З відкриттям дифракції рентгенівських променів у розпорядженні дослідників виявився метод, що дозволяє без мікроскопа вивчити розташування окремих атомів та зміни цього розташування при зовнішніх впливах.
Основне застосування рентгенівських променів у фундаментальній науці – структурний аналіз, тобто. встановлення просторового розташування окремих атомів у кристалі. Для цього вирощують монокристали та проводять рентгеноаналіз, вивчаючи як розташування, так і інтенсивність рефлексів. Нині визначено структури як металів, а й складних органічних речовин, у яких елементарні осередки містять тисячі атомів.
У мінералогії методом ретгеноаналізу визначено структури тисяч мінералів та створено експрес-методи аналізу мінеральної сировини.
У металів порівняно проста кристалічна структура та рентгенівський метод дозволяє досліджувати її зміни при різних технологічних обробках та створювати фізичні основи нових технологій.
За розташуванням ліній на рентгенограмах визначають фазовий склад сплавів, за їх шириною – число, величину та форму кристалів, за розподілом інтенсивності в дифракційному конусі – орієнтування кристалів (текстуру).
За допомогою цих методик вивчають процеси при пластичній деформації, що включають дроблення кристалів, виникнення внутрішніх напруг і недосконалостей кристалічної структури (дислокацій). При нагріванні деформованих матеріалів вивчають зняття напруги та зростання кристалів (рекристалізація).
При рентгеноаналізі сплавів визначають склад та концентрацію твердих розчинів. У разі твердого розчину змінюються міжатомні відстані і, отже, відстані між атомними площинами. Ці зміни невеликі, тому розроблені спеціальні прецизійні методи вимірювання періодів кристалічних грат з точністю на два порядки, що перевищують точність вимірювання при звичайних рентгенівських методах дослідження. Поєднання прецизійних вимірювань періодів кристалічних ґрат і фазового аналізу дозволяють побудувати межі фазових областей на діаграмі стану. p align=”justify”> Рентгенівським методом можна також виявити проміжні стани між твердими розчинами і хімічними сполуками – упорядковані тверді розчини, в яких атоми домішки розташовані не хаотично, як у твердих розчинах, і в той же час не з тривимірною впорядкованістю, як у хімічних сполуках. На рентгенограмах упорядкованих твердих розчинів є додаткові лінії, розшифровка рентгенограм показує, що атоми домішки займають певні місця в кристалічних гратах, наприклад, у вершинах куба.
При загартуванні сплаву, що не відчуває фазових перетворень, може виникати пересичений твердий розчин і при подальшому нагріванні або навіть витримці за кімнатної температури твердий розчин розпадається з виділенням частинок хімічної сполуки. Це ефект старіння і проявляється він на рентгенограмах як зміна положення та ширини ліній. Дослідження старіння особливо важливе для сплавів кольорових металів, наприклад, старіння перетворює м’який загартований алюмінієвий сплав на міцний конструкційний матеріал дуралюмін.
p align=”justify”> Найбільше технологічне значення мають рентгенівські дослідження термічної обробки сталі. При загартуванні (швидкому охолодженні) стали відбувається бездифузійний фазовий перехід аустеніт – мартенсит, що призводить до зміни структури від кубічної до тетрагональної, тобто. елементарна комірка набуває форми прямокутної призми. На рентгенограмах це проявляється як розширення ліній та поділ деяких ліній на дві. Причини цього ефекту – як зміна кристалічної структури, а й виникнення великих внутрішніх напруг через термодинамічної нерівноважності мартенситної структури і різкого охолодження. При відпустці (нагріванні загартованої сталі) лінії на рентгенограмах звужуються, це пов’язано з поверненням до рівноважної структури.
В останні роки велике значення набули рентгенівські дослідження обробки матеріалів концентрованими потоками енергії (променями лазера, ударними хвилями, нейтронами, електронними імпульсами), вони зажадали нових методик та дали нові рентгенівські ефекти. Наприклад, при дії променів лазера на метали нагрівання та охолодження відбуваються настільки швидко, що в металі при охолодженні кристали встигають вирости лише до розмірів у декілька елементарних осередків (нанокристали) або взагалі не встигають виникнути. Такий метал після охолодження виглядає як звичайний, але не дає чітких ліній на рентгенограмі, а відбиті рентгенівські промені розподілені по всьому інтервалу кутів ковзання.