X射线本质上是一种与可见光相同的电磁波，波长为0.01-100Å，介于紫外线和γ射线之间，又称为琴伦射线。具有很强的穿透性，可使被照射物质产生电离，同时具有荧光作用，热作用以及干涉，反射和折射等作用。科学家们利用X射线的这些原理，研制出了各种各样的检测设备，应用于医疗和工业领域的各个行业，在材料科学和失效分析领域的应用尤其广泛。
1. X射线的产生
通常X射线的产生原理有以下两种：
1) 在真空中，高速运动的电子碰撞阳极靶时，也就是说电子在打进金属的过程中急剧减速，按照电磁学，有加速的带电粒子会辐射电磁波，如果电子能量上万电子伏，就可以产生x射线。
2) 原子的内层电子跃迁，电子从高能级往低能级跃迁时候会辐射光子，如果能级的能量差比较大，就可以发出x射线波段的光子。
2. XRD的工作原理
X射线与物质作用时，就其能量转换而言，一般分为三部分，其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分通过物质继续沿原来方向传播。
散射的X射线与入射X射线波长相同时对晶体将产生衍射现象，即晶面间距产生的光程差等于波长的整数倍时。将每种晶体物质特有的衍射花样与标准衍射花样对比，利用三强峰原则，即可鉴定出样品中存在的物相。
发生衍射必须满足布拉格公式：2dsinθ=nλ (d：晶面间距；θ：布拉格角度；λ：X射线的波长；n：反射级数)。X射线照射到样品时，晶体中各原子的散射X射线发生干涉，会在特定的方向产生强的X射线衍射线。当X射线从不同的角度照射样品时，会在不同的晶面发生衍射，探测器将接受从该晶面反射出来的衍射光子数，从而得到角度和强度关系的谱图。
横坐标：2-theta 指2θ衍射角，即入射X射线的延长线与反射X射线的夹角。
纵坐标：Intensity（强度），代表的是收集到的光子数。
3. XRD的应用之定性分析
定性分析是将被测样品和已知物质的衍射谱图进行比较，若样品的衍射图谱中含有某已知物质的图谱，可判定样品中含有该种已知物质。
物相：是物质中具有特定的物理化学性质的相。同一元素在一种物质中可以以一种或多种化合物状态存在。如某化合物中Mg元素可能以MgO存在，也可能以Mg单质或者MgCl存在。如同样以碳元素组成的石墨与金刚石，晶体结构不同导致其性能完全不同。
测试样品：金属、化合物、有一定结晶的高分子材料、塑料中的无机填料等其他晶体物质。
实例1
结论：此样品中含有刚玉（Al2O3）。
实例2
结论：此样品中含有石膏（Ca(SO4 ) ( H2O )2）、碳酸钙（Ca CO3）和石英（Si O2）。
4. XRD的应用之结晶度计算
结晶度：非晶和晶体共存时结晶部分占试样全体的比例。通过软件计算的结晶度为相对结晶度，主要是针对晶态和非晶态差别明显的衍射图进行分析。常见四种结晶状态的XRD图谱：
（a）结晶完整的晶体，晶粒较大，内部原子的排列比较规则，衍射谱线强、尖锐且对称；
（b）非晶样品没有衍射峰；
（c）结晶不完整的晶体，由于晶粒过于细小，晶体中有缺陷而使衍射峰形宽阔而弥散；
（d）结晶度越差，衍射能力越弱，峰形越宽。
实例3
材料：PE，结晶度：45% 。
5. XRD的应用之定量分析
对于多相样品，当通过定性相分析确定了样品中所存在的物相后，就需要更深入的了解各相的相对百分含量。目前定量方法有：外标法、内标法、标准加入法、RIR值法，其中RIR值法最为简单方便。
RIR法定量是利用各种纯物质与α三氧化二铝按照重量比1:1混合，测试二者强度的比值K，制作成一个数据库，在日常多组分混合物定量分析时，将K值引入利用计算机拟合计算各物相组分含量。
需要说明的是此定量结果为半定量，当然在具体样品分析时，可以将ICP-OES、碳硫氧氮等元素分析方法结合起来，提高定量准确性。若样品又含有有机物，也可将FTIR、TGA、GC-MS结合起来进行定量分析。
测试样品：未知化合物成分分析、某化合物中不同物相定量分析（如二氧化钛中的锐钛矿物相和金红石物相含量）、辅助失效分析、辅助矿物分析、辅助高分子材料定量分析。
实例4
某一未知物检测结果：
| 物相名称 | 分子式 | 数据库卡号 | 含量(%) |
| 碳酸钙 | CaCO3 | 01-083-1762 | 26.8 |
| 二水硫酸钙 | CaSO4•2H2O | 00-033-0311 | 16.82 |
| 六水硫酸镁 | MgSO4•6H2O | 01-072-1068 | 13.56 |
| 碳酸镁 | Mg(CO3) | 01-071-1534 | 22.3 |
| 碳酸镁钙 | CaMg(CO3)2 | 00-036-0426 | 3.3 |
| 二氧化硅 | SiO2 | 01-070-3755 | 9.63 |
| 氢氧化钙 | Ca(OH)2 | 01-072-0156 | 7.6 |
| 氟化钙 | CaF2 | 01-075-0363 | 0.1 |
6. XRD的应用之残余应力测试
残余应力是材料及其制品内部存在的一种内应力，是指产生应力的各种因素撤销时，由于不均匀的塑性变形和不均匀相变的影响，在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力。通常残余应力可分为宏观应力、微观应力和点阵静畸变应力三种，分别称为第一类应力、第二类应力和第三类应力。应力对材料的影响如下：
有利的应力：材料表面淬火，喷丸，渗碳处理，强化产品表面，产生宏观内应力可起到强化作用。
不利的应力：由于工艺条件不当，过度淬火产生过大的宏观内应力，造成部件开裂，性能不稳定，尺寸改变。
X射线衍射测试应力方法又可分为：测定衍射线位移，可以测定第一类应力；通过衍射谱线变宽，可以测定第二类应力；根据衍射线的强度下降，可以测定第三类应力。
目前实验室残余应力测试采用sin2ψ法，测量同一晶面（hkl）在不同的ψ角度下的θψ。取其中ψ=0、0、15、30、45、45六点或及以上，测θψ，绘制2θψ~sin2ψ关系曲线，从其斜率得到Μ，再乘以应力常数K，即可得到应力值。
目前现有设备适宜检测对象：形状合适的有色金属材料、尽可能无织构、无择优取向。
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