X射線分析

利用 X射線與物質間的交互作用來分析物質的結構、組織和成分的一種材料物理試驗。

X射線是德國人W.C.倫琴於 1895年發現的。它是一種肉眼不可見的射線，但能使感光材料感光和熒光物質發光；具有較強的穿透物質的本領；能使氣體電離；與可見光一樣，它是沿直線傳播的，在電磁場中不發生偏轉。由於當時對其本質不甚了解，因此稱之為X射線。後人為了紀念其發現者，也稱為倫琴射線。

1912年，德國人M.von勞厄等通過實驗證實，X射線與晶體相遇時能發生衍射現象，證明了它是一種波長很短的電磁波，從而奠定了 X射線衍射學的基礎。1912～1913年英國人布喇格父子在進行大量的晶體結構分析的基礎上闡明，可以將晶體的衍射現象看作是晶體某些晶面的“鏡面反射”的結果。當這些晶面與 X射線入射方向所形成的角度θ、該組晶面的晶面間距d和入射線的波長λ之間符合2dsinθ＝nλ條件時才能產生反射。式中n為任意正整數，稱為衍射級數。這一方程稱為布喇格定律（圖1）。

人們利用 X射線與物質間的各種交互作用已建立了許多X射線分析方法，其中不少方法已被廣泛應用於機械工程材料的研究方面。

X射線衍射分析 建立在X射線與晶體物質相遇時能發生衍射現象的基礎上的一種分析方法。應用這種方法可進行物相定性分析和定量分析、宏觀和微觀應力分析。

① 物相定性分析：每種晶體物相都有一定的衍射花樣，故可根據不同的衍射花樣鑒別出相應的物相類別。由於這種方法能確定被測物相的組成，在機械工程材料特別是金屬材料的研究中應用較廣。

② 物相定量分析：每一物相的任一衍射線條的積分強度與該相在混合物中的體積分數有一定的數量關係，因此可根據譜線的積分強度求出各物相的定量組成。例如淬火鋼中殘餘奧氏體含量的多少會顯著影響鋼的機械性能和加工工藝性能，用物相定量分析方法可合理控制和精確測定某些產品（諸如軸承、齒輪、切削刀具等）中的殘餘奧氏體量。

③ 宏觀應力分析：當晶體材料中存在著宏觀殘餘應力時就會導致衍射峰的位移，根據位移的大小可求出宏觀殘餘應力的數值。殘餘應力的大小和分佈直接影響零部件的疲勞強度、靜強度、抗應力腐蝕性能和尺寸穩定性等，因此常通過X射線宏觀應力分析來檢查焊接、熱處理和表面強化處理等工藝的效果，以及控制切削、磨削等表面加工質量。

④ 晶粒大小和微觀應力分析：晶粒細化和微觀應力的存在會使衍射峰寬化。可根據其寬化程度和線型求出金屬材料或零部件中晶粒大小和微觀應力數值，用以研究材料的機械性能、塑性變形特性、合金強化等問題。

除了上述常用的一些X射線衍射分析方法外，還有點陣常數測定、結構測定、單晶定向等分析方法，在研究熱處理、相變、加工形變等對金屬材料組織和性能的影響方面具有重要的作用。

X射線熒光分析 當用適當波長的X射線照射不同物質時，物質會相應地被激發出不同波長的二次特徵X射線譜（為該物質構成元素的特有的X射線譜線）。通過測定和分析這些譜線，可以對物質進行化學分析（定性和定量）(圖2)。這種方法具有無損、快速和大面積測定等優點，已成為現代成分分析中的一種重要方法。

X射線探傷 X射線具有很強的透射能力，可用來對材料和零部件進行無損探傷。這種方法具有不破壞被檢物和解析度高等優點，被廣泛應用於機械工業中（見射線探傷）。

參考書目

許順生：《金屬X射線學》，上海科學技術出版社，上海，1962。

B.D.Cullity, Elements of X-ray　Diffraction, Addison-Wesley　Publ.Co., Massachusetts，U.S.A.,1978.