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第二章 计算机在材料检测中的应用 材料成分的检测 材料组织结构的检测 材料力学性能的检测 材料物理性能的检测 引言 材料的性能主要决定于化学成分和组织结构 化学成分不同的材料具有不同的性能 相同成分的材料经过不同的加工处理而具有不同的组织结构时，也具有不同的性能 计算机在材料各种性能、组织结构等的检测和工程过程的控制方面的应用是材料科学中计算机实用的一个重要方面。 本章重点不是介绍各种应用系统中的计算机知识，而是针对如何在材料科学中应用计算机解决材料检测方面的各种实际问题。 一、材料成分的检测 材料的组成对材料的性能和应用有很大的影响；许多材料的合成和制备也正是通过改变材料的成分来调整材料的性能，如材料的表面处理就是使材料的表面成分与心部不同，以获得材料表面的特殊性能。因此，材料成分的检测对于材料研究有着特别重要的意义。 现今可利用各种大型分析设备如扫描探针显微镜（SPM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM），各种衍射仪如双射线衍射仪，电子衍射仪，各种谱仪如红外光谱仪、原子吸收谱仪、激光光谱仪等用于材料成分的检侧。 分析电子显微方法 各种光谱方法 1、分析电子显微方法 分析电子显微方法是现代电子显微学领域中的重要组成部分，使从微观尺度认识和研究材料的非常重要的手段。 分析电子显微方法中要获得材料成分的信息，可以采用的方法： 电子能量损失谱方法(EELS) 对轻元素的分析、微区组成定量分析 X射线能谱方法(EDS) 元素的面分布（元素二维分布） 高角度散射暗场方法（STEM，也称为Z衬度方法） 扫描投射电子显微方法的应用之一。衬度强度正比于待测试氧元素的原子序数的平方 俄歇电子仪 表面处理时材料科学研究的一大方向，材料表面上不同于内部成分、结构和性质的原子层的情况如何时材料研究很感兴趣的问题。 俄歇电子能谱仪可以测量固体表面层的元素分布。 俄歇探针仪可以分析大约50nm微区的表面化学成分。 计算机采集系统和数据处理软件的分类 数据处理软件可以分为三类： 计算、模拟软件 输入被测材料的名称、试验条件和分析要求，系统按某个计算模型或公式输出计算结果，用于试验前的结果预测、与试验结果比较和数据评价。 Small World 公司编制的Electron Flight Simulator软件可求出电子散射的轨迹，计算特征X射线谱。 数据分析、图像分析软件 依控制试验条件而得到的试验结果（图像或图谱的数据），按指定的公式运算处理，输出计算、分析结果 设备控制软件 控制各种分析设备装置分析过程的软件。输入选择的分析要求、试验条件，分析设备装置按照这些选择运行分析过程。 2、各种光谱方法 光谱分析是依据样品物质的特征光谱，研究其化学成分和存在状态。 光谱包括 光学光谱 X射线光谱 微波辐射光谱 光学光谱 包括在紫外光（20~400nm）、可见光（400~800nm）或近红外光（800~900nm）波长范围内的锐线特征辐射（发射或吸收） 通过测定特征谱线的波长，可实现样品元素的定性分析； 通过测定某一谱线的发射或吸收的相对强度，可实现样品元素的定量分析。 X射线光谱、微波辐射光谱 波谱和能谱的原理是一样的 定性分析选用灵敏线作分析线，用元素光谱图对比即可。 定量分析是根据被分析元素谱线的强度确定其浓度 峰值比较法 显线法 内标法 计算机采集系统 光谱仪中待测试样被激发后产生特征光，由入射狭缝经光栅依波长分光后，形成不同波长的光分通道，由光电倍增管将光信号转为电信号，再经各通道的电流频率转换器形成不同频率的脉冲信号，计算机专门设计计数器对脉冲进行计数，其计数值即为各单色光的谱线强度 谱线强度正比于光电倍增管电流、各通道的电流频率以及计数值．故很据计数值的大小即可算出各元素的浓度。 在采集系统中计算机每隔0.02s （供电频率50Hz）对各个分析通道巡检一次。 计算机系统应用软件完成的功能 测量参数选择 选择子菜单含装载测量控制参数文件、现实测量控制参数文件、输入测量控制参数、、修改测量控制参数、存储测量控制参数文件 定标处理 测量前一期都需经标准样品校准。 常规测量过程控制 完成一般的测量过程，同时数据系统把测量数据依通道存入测量数据文件。 分析测量结果 分析比较相应结果。 在线现场快速成分分析系统 主体是一个半自动全封闭的光谱试验室 实验室箱体具有防震、防尘、抗电磁干扰等性能 快速取样和自动磨样机满足在线快速 发射光谱仪 数据网络 数据传输终端 从取样到分析数据传输给中心计算机不超出150秒 二、材料组织结构的检测 在了解了材料组织与缺陷，以及其与性能之间的关系和变化规律的基础上进行计算机仿真，使材料科学研究的新手段。从以下三方面介绍： 金相图像分析系统 材料缺陷的计算机评定 材料显微组织的计算机仿真 1、金