材料X射線衍射基礎與實踐（簡體書）

《材料X射線衍射基礎與實踐》根據“高等學校材料類專業教學指導委員會規劃教材”建設項目的要求，博采同類教材眾長並結合編者多年教學和科研心得，從學生學習角度整合教材內容，教材深挖教學重點、剖析難點，不僅著眼於學生基礎知識結構的構建，更注重學生思考能力的培養。
本書內容的安排如下：第1章緒論，闡述該課程在材料科學與工程專業課程體系中的定位，介紹衍射現象和衍射技術的發展歷程；第2章講解X射線的基礎物理知識；第3章為材料晶體結構的描述方法，重點解釋引入倒易空間描述晶體結構的科學性和意義；第4～6章講解X射線晶體衍射的基本理論，包括衍射方向、衍射強度和衍射線形等，重點內容包括勞厄方程、布拉格方程、衍射矢量方程、埃瓦爾德圖解、消光規律、干涉函數等；第7章為X射線衍射技術和方法，介紹獲得衍射圖譜的常見技術和基本方法；第8、9章介紹X射線衍射技術的基本應用，主要包括材料的物相鑒定與定量分析、點陣常數測定、結晶度分析和應力分析等。
本書是高等學校材料類專業的本科和研究生教材，也可供材料研究和工程領域的技術人員參考。

王利民，男，教授、博導，河北玉田人
現任燕山大學副校長
"長江學者"獎勵計劃特聘教授
材料專業教學指導委員會副秘書長
從事材料相變尤其是非晶材料研究，先後主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金、重點項目、河北省杰出青年基金等國家或省部級項目近20項。發表SCI學術論文200多篇。
教育經歷：
[1]. 1998.9- 2001.7
中國科學院物理研究所 | 凝聚體物理 | 博士研究生 | 博士學位
[2]. 1995.9- 1998.7
燕山大學 | 材料科學與工程 | 碩士研究生 | 碩士
[3]. 1991.9- 1995.7
燕山大學 | 材料科學與工程 | 大學本科教育 | 學士
工作經歷：
[1]. 2007.8- 至今
燕山大學 | 材料科學與工程學院 | 院長 | 教授 | 在崗
[2]. 2001.9- 2007.7
Arizona State University | post-doc
研究領域：
非晶態材料的形成機理與成分設計
非晶轉變熱力學與動力學

材料是人類文明進步的物質基礎和重要標志，為高端裝備、先進製造、航空航天、交通運輸、土木建築、能源環保、醫學健康等眾多領域提供重要支撐。材料的宏觀性能與微觀結構密切相關，而X射線衍射分析正是研究材料微觀結構的最基礎、最重要的技術之一，在材料的表征和性能優化、新材料的設計和探索中具有重要作用，廣泛應用於材料、物理、化學、冶金、機械等學科中，是體現學科交叉特徵的一種材料分析技術。
編者講授“材料X射線衍射學”課程多年，熟知課程知識體系，同時也一直工作在材料科學研究一線。在撰寫本書過程中，始終把學生專業能力和創新能力的培養作為核心和目標，並對標高校材料類專業畢業要求的內涵觀測點，注重知識點的理論基礎和在材料研究中的實際應用，旨在提升學生在材料認知、設計和調控等方面的專業能力，並培養創新思維，為國家培養具有突出科技創新能力、善於解決複雜工程問題的高素質人才。此外，編者增設了部分課程思政內容，以及科技前沿和進展的報道，體現課程的時代性和前沿性，並引導學生增強愛國精神。例如，分別在第1章和第8章增加了我國“慧眼”硬X射線衛星、我國科學家在X射線發展中的重要貢獻和偉大成果等內容，以及X射線衍射技術研究材料位錯密度等最新成果。
本教材為燕山大學金屬材料工程專業、無機非金屬材料工程專業、高分子材料與工程專業、材料物理專業國家級一流本科專業建設成果教材。在本書撰寫中，突出了以下幾個方面：(1)邏輯融通。注重內容的整體性，詳述核心知識點引入的必要性、重要性、科學性，強調核心知識點之間以及章節間的邏輯關係。(2)問題導向。圍繞科學問題而引入知識點講授，並引發學生思考，通過增加習題與思考題，強化知識點的鞏固和應用。(3)難點剖析。設置了獨立章節討論教學難點，如倒易空間、勞厄方程與布拉格方程的銜接、衍射矢量方程、干涉函數等內容。(4)重點深挖。核心內容貫穿於多個章節，從多角度認識和理解，如布拉格方程、點陣消光、埃瓦爾德圖解等。(5)專業兼顧。內容涵蓋了X射線衍射在金屬、無機、高分子等材料體系中的應用，也包含了非晶態材料的結構與衍射相關內容。(6)內容精練。本教材以基礎理論講解為主，輔以相關實際應用範例，針對本科生教學課時要求，盡可能壓縮與核心理論關聯性較弱的內容。
本書的第1、4～6章主要由燕山大學王利民教授完成，第2、7章主要由北京師範大學吳立明教授完成，第3、8、9章主要由燕山大學張宴會老師完成，三位編者均對全書進行了系統的校對工作。此外，本書編著過程中也得到了眾多材料領域專家的支持和幫助。燕山大學材料科學與工程學院馮士東教授協助撰寫了第1章和第6章的部分內容，舒予老師協助撰寫了第2章和第7章的部分內容，梁永日教授協助撰寫了第8章部分內容，王天生教授、梁永日教授、翟昆教授、範長增教授、王霖教授對本書進行了校正。燕山大學理學院李子敬副教授參與了第1章部分內容的撰寫。燕山大學材料科學與工程學院綜合實驗室喬琪老師提供了部分物質的X射線粉末多晶衍射圖譜。燕山大學材料科學與工程學院田永君院士和劉日平教授給予了大力支持並提出修改意見和建議。中國物理學會X射線衍射專業委員會秘書長、中國科學院物理研究所王文軍研究員，中國科學院物理研究所董成研究員，南京大學吳迪教授，華北理工大學許瑩教授與編者進行了多次有益討論，並提出寶貴意見。在此，對各位專家的付出和支持表示衷心感謝。
由於編著者水平有限，書中難免有不妥之處，敬請讀者批評指正。

編著者
2023年6月

第1章緒論
1.1X射線的發現與應用領域 1
1.2X射線衍射學發展歷程 3
1.3衍射基本概念 5
1.4教材特點與內容安排 7
習題與思考題 7

第2章X射線的物理學基礎
2.1X射線的產生 9
2.1.1X射線管 9
2.1.2同步輻射 11
2.2X射線的性質 12
2.2.1X射線的物理本質 12
2.2.2X射線分類 13
2.3X射線譜 13
2.3.1連續X射線譜 13
2.3.2特徵X射線譜 14
2.4莫塞萊定律 17
2.5X射線與物質的相互作用 18
2.5.1散射 18
2.5.2吸收 19
2.5.3透過與衰減 21
2.6X射線的安全與防護 23
習題與思考題 23

第3章材料晶體結構概述
3.1晶體結構的正空間表達與分類 25
3.1.1晶體結構與空間點陣 25
3.1.2晶胞與基本矢量 25
3.1.3布拉維晶胞 26
3.2晶面的標定與屬性 29
3.2.1晶面指數 29
3.2.2晶面間距 30
3.2.3晶面族 31
3.2.4六方晶系的晶面指數 31
3.3晶向和晶帶 32
3.3.1晶向和晶向指數 32
3.3.2晶向族 32
3.3.3晶帶和晶帶軸 33
3.4晶體結構的倒空間表述 33
3.4.1引入倒易變換和倒易點陣的必要性 33
3.4.2倒易點陣和倒空間 34
3.4.3倒易點陣與正點陣的變換 35
3.4.4倒易矢量及其性質 36
3.4.5倒易變換本質與數學表達 38
3.4.6倒易變換的科學意義 39
3.5非晶態材料結構 41
習題與思考題 44

第4章X射線衍射方向
4.1衍射譜的基本要素 45
4.1.1晶體X射線衍射的產生 45
4.1.2衍射圖像的基本要素 45
4.2衍射方向的勞厄方程 47
4.2.1勞厄方程推導 47
4.2.2三維勞厄衍射方程的討論 49
4.3衍射方向的布拉格方程 52
4.3.1布拉格方程推導 52
4.3.2布拉格方程的討論 54
4.3.3勞厄方程和布拉格方程的比較 58
4.4衍射矢量方程 58
4.4.1衍射矢量方程推導 59
4.4.2衍射矢量方程的討論 60
4.4.3埃瓦爾德圖解 62
4.5埃瓦爾德圖解應用：基於衍射原理的三種衍射方法 64
習題與思考題 68

第5章X射線衍射強度
5.1一個電子對X射線的散射 70
5.2一個原子對X射線的散射 71
5.2.1原子散射因子 71
5.2.2原子散射因子的討論 72
5.3一個晶胞對X射線的散射 73
5.3.1簡單點陣和帶心點陣的散射 74
5.3.2帶心點陣消光規律的定性分析 74
5.3.3帶心點陣消光規律的定量分析：結構因子 76
5.3.4衍射譜指標化 85
5.4一個晶粒的X射線衍射強度 86
5.5粉末多晶的X射線衍射積分強度 87
5.5.1參與衍射的晶粒數目 87
5.5.2參與衍射的衍射面數目——多重性因子PHKL 89
5.5.3單位弧長上的積分強度 90
5.5.4角因子φ(θ) 90
5.5.5吸收因子A(θ) 91
5.5.6溫度因子e-2M 91
5.5.7粉末多晶衍射積分強度 92
習題與思考題 93

第6章X射線衍射線形
6.1衍射峰的寬化 94
6.2晶粒細化引起的衍射峰寬化 95
6.2.1一個晶粒的衍射強度理論：干涉函數 95
6.2.2干涉函數的討論 96
6.2.3衍射峰寬化的分析解釋：德拜-謝樂方程 102
6.3晶格畸變導致的衍射峰寬化 105
6.4非晶態材料的衍射譜和干涉函數 107
習題與思考題 110

第7章材料衍射分析的實驗方法
7.1衍射方法與衍射儀器分類 111
7.1.1按衍射原理分類 112
7.1.2按信號記錄方式與接收系統分類 114
7.2衍射幾何 115
7.2.1Debye-Scherrer 衍射幾何 115
7.2.2Bragg-Brentano衍射幾何 115
7.2.3Seemann-Bohlin衍射幾何 117
7.3粉末X射線衍射儀 118
7.3.1X射線發生器 119
7.3.2測角儀 119
7.3.3晶體單色器 120
7.3.4信號接收器 121
7.4粉末衍射測量的基本參量與要求 121
7.5單晶X射線衍射儀 122
習題與思考題 122

第8章物相分析與點陣常數的精確測定
8.1物相定性分析 124
8.1.1基本原理和方法 124
8.1.2PDF卡片與分析軟件 125
8.1.3基於單晶結構構建粉末衍射 127
8.2物相定量分析 129
8.2.1基本原理 129
8.2.2常用方法 130
8.2.3非晶材料結晶度測量 134
8.3點陣常數的精確測定 136
8.3.1基本原理 136
8.3.2誤差產生原因和消除誤差的方法 137
8.3.3輻射源對晶胞常數測定的影響 140
8.3.4Kα1和Kα2衍射線條的分辨 140
8.3.5點陣常數精確測定的應用 141
習題與思考題 143

第9章X射線衍射應力分析
9.1應力產生與分類 145
9.2應力測定的方法和基本原理 146
9.3三類應力與X射線衍射譜 146
9.4X射線衍射單軸應力測定 149
9.5X射線衍射平面應力測定 151
9.5.1基本原理 152
9.5.2sin2ψ法 153
習題與思考題 155

附錄
附錄A勞厄方程與布拉格方程的等效性 157
附錄B衍射矢量方程與勞厄方程等效性 159
附錄C衍射矢量方程與布拉格方程等效性 160

參考文獻