Рентгенография материалов

область исследований, занимающаяся решением разнообразных задач материаловедения на основе рентгеновских дифракционных методов. В Р. м. исследуют как равновесные, так и неравновесные состояния материалов; изучают их кристаллическую 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. м. используют дифракцию моно- или полихроматического рентгеновского излучения в рентгеновских камерах (См. Рентгеновская камера), получая рентгенограммы моно- или поликристаллических образцов, или регистрируют распределение рассеянного рентгеновского излучения в рентгеновских дифрактометрах (См. Рентгеновский дифрактометр)(см. Рентгеновский структурный анализ).

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

Рентгенографические методы позволяют определять углы разориентировки и размеры блоков мозаики — областей с правильным строением, повёрнутых одна относительно другой (разориентированных) на очень малые углы. Измельчение блоков мозаики сопровождается упрочнением материалов, характеристики мозаичности связаны с плотностью дислокаций. О размерах блоков мозаики Рентгенография материалов 0,05—0,1 мкм судят по размытию (уширению) дебаевских колец (рис. 1). Если уширение обусловлено только мозаичностью, то усреднённые значения размеров блоков: D= λ/βcosϑ, где β — полуширина размытой линии, λ — длина волны использованного излучения. Средний угол разориентировки блоков ϑ определяют по эффектам двойного вульф-брэгговского рассеяния в малоугловой ооласти (при ε = 2ϑ ≤ 0,5°), когда первично отражённый луч отражается ещё раз от подходящим образом ориентированного блока в направлении исходного пучка (рис. 2). В окрестности первичного луча появляется дополнительное диффузное рассеяние, интенсивность которого I(ε) определяет ϑ: I(ε)= Аε^-1ехр {—Bε²/ϑ²}, где АиВ— 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 (См. Напряжение). Макронапряжения приводят к короблению) растрескиванию, межкристаллитной коррозии, а иногда обусловливают анизотропию механических и магнитных свойств материала или повышают его усталостную прочность (например, при наличии сжимающих напряжений). Рентгенографическое определение макронапряжений в простейшем случае сводится к измерению смещения дебаевской линии Δϑ. В простейшем случае при нормальных напряжениях σ смещение Δϑ связано с σ выражением: σ=Ectgϑ․Δϑ/μ, где Е —Юнга модуль, μ—Пуассона коэффициент.

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

Фазовый анализ.Р. м. позволяет производить качественный и количественный фазовый анализ гетерогенных смесей. Каждая фаза данного вещества даёт 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. м. применяют для исследования изменений в пересыщенном твёрдом растворе (См. Твёрдые растворы), обусловленных его распадом (старением) и, следовательно, возникновением новых фаз и (или) исчезновением старых. Температурно-временная зависимость изменения концентрации фаз даёт возможность изучать кинетику процессов и научно выбирать, например, режимы термообработок, определять энергию активации процесса и т.д. Распад твёрдых растворов сопровождается изменением их физических и механических свойств. Особенно значительно меняются свойства, когда кристаллическая решётка вновь образующейся фазы совпадает с исходной решёткой твёрдого раствора и между ними нет чёткой границы раздела; в таком случае говорят, что распад протекает когерентно — образуются, например, зоны Гинье — Престона (рис. 3). Если возникает чёткая граница раздела, то говорят о некогерентных выделениях фаз. Рентгенограммы твёрдых растворов при когерентном и некогерентном распадах существенно отличаются, что позволяет получать важные данные о ходе кристаллоструктурных процессов.

Определение типа твёрдого раствора и границы растворимости. Для установления типа твёрдого раствора в Р. м. определяют количество n атомов в элементарной ячейке раствора, используя рентгенографические данные о её объёме Q и значении плотности раствора ρ: n=Qρ/A․1,66․10^-24, где A — средневзвешенный атомный вес. Если n окажется равным числу атомов в элементарной ячейке растворителя n_o, то раствор построен по типу замещения; если n>no —имеем раствор внедрения, при nраствор вычитания.

Для установления границы растворимости в твёрдом состоянии в Р. м. анализируют изменения периодов кристаллической решётки при повышении концентрации раствора. Концентрация, при которой период решётки (для 2 компонентных растворов) перестаёт 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 всё 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 атомного распределения ρ(r), т. е. усреднённое по объёму Q число атомов N в 1 см³ на расстоянии r от центрального атома: ρ(r) =(dN/dQ) _r(рис. 4, б). Диффузный фон несёт также информацию об электронной структуре сплава.

Исследование ближнего и дальнего порядка.В твёрдых растворах атомы 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 Fe — Si и Fe — Al), либо ближнее расслоение (Cr — Mo и Si — Ge). Рентгенографически это можно обнаружить по появлению дополнительного диффузного фона. С помощью Р. м. установлено, что при понижении температуры в твёрдых растворах с ближним расслоением обычно происходит распад на 2 твёрдых раствора (например, Al — Zn), а в растворах с ближним упорядочением при этом возникает дальний порядок (например, в Fe₃Al). В последнем случае корреляция между упорядоченными атомами наблюдается в объёме 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 ν =f(k) (где ν — частота, a k —Волновой вектор упругих волн в кристалле) по различным направлениям в кристалле. Знание дисперсионных кривых даёт возможность определить упругие константы кристалла, вычислить константы межатомного взаимодействия и рассчитать фононны и спектр кристалла.

Об изучении рентгеновскими методами распределения дефектов в достаточно крупных и почти совершенных монокристаллах см. в ст. Рентгеновская топография.

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

Лит.: Уманский Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969: его же, Рентгенография 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 кристаллах, К., 1974; Конобеевский С. Т., Действие облучения на материалы, М., 1967: Кривоглаз М. А., Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов реальными кристаллами, М., 1967; Уманский Я. С., Чириков Н. В., Диффузия и образование фаз, М., 1974; Warren В. Е., X-ray diffraction, N. Y., 1969; Schuize G. R., Metallphysik, B., 1974.

Я. С. Умайский, Н. В. Чириков.

Рис. 5. Дебаеграмма сплава Fe — Al. При упорядоченном расположении атомов разного сорта, кроме обычных отражений 110, 200, 211. 220, 310, присущих твёрдому раствору с объёмноцентрированной кубической решёткой, появляются более слабые дополнительные сверхструктурные отражения 100, 111, 210, 300, 221. Нарушение порядка приводит к ослаблению интенсивности сверхструктурных линий.

Рис. 1. Профили линий дебаеграммы: а — узкие (неуширенные) сплошные отражения от кристаллитов размерами Рентгенография материалов 0,5 мкм; б — уширенные отражения от блоков мозаики размерами 0,1—0,2 мкм. β — полуширина размытой линии.

Рис. 2. Схема двойного вульф-брэгговского рассеяния (II) от блочного поликристалла в область малых углов ε от первичного пучка I.

Рис. 3. Диффузное рассеяние состаренного монокристалла Ni — Be. Дополнительное диффузное рассеяние вокруг отражений твёрдого раствора вызвано распадом пересыщенного твёрдого раствора с образованием мелкодисперсной новой фазы, имеющей ту же кристаллическую решётку, что и раствор, но отличающуюся по составу и удельному объёму (разные периоды решётки). Для каждого отражения приведены индексы интерференции, отличающиеся от миллеровских индексов порядком отражения.

Рис. 4. Дебаеграмма (а) аморфного твёрдого тела (или жидкости, расплава) и график (б) изменения распределения ρ(r) атомной плотности Hg с расстоянием r от центра неупорядоченного скопления. Появление нескольких первых размытых максимумов интенсивности I(S) (где

РЕНТГЕНОГРАФИЯ МАТЕРИАЛОВ - область материаловедения, основана на рентгеновских методах изучения структур материалов. В рентгенографии материалов исследуют кристаллическую структуру, фазовый состав и его изменения, состояние деформированных или подвергнутых другому воздействию материалов.

РЕНТГЕНОГРАФИЯ МАТЕРИАЛОВ

область исследований, занимающаяся решением разнообразных задач материаловедения на основе рентг. дифракц. методов (см. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ, РЕНТГЕНОВСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ). В Р. м. исследуют как равновесные, так и неравновесные состояния материалов, изучают их крист. структуру, фазовый состав и его изменения, строят фазовые диаграммы, исследуют состояние деформированных (или подвергнутых к.-л. др. воздействиям) материалов, процессы упорядочения и явления ближнего порядка.

В Р. м. используют дифракцию рентгеновских лучей, получая в рентгеновских камерах рентгенограммы моно- или поликрист. образцов или регистрируя распределение рассеянного рентг. излучения в рентгеновских дифрактометрах. Рассмотрим нек-рые методы Р. м.

Определение числа, размеров и разориентировки кристаллитов.

Размеры кристаллитов поликрист. материалов существенно влияют на их механич. св-ва. Число N достаточно крупных (=0,5—5 мкм) кристаллитов, участвующих в отражении рентг. лучей, определяется числом n точечных рефлексов, составляющих дебаевское кольцо рентгенограммы (см. ДЕБАЯ — ШЕРРЕРА МЕТОД): N=2n/acosq, где а — пост. величина (параметр аппаратуры), q — брэтговский угол. Средний объём кристаллита — отношение объёма образца к N.

Рентгенографич. методы позволяют определять углы разориентировки и размеры блоков мозаичной структуры — областей с правильным строением, повёрнутых одна относительно другой (разориентированных) на очень малые углы. Хар-ки мозаичности определяют прочность материалов и связаны с плотностью дислокаций. О ср. размерах D блоков мозаики =0,05—0,1 мкм судят по размытию (уширению) дебаевских колец: D = l/bcosq, где b — полуширина размытой линии. Ср. угол d разориентировки блоков определяют по эффектам двойного рассеяния рентг. излучения в малоугловой области (при e=2q?0,5°), когда первично отражённый луч отражается ещё раз от подходящим образом ориентированного блока в направлении исходного пучка. В окрестности первичного луча появляется дополнит. диффузное рассеяние, интенсивность к-рого I(e) определяет d:

I(e)=Аe-1ехр(-Be2/d2), где А и В — пост. величины.

Определение остаточных напряжений.

Рентгенографич. определение макронапряжений в простейшем случае сводится к измерению смещения дебаевской линии Dq. При норм. напряжениях 0 смещение Dq связано с а выражением: s=Ectgq
• Dq/m, где Е — Юнга модуль, m — Пуассона коэффициент (см. МОДУЛИ УПРУГОСТИ).

Микронапряжения, как и измельчение блоков мозаики, приводят к уширению дебаевских линий. Если уширение обусловлено только микронапряжениями, то ср. их величина (для кристаллов кубич. сингонии): Da/a=b/4ctgq.

Фазовый анализ.

Р. м. позволяет производить качеств. и количеств. фазовый анализ гетерогенных смесей. Каждая фаза данного в-ва даёт на рентгенограмме характерное отражение, что позволяет осуществлять качеств. фазовый анализ. В количеств. фазовом анализе по отношению интенсивностей отражений определяемой фазы и эталона, находящихся в смеси, определяют концентрацию фазы.

Фазовые превращения.

Р. м. применяют для исследования изменений в пресыщенном тв. растворе, обусловленных его распадом (старением) и, следовательно, возникновением новых фаз и (или) исчезновением старых. Распад тв. растворов сопровождается изменением их физ. и механич. св-в. Температурно-временная зависимость концентрации фаз даёт возможность изучать кинетику процессов и научно выбирать режимы термообработок, определять энергию активации процесса и т. д.

Определение типа тв. раствора и границы растворимости.

Для установления типа тв. раствора в Р. м. определяют кол-во n атомов в элем. ячейке раствора, используя рентгенографич. данные о её объёме Q и значении плотности раствора r:n=(Qr/A)
• 1,66
• 10-24, где А — ср. взвешенная ат. масса. Сопоставляя n с числом атомов в элем. ячейке растворителя N, определяют тип раствора (при n=N — раствор замещения, при n>N — раствор внедрения, при n

Для установления границы растворимости в тв. состоянии в Р. м. анализируют изменения периодов крист. решётки при повышении концентрации раствора. Концентрация, при к-рой период решётки (для двух компонентных растворов) перестаёт меняться при дальнейшем изменении состава, определяет предельную растворимость для данной темп-ры. По найденным значениям предельной растворимости для разл. темп-р строят границу растворимости.

Исследование ближнего и дальнего порядка.

В тв. растворах атомы компонентов распределены, как правило, не хаотично, а с нек-рой корреляцией (см. ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК). Когда корреляция существует только в ближайших координац. сферах, возникает либо ближнее упорядочение (напр., в сплавах Fe—Si и Fe—Al), либо ближнее расслоение (в Cr—Mo и Si—Ge). Рентгенографически это можно обнаружить по появлению дополнит. диффузного фона. С помощью Р. м. установлено, что при понижении темп-ры в тв. растворах с ближним расслоением происходит распад на два твёрдых раствора (напр., Al—Zn), а в растворах с ближним упорядочением при этом возникает дальний порядок (напр., Fe3Al).

Рентгенографич. исследование тепловых колебаний.

Для исследования используют рентгенографич. методику измерения диффузного рассеяния рентг. 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 кристалле) по разл. направлениям. Знание дисперсионных кривых даёт возможность определить упругие константы кристалла, вычислить константы межатомного вз-ствия и рассчитать фононный спектр кристалла.

Исследование радиац. повреждений.

Р. м. позволяет установить изменения структуры кристаллич. тел под действием проникающей радиации (напр., изменение периодов решётки, возникновение диффузных максимумов), а также исследовать структуру радиоактивных в-в. Дефекты в достаточно крупных и почти совершенных монокристаллах исследуют методами рентг. топографии.

рентгеногра́фия материа́лов

область материаловедения, основанная на рентгеновских методах изучения структур материалов. В рентгенографии материалов исследуют кристаллическую структуру, фазовый состав и его изменения, состояние деформированных или подвергнутых другим воздействиям материалов.

* * *

РЕНТГЕНОГРА́ФИЯ МАТЕРИА́ЛОВ, область материаловедения, основана на рентгеновских методах изучения структур материалов. В рентгенографии материалов исследуют кристаллическую структуру, фазовый состав и его изменения, состояние деформированных или подвергнутых другому воздействию материалов.