pobieranie: 02_XRD
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: METODY I TECHNIKI BADAŃ TWORZYW METALICZNYCH ĆWICZENIA LABORATORYJNE RENTGENOWSKA ANALIZA STRUKTURALNA
Cel ćwiczenia Poznanie teoretycznych podstaw i praktycznej realizacji metod dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego i ich zastosowania w badaniach różnych materiałów. Wstęp U podstaw rentgenowskich badań substancji krystalicznych leży równanie Bragga: nλ = 2 dhkl sin Θ gdzie: n – liczba całkowita określająca rząd ugięcia, λ – długość fali rentgenowskiej, dhkl – odległość międzypłaszczyznowa rodziny płaszczyzn o wskaźnikach Millera (hkl), Θ – kąt Bragga
Rys.1. Dyfrakcja promieni rentgenowskich w krysztale. Spośród wszystkich metod badania substancji krystalicznej największe zastosowanie praktyczne ma metoda proszkowa zwana metodą Debye'a – Scherrera – Hulla. Próbka składa się z dużej ilości drobnych kryształów o wymiarach 0,01 ÷ 0,001mm zorientowanych dowolnie tak, że w niedużej objętości badanej substancji znajduje się zawsze ta sama ilość kryształków z dowolnie wybraną orientacją. Jeżeli na taką próbkę skierowana zostanie monochromatyczna wiązka promieni rentgenowskich to znajdzie się w niej zawsze pewna ilość kryształów, których płaszczyzny sieciowe (hkl) tworzą z wiązką pierwotną kąt Θ spełniający prawo Bragga i dadzą refleks pod kątem 2Θ. Znając kąt ugięcia 2Θ i długość fali promieniowania rentgenow-
skiego, można dla każdego pierścienia dyfrakcyjnego lub prążka interferencyjnego obliczyć odległość międzypłaszczyznową:
d hkl =
λ 2 sin Θ hkl
Następnie każdemu pierścieniowi czyli refleksowi (płaszczyźnie) można przyporządkować wskaźniki Millera (hkl) i obliczyć stałe sieciowe. Ostatnio do badań struktury krystalicznej stosuje się metodę dyfraktometryczną, której idea oparta jest na metodzie Debye'a – Scherrera – Hulla, jednakże ugięte promieniowanie rentgenowskie rejestrowane jest przez licznik scyntylacyjny połączony z elektronicznym układem przekazywania i zapisu wyników. Umożliwia to bezpośrednie wykrywanie kierunków i pomiar natężeń wiązek ugiętych. Schemat goniometru w dyfraktometrze przedstawiono na rys. 2. Rozbieżna wiązka monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego po przejściu przez szczeliny pada na płaską powierzchnię sproszkowanego preparatu umieszczonego na obrotowym stoliku. Promienie ugięte w preparacie tworzą wiązkę zbieżną, która po zogniskowaniu w szczelinie znajduje się na kole ogniskowania. Podczas pomiaru preparat i licznik obracają się wokół osi goniometru, przy czym, w wyniku mechanicznego sprzężenia, obrotowi licznika o kąt 2Θ odpowiada obrót próbki o kąt Θ. Kąt między padającą wiązką a osią licznika jest zawsze dwa razy większy niż kąt między wiązką padającą a powierzchnią próbki. Dlatego przy takim ułożeniu próbki, w którym pewne płaszczyzny sieciowe (hkl) znajdują się w pozycji odbicia, do licznika wpada wiązka ugięta na tych płaszczyznach. Pomiar zaczyna się od położenia zerowego, tj. od miejsca, w którym okienko licznika znajduje się naprzeciw wiązki pierwotnej, do położenia licznika w okolicy kąta 2Θ = 160deg.
Rys.2. Bieg promieni rentgenowskich w goniometrze dyfraktometru, 1 – stolik goniometru, 2 – preparat, 3 – anoda lampy, 4 – skala goniometru, 5 – licznik.
Prędkość powstawania impulsów w liczniku, zamienionych na prąd stały mierzy się za pomocą miernika szybkości zliczeń, który w połączeniu z komputerem zapewnia automatycz-
ną rejestrację natężenia promieni rentgenowskich w funkcji kąta między wiązką pierwotną i ugiętą. Automatycznie zarejestrowany obraz dyfrakcyjny preparatu proszkowego pokazano na rys. 3. W celu uzyskania jak największej dokładności pomiarów należy dobrać długości fali rentgenowskiej do badanej próbki tak, aby otrzymać duże kąty ugięcia (Θ λ 90deg). Wynika to ze zróżniczkowanej postaci równania Bragga:
∆d = ± ctg Θ ∆ Θ d
Rys.3. Dyfraktogram rentgenowski preparatu proszkowego /polikrystalicznego/.
Przebieg ćwiczenia Zadanie 1. 1. Pomiar widma dyfrakcji promieni X dla próbki polikrystalicznej (sporządzenie dyfraktogramu). 2. Wyznaczenie położenia kątowego refleksów interferencyjnych oraz odpowiadające im wartości dhkl na podstawie dyfraktogramu próbki badanej. 3. Przeprowadzenie identyfikacji składu fazowego próbki w oparciu o kartotekę wzorców ICDD (International Centre for Diffraction Data).
Zadanie 2. Na podstawie dyfraktogramów wykonanych z zastosowaniem promieniowania CoKα o długości λ = 1,79021 Å stwierdzono, że w pięciu próbkach stalowych austenityzowanych przez 12 minut w temperaturach odpowiednio 1000, 1050, 1100, 1150 i 1200 °C występują ferryt (martenzyt) i austenit (fazy α i γ ) oraz węglik żelaza. Faza α ma strukturę A2, faza γ – strukturę A1. Najsilniejszym refleksem fazy α jest refleks 110, a fazy γ refleks 111. Refleksy te leżą w niewielkim przedziale kątowym, lecz nie nakładają się. Korzystając z umiejętności zdobytych w zadaniu 1, należy wykonać analizę składu fazowego badanych próbek stalowych oraz wyznaczyć odległości międzypłaszczyznowe d111 i d110 dla fazy α i γ. Techniką planimetrowania określić stosunek pól pod „pikami” 110 i 111 odpowiednich faz, a tym samym stosunek natężeń refleksów interferencyjnych J110/J111 odpowiednio fazy α i γ. Korzystając z metody bezpośredniego porównania natężeń refleksów, zgodnie z którą: J110/J111 = G m/m; mα+mγ+mw = 1, wyznaczyć zawartość austenitu w badanych próbkach stalowych i sporządzić wykres zależności ilości austenitu od temperatury austenityzacji. Zawartość węglików, którą wyznaczono inną metodą wraz z dyfraktogramami i innymi danymi niezbędnymi do obliczeń studenci otrzymają od prowadzącego ćwiczenia. Sposób zaliczenia Zaliczenie w oparciu o sprawdzian wiedzy i sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia. Przygotowanie teoretyczne – pytania kontrolne Elementy krystalografii (komórka elementarna, sieć przestrzenna, sieć Bravais'go, wskaźniki Millera). Podstawowe wiadomości z fizyki ciała stałego. Otrzymywanie promieni rentgenowskich, budowa lampy rentgenowskiej. Promieniowanie białe (promieniowanie hamowania). Promieniowanie charakterystyczne. Właściwości promieniowania rentgenowskiego. Zjawisko dyfrakcji i interferencji promieniowania. Prawo Bragg’a. Metody analizy składu fazowego oraz ilościowej metali i stopów oraz innych materiałów krystalicznych. Metody badania struktury krystalicznej Literatura 1. J. Chojnacki, Elementy krystalografii chemicznej i fizycznej, PWN 2. D. Senczyk, Rentgenowskie metody i techniki badania struktury materiałów, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1984. 3. D. Senczyk, Laboratorium z rentgenografii strukturalnej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1982. 4. Z. Bojarski, E. Łągiewka, Rentgenowska analiz strukturalna, PWN, Warszawa 1988.
02_XRD
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: METODY I TECHNIKI BADAŃ TWORZYW METALICZNYCH ĆWICZENIA LABORATORYJNE RENTGENOWSKA ANALIZA STRUKTURALNA
Cel ćwiczenia Poznanie teoretycznych podstaw i praktycznej realizacji metod dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego i ich zastosowania w badaniach różnych materiałów. Wstęp U podstaw rentgenowskich badań substancji krystalicznych leży równanie Bragga: nλ = 2 dhkl sin Θ gdzie: n – liczba całkowita określająca rząd ugięcia, λ – długość fali rentgenowskiej, dhkl – odległość międzypłaszczyznowa rodziny płaszczyzn o wskaźnikach Millera (hkl), Θ – kąt Bragga
Rys.1. Dyfrakcja promieni rentgenowskich w krysztale. Spośród wszystkich metod badania substancji krystalicznej największe zastosowanie praktyczne ma metoda proszkowa zwana metodą Debye'a – Scherrera – Hulla. Próbka składa się z dużej ilości drobnych kryształów o wymiarach 0,01 ÷ 0,001mm zorientowanych dowolnie tak, że w niedużej objętości badanej substancji znajduje się zawsze ta sama ilość kryształków z dowolnie wybraną orientacją. Jeżeli na taką próbkę skierowana zostanie monochromatyczna wiązka promieni rentgenowskich to znajdzie się w niej zawsze pewna ilość kryształów, których płaszczyzny sieciowe (hkl) tworzą z wiązką pierwotną kąt Θ spełniający prawo Bragga i dadzą refleks pod kątem 2Θ. Znając kąt ugięcia 2Θ i długość fali promieniowania rentgenow-
skiego, można dla każdego pierścienia dyfrakcyjnego lub prążka interferencyjnego obliczyć odległość międzypłaszczyznową:
d hkl =
λ 2 sin Θ hkl
Następnie każdemu pierścieniowi czyli refleksowi (płaszczyźnie) można przyporządkować wskaźniki Millera (hkl) i obliczyć stałe sieciowe. Ostatnio do badań struktury krystalicznej stosuje się metodę dyfraktometryczną, której idea oparta jest na metodzie Debye'a – Scherrera – Hulla, jednakże ugięte promieniowanie rentgenowskie rejestrowane jest przez licznik scyntylacyjny połączony z elektronicznym układem przekazywania i zapisu wyników. Umożliwia to bezpośrednie wykrywanie kierunków i pomiar natężeń wiązek ugiętych. Schemat goniometru w dyfraktometrze przedstawiono na rys. 2. Rozbieżna wiązka monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego po przejściu przez szczeliny pada na płaską powierzchnię sproszkowanego preparatu umieszczonego na obrotowym stoliku. Promienie ugięte w preparacie tworzą wiązkę zbieżną, która po zogniskowaniu w szczelinie znajduje się na kole ogniskowania. Podczas pomiaru preparat i licznik obracają się wokół osi goniometru, przy czym, w wyniku mechanicznego sprzężenia, obrotowi licznika o kąt 2Θ odpowiada obrót próbki o kąt Θ. Kąt między padającą wiązką a osią licznika jest zawsze dwa razy większy niż kąt między wiązką padającą a powierzchnią próbki. Dlatego przy takim ułożeniu próbki, w którym pewne płaszczyzny sieciowe (hkl) znajdują się w pozycji odbicia, do licznika wpada wiązka ugięta na tych płaszczyznach. Pomiar zaczyna się od położenia zerowego, tj. od miejsca, w którym okienko licznika znajduje się naprzeciw wiązki pierwotnej, do położenia licznika w okolicy kąta 2Θ = 160deg.
Rys.2. Bieg promieni rentgenowskich w goniometrze dyfraktometru, 1 – stolik goniometru, 2 – preparat, 3 – anoda lampy, 4 – skala goniometru, 5 – licznik.
Prędkość powstawania impulsów w liczniku, zamienionych na prąd stały mierzy się za pomocą miernika szybkości zliczeń, który w połączeniu z komputerem zapewnia automatycz-
ną rejestrację natężenia promieni rentgenowskich w funkcji kąta między wiązką pierwotną i ugiętą. Automatycznie zarejestrowany obraz dyfrakcyjny preparatu proszkowego pokazano na rys. 3. W celu uzyskania jak największej dokładności pomiarów należy dobrać długości fali rentgenowskiej do badanej próbki tak, aby otrzymać duże kąty ugięcia (Θ λ 90deg). Wynika to ze zróżniczkowanej postaci równania Bragga:
∆d = ± ctg Θ ∆ Θ d
Rys.3. Dyfraktogram rentgenowski preparatu proszkowego /polikrystalicznego/.
Przebieg ćwiczenia Zadanie 1. 1. Pomiar widma dyfrakcji promieni X dla próbki polikrystalicznej (sporządzenie dyfraktogramu). 2. Wyznaczenie położenia kątowego refleksów interferencyjnych oraz odpowiadające im wartości dhkl na podstawie dyfraktogramu próbki badanej. 3. Przeprowadzenie identyfikacji składu fazowego próbki w oparciu o kartotekę wzorców ICDD (International Centre for Diffraction Data).
Zadanie 2. Na podstawie dyfraktogramów wykonanych z zastosowaniem promieniowania CoKα o długości λ = 1,79021 Å stwierdzono, że w pięciu próbkach stalowych austenityzowanych przez 12 minut w temperaturach odpowiednio 1000, 1050, 1100, 1150 i 1200 °C występują ferryt (martenzyt) i austenit (fazy α i γ ) oraz węglik żelaza. Faza α ma strukturę A2, faza γ – strukturę A1. Najsilniejszym refleksem fazy α jest refleks 110, a fazy γ refleks 111. Refleksy te leżą w niewielkim przedziale kątowym, lecz nie nakładają się. Korzystając z umiejętności zdobytych w zadaniu 1, należy wykonać analizę składu fazowego badanych próbek stalowych oraz wyznaczyć odległości międzypłaszczyznowe d111 i d110 dla fazy α i γ. Techniką planimetrowania określić stosunek pól pod „pikami” 110 i 111 odpowiednich faz, a tym samym stosunek natężeń refleksów interferencyjnych J110/J111 odpowiednio fazy α i γ. Korzystając z metody bezpośredniego porównania natężeń refleksów, zgodnie z którą: J110/J111 = G m/m; mα+mγ+mw = 1, wyznaczyć zawartość austenitu w badanych próbkach stalowych i sporządzić wykres zależności ilości austenitu od temperatury austenityzacji. Zawartość węglików, którą wyznaczono inną metodą wraz z dyfraktogramami i innymi danymi niezbędnymi do obliczeń studenci otrzymają od prowadzącego ćwiczenia. Sposób zaliczenia Zaliczenie w oparciu o sprawdzian wiedzy i sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia. Przygotowanie teoretyczne – pytania kontrolne Elementy krystalografii (komórka elementarna, sieć przestrzenna, sieć Bravais'go, wskaźniki Millera). Podstawowe wiadomości z fizyki ciała stałego. Otrzymywanie promieni rentgenowskich, budowa lampy rentgenowskiej. Promieniowanie białe (promieniowanie hamowania). Promieniowanie charakterystyczne. Właściwości promieniowania rentgenowskiego. Zjawisko dyfrakcji i interferencji promieniowania. Prawo Bragg’a. Metody analizy składu fazowego oraz ilościowej metali i stopów oraz innych materiałów krystalicznych. Metody badania struktury krystalicznej Literatura 1. J. Chojnacki, Elementy krystalografii chemicznej i fizycznej, PWN 2. D. Senczyk, Rentgenowskie metody i techniki badania struktury materiałów, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1984. 3. D. Senczyk, Laboratorium z rentgenografii strukturalnej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1982. 4. Z. Bojarski, E. Łągiewka, Rentgenowska analiz strukturalna, PWN, Warszawa 1988.
