рентгенография материалов

Рентгенография (далее Р) материалов, область исследований, занимающаяся решением разнообразных задач материаловедения на основе рентгеновских дифракционных методов. В Р материалов исследуют как равновесные, так и неравновесные состояния материалов; изучают их структуру, фазовый состав и его изменения, строят фазовые диаграммы, исследуют состояние деформированных (или подвергнутых каким-либо другим воздействиям) материалов, процессы упорядочения и явления ближнего порядка в них.

В Р материалов используют дифракцию моно- или полихроматического рентгеновского излучения в рентгеновских камерах, получая рентгенограммы моно- или поликристаллических образцов, или регистрируют распределение рассеянного рентгеновского излучения в рентгеновских дифрактометрах (см. Рентгеновский структурный анализ).

Определение числа, размеров и разориентировки Размеры поликристаллического материала, существенно влияющие на его механические свойства, определяют методами Р материалов Средний объем достаточно крупных (~ 0,5-5 мкм) находят по их числу в исследуемом образце: = Q/, где Q - объем образца. Число участвующих в отражении рентгеновских лучей, определяется числом п точечных рефлексов, составляющих дебаевское кольцо рентгенограммы (см. Дебая - Шеррера метод): = 2n/acosJ, где a - постоянная величина (параметр аппаратуры), J - брэгговский угол.

Рентгенографические методы позволяют определять углы разориентировки и размеры блоков мозаики - областей с правильным строением, повернутых одна относительно другой (разориентированных) на очень малые углы. Измельчение блоков мозаики сопровождается упрочнением материалов, характеристики мозаичности связаны с плотностью дислокаций. О размерах блоков мозаики ~ 0,05-0,1 мкм судят по размытию (уширению) дебаевских колец (рис. 1). Если уширение обусловлено только мозаичностью, то усредненные значения размеров блоков: D = l/bcosJ, где b - полуширина размытой линии, l - длина волны использованного излучения. Средний угол разориентировки блоков J определяют по эффектам двойного вульф-брэгговского рассеяния в малоугловой ооласти (при e = 2J £ 0,5°), когда первично отраженный луч отражается еще раз от подходящим образом ориентированного блока в направлении исходного пучка (рис. 2). В окрестности первичного луча появляется дополнительное диффузное рассеяние, интенсивность которого (e) определяет J: (e) = Аe^-1ехр {-e²/J²}, где А и В- постоянные величины.

Определение остаточных напряжений. Вследствие пластических деформаций, фазовых превращений, облучения частицами высоких энергий, неравномерного нагрева и охлаждения и т.д. в материалах могут возникать остаточные напряжения. Макронапряжения приводят к короблению) растрескиванию, межкристаллитной коррозии, а иногда обусловливают анизотропию механических и свойств материала или повышают его усталостную прочность (например, при наличии сжимающих напряжений). Рентгенографическое определение макронапряжений в простейшем случае сводится к измерению смещения дебаевской линии DJ. В простейшем случае при нормальных напряжениях s смещение DJ связано с s выражением: s = EctgJ×DJ/m, где Е - Юнга модуль, m - Пуассона коэффициент.

Микронапряжения, как и измельчение блоков мозаики, приводят к уширению дебаевских линий. Если уширение обусловлено только микронапряжениями, то средняя их величина (для кубической сингонии): Dа/а = b/4tgJ. Для разделения эффектов, вызываемых микронапряжениями и блоками мозаики, применяют специальную методику, основанную на гармоническом анализе.

Фазовый анализ. Р материалов позволяет производить качественный и количественный фазовый анализ гетерогенных смесей. Каждая фаза данного вещества дает на рентгенограмме характерное отражение. В определении составляющих смесь фаз по их отражениям и состоит качественный фазовый анализ. Количественный фазовый анализ проводят на рентгеновском дифрактометре: сопоставляя интенсивности отражений фазы и эталона, находящихся в смеси, можно определить концентрацию данной фазы в поликристалле.

Фазовые превращения. Р материалов применяют для исследования изменений в пересыщенном твердом растворе, обусловленных его распадом (старением) и, следовательно, возникновением новых фаз и (или) исчезновением старых. Температурно-временная зависимость изменения концентрации фаз дает возможность изучать кинетику процессов и научно выбирать, например, режимы термообработок, определять энергию активации процесса и т.д. Распад твердых растворов сопровождается изменением их физических и механических свойств. Особенно значительно меняются свойства, когда решетка вновь образующейся фазы совпадает с исходной решеткой твердого раствора и между ними нет четкой границы раздела; в таком случае говорят, что распад протекает когерентно - образуются, например, зоны Гинье - Престона (рис. 3). Если возникает четкая граница раздела, то говорят о некогерентных выделениях фаз. Рентгенограммы твердых растворов при когерентном и некогерентном распадах существенно отличаются, что позволяет получать важные данные о ходе процессов.

Определение типа твердого раствора и границы растворимости. Для установления типа твердого раствора в Р материалов определяют количество n в элементарной ячейке раствора, используя рентгенографические данные о ее объеме Q и значении плотности раствора r: n = Qr/A×1,66×10^-24, где A - средневзвешенный вес. Если n окажется равным числу в элементарной ячейке растворителя n_o, то раствор построен по типу замещения; если n > no - имеем раствор внедрения, при n < no - раствор вычитания.

Для установления границы растворимости в твердом состоянии в Р материалов анализируют изменения периодов решетки при повышении концентрации раствора. Концентрация, при которой период решетки (для 2 компонентных растворов) перестает меняться при дальнейшем изменении состава, определяет предельную растворимость для данной температуры. По найденным значениям предельной растворимости для различных температур строят границу растворимости.

Рентгенографическое исследование расплавленных и аморфных веществ. Аморфные вещества и расплавы дают диффузное рассеяние рентгеновских лучей (см. рис. 6 в ст. Рентгеновский структурный анализ), но на рентгенограммах все же можно выделить немногочисленные и очень размытые интерференционные максимумы. Анализ дифракционных картин (рис. 4, а) позволяет разобраться в структуре жидкостей и аморфных тел; при этом определяется функция распределения r(r), т. е. усредненное по объему Q число в 1 см³ на расстоянии r от центрального r(r) = (dN/dQ) _r (рис. 4, б). Диффузный фон несет также информацию об электронной структуре сплава.

Исследование ближнего и дальнего порядка. В твердых растворах компонентов распределены, как правило, не хаотично, а с некоторой корреляцией (см. Дальний порядок и ближний порядок). Когда корреляция существует только в ближайших координационных сферах, возникает или ближнее упорядочение (например, в сплавах - и - ), либо ближнее расслоение ( - и - ). Рентгенографически это можно обнаружить по появлению дополнительного диффузного фона. С помощью Р материалов установлено, что при понижении температуры в твердых растворах с ближним расслоением обычно происходит распад на 2 твердых раствора (например, - ), а в растворах с ближним упорядочением при этом возникает дальний порядок (например, в ₃). В последнем случае корреляция между упорядоченными наблюдается в объеме всего образца, что сопровождается появлением на рентгенограмме слабых дополнительных сверхструктурных линий (рис. 5), по интенсивности которых можно судить о степени развития дальнего порядка.

Рентгенографическое исследование тепловых колебаний. Для исследования используют рентгенографическую методику измерения диффузного рассеяния рентгеновских лучей, вызванного тепловыми колебаниями, на монокристаллах. Эти измерения позволяют получить дисперсионные кривые n = f (k) (где n - частота, a k - волновой вектор упругих волн в по различным направлениям в Знание дисперсионных кривых дает возможность определить упругие константы вычислить константы межатомного взаимодействия и рассчитать фононны и спектр
Об изучении рентгеновскими методами распределения дефектов в достаточно крупных и почти совершенных монокристаллах см. в ст. Рентгеновская топография.

Исследование радиационных повреждений. Р материалов позволяет установить изменения структуры тел под действием проникающей радиации (например, изменение периодов решетки, возникновение диффузных максимумов и т.д.), а также исследовать структуру радиоактивных веществ.

Лит.: Уманский Я. С., Р металлов и полупроводников, М., 1969: его же, Р металлов, М., 1967; Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972; Хачатурян А. Г., Теория фазовых превращений и структура твердых растворов, М., 1974; Кривоглаз М. А., Применение рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов для исследования несовершенств в К., 1974; Конобеевский С. Т., Действие облучения на материалы, М., 1967: Кривоглаз М. А., Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов реальными М., 1967; Уманский Я. С., Чириков Н. В., Диффузия и образование фаз, М., 1974; Warren В. Е., X-ray diffraction, . ., 1969; Schuize G. R., Metallphysik, ., 1974.

Я. С. Умайский, Н. В. Чириков.

		Новости 31.10.2025 11:26:34

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.