《短波长特征X射线衍射》系统地介绍作者*创的短波长特征X射线衍射基本原理和无损检测晶体内部衍射信息等主要应用，除绪论外，主要包括三部分，共11章。在**部分(共2章)X射线衍射基础中，概述X射线物理学基础、晶体的X射线衍射基础等；在第二部分(共3章)短波长特征X射线衍射基础、仪器及实验技术中，详述短波长特征X射线衍射原理、织构/取向材料的极密度极大值法等实验分析方法，并简介SWXRD-1000型短波长X射线衍射仪；在第三部分(共6章)晶体材料/工件内部的短波长特征X射线衍射分析应用中，详述无损检测分析单晶/多晶材料工件内部残余应力、织构/取向、物相等的工程应用实例。《短波长特征X射线衍射》的结束语总结了几种现有晶体衍射技术的特点，并分析目前短波长特征X射线衍射存在的不足，指出今后的发展方向。

第0章 绪论——发展中的X射线衍射
　　自伦琴1895年发现X射线以来，人们发现了X射线与物质相互作用产生的各种现象。在19世纪和20世纪初发展起来的**物理和量子物理的理论基础上，人们对这些现象和X射线性质进行了深入研究，形成了X射线学的三大分支，即X射线透视学、X射线光谱学和X射线衍射学，奠定了X射线学理论基础，并在科学技术上产生了深远影响。
　　0.1 X射线学的重大成就
　　(1)X射线透视学的成就：伦琴在1895年通过其夫人之手的曝光胶片而意外发现了X射线；其后，X射线很快用于人体伤病的检查(照X射线/射线透视)、工件及其内部缺陷的检查(X射线探伤/安检)；在20世纪60～70年代，X射线与计算机技术的结合，发明了X射线计算机断层扫描(computed tomography， CT)，CT能确切地判定人体伤病和工件内部缺陷的空间位置、形状大小，并获得清晰的人体和工件内部构成等。
　　一束强度为的X射线穿过厚度为的物质后的X射线强度可以表达为
　　(0-1)
　　式中，是被测物质的线吸收系数，该公式揭示了透射的X射线强度衰减规律。
　　(2)X射线光谱学的成就：劳厄等的实验以晶体作为分光元件，从而开启了X射线光谱学的研究。莫塞莱于1913年发现了从铝到金38种元素特征X射线谱频率的平方根与原子序数的线性关系，构成了理解元素周期律的一个里程碑，丰富了人们对原子结构的认识，可以通过特征X射线的测量分析得知物体包含的元素种类及其含量，各种X射线光谱仪器已应用到科学技术研究和工程技术的各个领域。表示特征X射线谱频率与产生特征X射线谱的原子序数之间关系的莫塞莱定律为
　　(0-2)
　　式中，是K系特征谱线的频率；是所有化学元素K系特征谱线的普适常数；是另一普适常数。通过适当变换和的值，式(0-2)也可适用于L、M和N系特征谱线。
　　X射线波粒二象性的提出与验证：有关光的本质一直困扰人们的认知，它究竟是波还是粒子，以惠更斯为代表的波动学说与以牛顿为代表的粒子学说之争存在了几个世纪。1912年，劳厄等利用X射线辐射晶体得到了其衍射花样，验证了X射线具有波动性，X射线是具有一定波长的电磁波，同时也开创了X射线衍射学；1923年，康普顿和吴有训进行了X射线束通过石墨所引起的非弹性散射实验，又揭示了它具有粒子性，从而体现了X射线的波粒二象性。随后，电子衍射实验又揭示了电子的波动性，从而表明了光子、电子等均具有波粒二象性。根据普朗克的量子理论，给出了X射线光子的能量E与波长之间的关系，进而爱因斯坦(Albert Einstein)提出了光的波粒二象性学说，该学说获得了广泛认同：
　　(0-3)
　　式中，光子能量以电子伏特(eV)为单位；为普朗克常数；为真空中的光速；为波长且以纳米(nm)为单位。
　　(3)X射线衍射学的成就：布拉格父子抓住了劳厄晶体衍射实验的另一面，给出了至今仍广为使用的晶体衍射方程(布拉格方程)：
　　(0-4)
　　式中，为(hkl)晶面间距；为(hkl)晶面衍射角的一半；为衍射的X射线波长；n为衍射级数(正整数，常常令n=1)。其物理意义在于：当、、等3个变量满足布拉格方程时，也就是多个散射波的光程差等于波长λ的整数倍时，将发生相干散射，即衍射。
　　0.2 X射线衍射学的进展
　　X射线衍射学，是根据X射线辐射晶体后所产生衍射线的方向和强度来确定晶体的结构(如物相分析、生物大分子晶体结构测定等)或结构变化(如内应力、晶体取向、晶格畸变等与性能相关的物理量)的，指导人们从微观的原子周期性排列来辨认物质、辨认晶体物质的各向异性，以及指导人们以微观的晶体应变能及其能量涨落来表征物体的一部分内能——原子间势能，造福人类。基于20世纪初建立的X射线衍射理论，发展了晶体结构分析，从简单的NaCl、单晶硅、氧化物、有机物蒽和萘等开始，一直到硅酸盐、金属合金和复杂的生物大分子(如蛋白质与脱氧核糖核酸等)的晶体结构测定，从多晶体到单晶体的空间各方向性能表征；发展了原子间势能分析，从物体表面到物体内部的原子间势能分析。晶体物质的X射线衍射分析成果，既奠定了固体物理学、矿物学、化学、分子生物学、现代材料学等学科基础，又推动了材料工程、医药及生物工程、表面工程、机械工程等领域的技术进步。例如，石墨和金刚石都是由碳原子组成的，然而碳原子呈六方排列的石墨比较松软(工业上常常作为一种润滑剂)，碳原子呈正四面体排列的金刚石却是世界上*为坚硬的天然物质；又如，根据药物的活性基团及装配位置的评定，研制新的药品等；再如，通过内应力的X射线衍射分析测定，即物体原子间势能变化的表征，进行从小的单晶叶片到大型发电站的结构安全性评定等。
　　0.2.1 物体表面X射线衍射的方法及仪器
　　X射线衍射技术的进步与X射线晶体衍射学理论相互推动发展。
　　从20世纪初开始，X射线衍射仪器就采用X射线管作为辐射源，检测分析晶体结构及其变化的X射线衍射技术得到了广泛使用。这些X射线衍射仪器通常采用与原子间距相当波长范围(约为2)的特征X射线，如Cu靶X射线管辐射的CuK、Co靶X射线管辐射的CoK等，进行X射线衍射检测分析。绝大多数物质对波长2左右的X射线有强吸收性，因此只能无损检测分析晶体材料表面(约10μm厚)的晶体结构或结构变化。BRUKER公司D8型X射线衍射仪(图0-1)就是这些X射线衍射仪器的代表。
　　图0-1 BRUKER公司D8型X射线衍射仪
　　20世纪40年代以来，大型科学实验装置——同步辐射装置逐渐发展起来，其辐射的X射线束以光谱连续、强度高、发散度小等为特征，其辐射强度是包括X射线管在内的其他X射线源无法达到的，同步辐射装置显著推进了包括X射线衍射学在内的相关学科的研究和应用。
　　另外，根据电子具有的波粒二象性，在检测分析晶体结构及其变化的X射线衍射理论基础上，于20世纪20～50年代建立了电子衍射理论。类似于可见光的透镜聚焦性，电子枪发射的电子束经磁场透镜聚焦成微束电子，用于极薄晶体材料小至微米级尺度的微区衍射分析。目前，各种电子显微镜已广泛用于基础研究和应用研究。近年来，基于电子衍射，又发展了电子背散射衍射(electron backscattering diffraction，EBSD)，用于晶体材料表面微区取向/织构等的分析。
　　0.2.2 物体内部衍射的方法及仪器
　　1.中子衍射
　　同样，根据中子具有的波粒二象性，在检测分析晶体结构及其变化的晶体衍射理论基础上建立了中子衍射(neutron diffraction)理论。20世纪50年代以后，发达国家利用中子的强穿透性，以核反应堆为中子源，研发了中子衍射方法和装置，实现了无损地对厘米级乃至分米级厚度晶体材料工件进行由表及里的衍射分析，形成了相应的国际标准，并在发达国家得到推广，广泛用于基础研究和工程应用。我国也于2014年建成了两座中子衍射装置，2018年建成了散裂中子源的衍射装置。
　　2.高能同步辐射的硬X射线衍射
　　20世纪80年代以后发展起来的高能同步辐射装置，其电子回旋运动轨迹的周长达数千米，能够产生高通量的高能X射线(high energy X-ray)，或称为硬X射线(hard X-ray)，其辐射的X射线束具有强度高、发散度小、连续光谱范围广等特征，成为当今*强的X射线源——超级光源，如欧洲同步辐射光源(Europe synchrotron radiation facility， ESRF)(图0-2)、美国先进光子源(advanced photon source， APS)、日本8GeV超级光子环(super photon ring-8， SPRING-8)等，以及我国计划于2025年在北京建成的*座高能同步辐射光源(high energy photon source， HEPS)。通常，将光子能量大于40keV的X射线称为高能X射线或短波长X射线，而在工程领域将其称为硬X射线，因而在本书中，高能X射线、硬X射线与短波长X射线均是依照习惯而称谓不同的同一波段X射线。
　　高能同步辐射装置产生穿透力强的短波长X射线，为短波长X射线用于晶体衍射分析提供了强有力的辐射源，*短可用波长约比通常X射线衍射仪器采用的X射线波长小1个数量级以上，其波长可短至0.01nm(ESRF辐射光子能量*高可达133keV)到0.003nm(APS辐射光子能量*大可达300keV)，亦实现了无损地对厘米级乃至分米级厚度材料工件进行由表及里的X射线衍射检测分析，是X射线衍射技术发展上的里程碑，显著拓展了X射线衍射的应用领域。
　　图0-2 光子能量范围5～133keV的ESRF及其两个衍射站示意图
　　(a)ESRF；(b)ID11-单色光衍射站；(c)ID 15A-能量色散衍射站
　　产生穿透力强的短波长X射线的高能同步辐射装置，是一种大型科学实验装置，其造价更为高昂、体积庞大、使用维护不便等，使得该装置无损地对材料工件内部进行短波长X射线衍射分析仅为少数专家学者所用。同样，依附于核反应堆和散裂中子源的中子衍射技术，亦因为辐射源的造价高昂、体积庞大、使用维护不便等原因，难以为广大的研究人员、工程技术人员所使用，限制了这两种衍射技术的普及应用。
　　3.重金属靶X射线管的短波长X射线衍射
　　1)连续谱的短波长X射线能量色散衍射
　　20世纪90年代英国牛津大学的Korsonsky等，为了克服上述两种衍射技术难以在广大科技工作者中普及应用的局限，利用200kV的钨靶X射线管产生的短波长X射线连续谱，采用固定衍射角2的能量色散衍射方式，试图实现对材料/工件内部衍射信息的无损检测分析。然而，由于靶材的短波长特征X射线对能量色散衍射谱的干扰，以及短波长X射线连续谱强度太弱等原因，利用重金属靶辐射短波长X射线谱进行能量色散衍射的技术未能得到推广应用。
　　2)短波长特征X射线衍射
　　2000年，本书作者在未知Korsonsky等研发的情况下，提出了采用重金属靶X射线管为辐射源，基于光的波粒二象性原理研发短波长特征X射线衍射(short-wavelength X-ray diffraction，SWXRD)的设想，试图突破中子衍射技术和短波长X射线衍射技术依赖核反应堆和高能同步辐射装置作为辐射源(大型科学实验装置)，难以在企业及绝大多数研究机构应用场景推广使用的局限，并解决当时我国还没有上述大型科学实验装置而不能无损检测分析材料/工件内部应力、织构、物相等的难题。
　　该设想是：采用广为使用的小型辐射源——重金属靶X射线管为辐射源。在重金属靶X射线管辐射强度比高能同步辐射装置低6个数量级以上、比常规X射线衍射所用波长小1个数量级而导致晶体材料衍射能力低3个数量级的条件下，通过光子能量分析获取单一波长的短波长特征X射线，定点探测晶体材料内部被测部位衍射的短波长特征X射线强度及其沿衍射角2θ的分布，即衍射谱，达到无损检测分析晶体材料/工件内部应力、织构、物相等的目的。
　　从2002年开始，本书作者组建并带领研发团队，在2004年研制了以钨靶X射线管为辐射源的短波长特征X射线衍射原理样机，验证了该设想；其后，在2008年研发了短波长特征X射线衍射技术，并发明了无损测定强织构材料/工件内部衍射谱、残余应力的极密度极大值法，*先在国内实现了30mm厚轧制铝板内部物相、内部织构、内部残余应力及其分布的无损检测分析。2008年研制完成了SWXRD-1000型短波长X射线衍射仪(图0-3)，该仪器利用WK1(光子能量为59.318keV，波长为0.208992)的强穿透性，可以对厘米级厚度常用材料/工件内部物相、织构、(残余)应力等及其分布进行无损检测分析，并得到了初步推广应用。

目录
序
前言
第0章 绪论——发展中的X射线衍射 1
0.1 X射线学的重大成就 1
0.2 X射线衍射学的进展 2
0.2.1 物体表面X射线衍射的方法及仪器 3
0.2.2 物体内部衍射的方法及仪器 4
**部分 X射线衍射基础
第1章 X射线物理学基础 11
1.1 X射线的发现、产生及现象 11
1.2 X射线的波动性和粒子性 13
1.2.1 X射线的波动性 13
1.2.2 X射线的粒子性及波粒二象性 14
1.2.3 X射线波粒二象性的呈现 16
1.3 X射线源及其X射线光谱 17
1.3.1 X射线管 17
1.3.2 反射靶X射线管的X射线光谱 20
1.3.3 重金属靶X射线管的短波长特征X射线谱与高能同步辐射的X射线谱 24
1.4 X射线的折射 25
1.5 X射线的散射与X射线强度衰减 26
1.5.1 散射 26
1.5.2 X射线光电吸收与荧光辐射 28
1.5.3 X射线强度的衰减 30
第2章 晶体的X射线衍射基础 32
2.1 晶体及七种晶系 32
2.1.1 晶体和非晶体 32
2.1.2 布拉维点阵和晶系 32
2.1.3 常见的晶体结构 35
2.2 晶体特性及其表征方法 36
2.2.1 晶体定向 36
2.2.2 晶面指数 37
2.2.3 晶向指数 39
2.2.4 晶面间距 41
2.2.5 晶面夹角 42
2.2.6 晶带 42
2.2.7 晶体的对称性 43
2.2.8 晶体的各向异性及滑移系 48
2.2.9 晶体的极射赤面投影 50
2.2.10 晶向、晶面法向在极射赤面投影坐标 56
2.2.11 标准极图 58
2.3 晶体的X射线衍射方向及其方程 59
2.3.1 劳厄衍射 59
2.3.2 布拉格方程 61
2.4 倒易空间与衍射矢量 63
2.4.1 倒易点阵的定义 63
2.4.2 倒易矢量的性质 64
2.4.3 衍射矢量方程与埃瓦尔德倒易球 67
2.5 X射线衍射强度 68
2.5.1 结构因子 69
2.5.2 晶胞结构因子 71
2.5.3 一个小晶体的衍射强度 72
2.5.4 多晶粉末衍射的积分强度 75
2.5.5 倒易点阵的衍射斑与衍射线的形状大小 76
2.6 常规X射线衍射的两种主要衍射方式 78
2.6.1 角度色散衍射 79
2.6.2 能量色散衍射 79
2.7 中子衍射简介 81
2.8 高能同步辐射的短波长X射线衍射简介 85
2.9 X射线管的短波长X射线能量色散衍射简介 87
第二部分 短波长特征X射线衍射基础、仪器及实验技术
第3章 短波长特征X射线衍射基础 91
3.1 短波长特征X射线衍射原理 91
3.2 基于光子能量分析的短波长特征X射线单色化及衍射强度的准确测量 95
3.2.1 探测器系统能量分辨率 95
3.2.2 短波长特征X射线单色化的能量分辨率要求 97
3.2.3 短波长特征X射线衍射强度的准确测量 97
3.3 短波长X射线的屏蔽 99
3.4 衍射几何光路与衍射体积 100
3.5 短波长特征X射线衍射谱的测试 102
3.6 短波长特征X射线衍射峰峰形的特征 103
3.7 短波长特征X射线衍射谱的晶面间距测试误差分析 105
第4章 SWXRD-1000型短波长X射线衍射仪 107
4.1 SWXRD-1000型短波长X射线衍射仪简介 107
4.2 SWXRD-1000型短波长X射线衍射仪及主要技术指标 108
4.3 仪器主要分系统 110
4.3.1 X射线源 111
4.3.2 准聚焦的平行准直光路系统 112
4.3.3 衍射的短波长特征X射线探测系统 112
4.3.4 精密机械运动系统 112
4.3.5 测控系统 112
4.3.6 屏蔽系统 113
4.4 测控分析软件简介 113
4.4.1 SWXRD测控软件V2.0 113
4.4.2 SWXRD分析软件V2.0 118
第5章 短波长特征X射线衍射的实验分析技术基础 123
5.1 可测厚度与短波长特征X射线的波长选取 123
5.2 衍射角零点 124
5.3 测试部位的定位 125
5.3.1 衍射仪圆圆心定位 125
5.3.2 衍射过程的短波长特征X射线传播路径 127
5.3.3 SWXRD测试部位的常规定位方法 128
5.4 粗晶材料的衍射谱测试技术 128
5.5 织构与极图 133
5.6 织构材料的“反常衍射峰” 135
5.6.1 “反常衍射峰” 135
5.6.2 “反常衍射峰”的SWXRD实验研究及其呈现规律 136
5.6.3 关于“反常衍射峰”的探讨 138
5.7 准确测定各向异性材料衍射峰的极密度极大值法 139
5.8 衍射谱的基本数据处理 140
5.8.1 SWXRD谱的基本分析方法 141
5.8.2 关于不对称拟合函数的研究 142
5.9 晶体材料/工件内部的物相定性分析 145
5.9.1 物相 145
5.9.2 物相定性分析 145
5.9.3 物相定性分析实例 149
第三部分 晶体材料/工件内部的短波长特征X射线衍射分析应用
第6章 多晶材料/工件内部织构与单晶体内部晶面取向的原位无损检测 155
6.1 多晶材料内部织构与测试 155
6.1.1 常见的织构类型与极图 155
6.1.2 极图的SWXRD测量方法 156
6.1.3 极图分析 158
6.2 内部织构分布均匀性的特征参量表征及其快速无损检测分析 160
6.2.1 预拉伸铝板内部晶面取向均匀性的特征参量选取 160
6.2.2 快速无损检测预拉伸铝板内部织构均匀性的装置和方法 161
6.2.3 快速原位无损检测预拉伸铝板内部晶面取向分布的均匀性 162
6.3 单晶体内部晶面取向的原位无损测定与衍射峰测量准确性的评估 164
6.4 各向异性材料衍射峰位准确测量的判定准则 168
第7章 晶体材料/工件内部残余应力的原位无损测定 169
7.1 残余应力及其产生 169
7.1.1 残余应力的内涵 169
7.1.2 残余应力的产生 170
7.2 内应力模型及晶体衍射表征 171
7.2.1 Macherauch内应力模型及其分类 171
7.2.2 郑林-张津内应力模型及其分类 172
7.3 晶体衍射测定应力的应变与应力关系 175
7.3.1 材料应变与晶格应变 175
7.3.2 应力-应变关系 176
7.4 主应变的求解方法 178
7.5 无损测定(残余)应力的常用方法 179
7.5.1 sin2Ψ法 180
7.5.2 cosa 181
7.5.3 d0法 184
7.6 无损测定各向异性材料内部应力的新方法——极密度极大值法 185
7.6.1 平面应力的极密度极大值法 186
7.6.2 三维应力的极密度极大值法 186
7.7 无应力标样制备 187
7.7.1 概述 187
7.7.2 无应力标样晶面间距d0的影响因素 188
7.7.3 退火标样的制备 190
7.7.4 方块状、梳状标样的制备 191
7.7.5 不同标样对残余应力测试结果的比较 194
7.8 应变、应力测试的SWXRD实验验证 196
7.8.1 应变测试的对比实验 196
7.8.2 淬火铝板内部残余应力测试的对比实验 197
7.9 铝合金搅拌摩擦焊接件内部残余应力的两种无损测定方法综合运用 198
7.9.1 样品和测试条件 199
7.9.2 sin2??法无损测定焊缝中间层的纵向残余应力 200
7.9.3 采用极密度极大值法无损测定中间层垂直焊缝的残余应力及其分布 205
7.9.4 测试结果分析与讨论 209
7.10 淬火铝板内部三维残余应力无损测定 210
7.10.1 样品、测试要求及测试时间 210
7.10.2 二维/三维残余应力的无损测定及比较 212
7.11 部分典型零部件内部残余应力无损测定 214
7.11.1 30mm厚7075淬火铝板内部残余应力及其分布的无损测定 214
7.11.2 A100高强钢孔挤压强化件内部残余应力及其分布的无损测定 215
7.11.3 钛合金TC4焊接空心叶片内部残余应力及其分布的无损测定 216
7.11.4 3D打印钛合金TC4件平板内部残余应力及其分布的无损测定 217
7.12 无损测定(残余)应力中的常见问题 218
7.12.1 工件或样品的准备 218
7.12.2 测试晶面的选择 219
7.12.3 材料系数及应力模型 221
第8章 预拉伸铝板内部织构对内部残余应力状态影响及消减对策研究 223
8.1 预拉伸铝板及其相关研究 223
8.2 两种预拉伸铝板内部残余应力和织构及其分布的无损测定 224
8.2.1 预拉伸铝板内部织构及其沿厚度方向分布的无损测定 224
8.2.2 预拉伸铝板内部残余应力及其沿厚度方向分布的无损测定 226
8.3 残余应力与均匀塑性变形 228
8.4 不均匀织构的产生 229
8.4.1 预拉伸铝板的滑移系与内部织构 229
8.4.2 织构分布的均匀性、塑性变形的均匀性与残余应力 229
8.5 预拉伸铝板内部残余应力的消减对策 230
8.6 织构和残余应力对加工变形的影响 230
第9章 铝合金板搅拌摩擦焊残余应力与性能研究 232
9.1 研究方法 233
9.1.1 搅拌摩擦焊 233
9.1.2 组织结构分析 234
9.1.3 残余应力的测试 234
9.1.4 无应力标样制备 234
9.2 7075铝合金FSW焊接接头组织及内部残余应力 235
9.2.1 FSW焊接接头的微观组织及显微硬度 235
9.2.2 FSW样品内部残余应力分析 237
9.3 时效对FSW焊接接头组织及内部残余应力分布的影响 242
9.3.1 时效前后焊接接头的微观组织 242
9.3.2 时效后焊接接头的显微硬度 246
9.3.3 时效前后焊接接头的残余应力分布 246
9.4 FSW内部残余应力及性能指标的关联性研究 250
9.4.1 不同工艺加工的FSW焊接样品 250
9.4.2 焊接参数对焊接接头微观组织的影响 251
9.4.3 焊接参数对焊接接头显微硬度的影响 254
9.4.4 焊接参数对接头拉伸性能的影响 255
9.4.5 焊接参数对焊接残余应力分布的影响 257
9.4.6 内部残余应力及性能指标的关联性 262
9.4.7 关联性研究结论 266
第10章 镁合金板成形残余应力及其消减研究 268
10.1 镁合金残余应力的研究现状 268
10.2 不同挤压工艺