掃描電鏡和電子探針在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代測試技術(shù)課題論文論文名稱：掃描電鏡和電子探針在材料科學(xué)中的應(yīng)用班 級：物理1102班 姓 名：朱 平、曹艷秋、倪文露 學(xué) 號：、指導(dǎo)老師：毛翔宇掃描電鏡和電子探針在材料科學(xué)中的應(yīng)用班級：物理11 姓名：朱平、曹艷秋、倪文露 指導(dǎo)老師：毛翔宇摘要:掃描電子顯微鏡和電子探針由于其制樣簡單、放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬、圖像的分辨率高、景深大等特點(diǎn)，故被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、冶金、材料、半導(dǎo)體制造、微電路檢查等各個研究領(lǐng)域和工業(yè)部門。它們在材料科學(xué)

2、中有著廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中也有著一定的區(qū)別。本文主要針對掃描電鏡在斷口分析、磨損失效分析、腐蝕失效等發(fā)面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：掃描電鏡、電子探針、材料科學(xué)、應(yīng)用、斷口分析、磨損失效分析、腐蝕分析引言電子探針是電子探針 X 射線顯微分析儀的簡稱，英文縮寫為 EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，掃描電子顯微境英文縮寫為 SEM（Scanning Electron Microscope）。這兩種儀器是分別發(fā)展起來的，但現(xiàn)在除專門的電子探針外，大部分電子探針譜儀都是作為附件安裝在掃描電鏡或透射電鏡上，與電鏡組成一個多功能儀器以滿足微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

3、的同位同時分析的需要。由于 EPMA 與 SEM 設(shè)計的初衷不同，所以二者還有一定差別，例如 SEM 以觀察樣品形貌特征為主，電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計注重圖像質(zhì)量，圖像的分辨率高、景深大?，F(xiàn)在鎢燈絲 SEM 的二次電子像分辨率可達(dá) 3nm，場發(fā)射 SEM 二次電子像分辨率可達(dá) 1nm。由于 SEM 一般不安裝 WDS，所以真空腔體小，腔體可以保持較高真空度；另外，圖像觀察所使用的電子束電流小，電子光路及光闌等不易污染，使圖像質(zhì)量較長時間保持良好的狀態(tài)。EPMA 一般以成分分析為主，必須有 WDS 進(jìn)行元素成分分析，真空腔體大，成分分析時電子束電流大，所以電子光路、光闌等易污染，圖像質(zhì)量下降速度快，需

4、經(jīng)常清洗光路和光闌，通常 EPMA 二次電子像分辨率為 6nm。EPMA 附有光學(xué)顯微鏡，用于直接觀察和尋找樣品分析點(diǎn)，使樣品分析點(diǎn)處于聚焦園（羅蘭園）上，以保證成分定量分析的準(zhǔn)確度。EPMA 和 SEM 都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的樣品表面，用 X 射線能譜儀或波譜儀，測量電子與樣品相互作用所產(chǎn)生的特征 X 射線的波長與強(qiáng)度， 從而對微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析，并可以用二次電子或背散射電子等進(jìn)行形貌觀察。它們是現(xiàn)代固體材料顯微分析(微區(qū)成份、 形貌和結(jié)構(gòu)分析)的最有用儀器之一，應(yīng)用十分廣泛。電子探針和掃描電鏡都是用計算機(jī)控制分析過程和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可進(jìn)行彩色圖像處理和圖像分

5、析工作，所以是一種現(xiàn)代化的大型綜合分析儀?，F(xiàn)在國內(nèi)各種型號的電子探針和掃描電鏡有近千臺，分布在各個領(lǐng)域。一、掃描電鏡與電子探針的工作原理：（一）掃描電鏡的工作原理：掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy, SEM)是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段，掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是，有較高的放大倍數(shù)，20-30萬倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；試樣制備簡單。 目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它像透射電鏡一樣是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究儀

6、器。掃描電子顯微鏡是由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號收集處理、圖象顯示和記錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)三個基本部分組成(實(shí)物照片及結(jié)構(gòu)框圖如圖a、b所示)。 圖(a) 圖（b）其中電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。掃描電子顯微鏡中的各個電磁透鏡不做成相透鏡用，而是起到將電子束逐級縮小的聚光作用。一般有三個聚光鏡，前兩個是強(qiáng)磁透鏡，可把電子束縮??；第三個透鏡是弱磁透鏡，具有較長的焦距以便使樣品和透鏡之間留有一定的空間，裝入各種信號接收器。掃描電子顯微鏡中射到樣品上的電子束直徑越小，就相當(dāng)于成相單元的尺寸越小，相應(yīng)的放大倍數(shù)就越高。掃描線圈的作用是使電子束偏轉(zhuǎn)，并在樣品表面做有規(guī)則的掃動。電子束在樣品上

7、的掃描動作和顯相管上的掃描動作保持嚴(yán)格同步，因?yàn)樗鼈兪怯赏粋€掃描發(fā)生器控制的。電子束在樣品表面有兩種掃描方式，進(jìn)行形貌分析時都采用光柵掃描方式，當(dāng)電子束進(jìn)入上偏轉(zhuǎn)線圈時，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又有下偏轉(zhuǎn)線圈使它的方向發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折。發(fā)生二次偏轉(zhuǎn)的電子束通過末級透鏡的光心射到樣品表面。在電子束偏轉(zhuǎn)的同時還帶用逐行掃描的動作，電子束在上下偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，在樣品表面掃描出方形區(qū)域，相應(yīng)地在樣品上也畫出一幀比例圖像。樣品上各點(diǎn)受到電子束轟擊時發(fā)出的信號可由信號探測器收集，并通過顯示系統(tǒng)在顯像管熒光屏上按強(qiáng)度描繪出來。如果電子束經(jīng)上偏轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)折后未經(jīng)下偏轉(zhuǎn)線圈改變方向，而直接由末級透鏡折射到入射點(diǎn)位置，

8、這種掃描方式稱為角光柵掃描或搖擺掃描。入射束被上偏轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)折的角度越大，則電子束在入射點(diǎn)上搖擺的角度也越大。在進(jìn)行電子束通道花樣分析時，采用這種方式。樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置信號探測器。樣品臺本身是個復(fù)雜而精密的組件，它能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品作平移、傾斜和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動，以利于對樣品上每一特定位置的進(jìn)行各種分析。二次電子、背散射電子、透射電子的信號都可采用閃爍計數(shù)器來進(jìn)行檢測。信號電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見光。可見光信號通過光導(dǎo)管送入光電倍增器，光信號放大，即又轉(zhuǎn)化成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。由于鏡筒中的電子束和顯像管中

9、的電子束是同步掃描的，而熒光屏上每一點(diǎn)的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強(qiáng)度來調(diào)制的，因此樣品上各點(diǎn)狀態(tài)各不相同，所接受的信號也不相同，于是就在顯像管上看到一幅反映樣品各點(diǎn)狀態(tài)的掃描電子顯微圖像。 SEM金相分析正確的金相分析是失效分析的基礎(chǔ)。首先是對各種光學(xué)顯微鏡不能分辨的基本顯微組織的分析，如隱針馬氏體、屈氏體等;其次是對顯微組織精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析，如上貝氏體中鐵素體和滲碳體兩個相的形態(tài)，條狀馬氏體的細(xì)長板條狀的立體形態(tài)等。再次，各種金屬間化合物相、碳化物相、硼化物相及氮化物相等。相、M如型化合物、p相等，硬質(zhì)合金中的Co相WC相等 等。其他金相分析，如異種鋼接頭焊縫底層的不均勻帶、硬質(zhì)合金晶

10、粒形狀大小、硬質(zhì)合金的混料、蠕墨鑄鐵中石墨的空間立體形態(tài)、鋼中顯微裂紋和顯微縮孔等。金相分析一般在低倍分析及光學(xué)顯微鏡分析的基礎(chǔ)上結(jié)合結(jié)構(gòu)分析(如X射線衍射分析、電子衍射分析等)和微區(qū)成分分析(如波譜儀、能譜儀等)完成的。（二）電子探針的工作原理電子探針（Electron Microprobe）全名為電子探針X射線顯微分析儀，又名微區(qū)X射線譜分析儀?？蓪M(jìn)行微小區(qū)域成分。除、等幾個較輕外，都可進(jìn)行和分析。電子探針的大批量是利用經(jīng)過和聚焦的極窄的電子束為，激發(fā)試樣中某一微小區(qū)域，使其發(fā)出特征X射線，測定該X射線的波長和強(qiáng)度，即可對該微區(qū)的元素作定性或定量分析。將和電子探針結(jié)合，在下把觀察到的和元

11、素成分聯(lián)系起來，解決顯微不均勻性的問題，成為研究的有力。 電子探針有三種基本工作方式：點(diǎn)分析用于選定點(diǎn)的全譜定性分析或定量分析，以及對其中所含元素進(jìn)行定量分析；線分析用于顯示元素沿選定直線方向上的濃度變化；面分析用于觀察元素在選定微區(qū)內(nèi)濃度分布。 由可知，各種元素的特征X射線都具有各自確定的波長，通過探測這些不同波長的X射線來確定樣品中所含有的元素，這就是電子探針定性分析的依據(jù)。而將被測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品中元素Y的衍射強(qiáng)度進(jìn)行對比，就能進(jìn)行電子探針的定量分析。當(dāng)然利用電子束激發(fā)的X射線進(jìn)行元素分析，其前提是入射電子束的能量必須大于某元素原子的內(nèi)層電子臨界電離激發(fā)能。 圖（c）電子探針儀的結(jié)構(gòu)示意圖

12、如圖（c）所示，由圖可見，電子探針儀除X射線譜儀外，其余部分與掃描電子顯微鏡相似。 二、掃描電鏡與電子探針的應(yīng)用：（一）掃描電鏡（SEM）的應(yīng)用SEM在斷口分析中的應(yīng)用：利用掃描電鏡進(jìn)行電子斷口分析，是在失效分析中的最主要的應(yīng)用，利用SEM對斷裂機(jī)理分析歸類，明確斷裂類型，其次是對裂紋源位置和擴(kuò)展方向的判定，金屬材料的主要斷裂機(jī)理有:韌窩斷裂、解理斷裂、滑移分離、準(zhǔn)解理斷裂、疲勞斷裂及環(huán)境斷裂等。韌窩斷裂主要分析韌窩的形狀、大小、數(shù)量、第二相粒子及夾雜物等。其微觀形貌為:正交韌窩、剪切韌窩、撕裂韌窩及卵形韌窩和沿晶韌窩等。解理斷裂的微觀形貌特征為:解理臺階、河流、舌狀花樣、扇形花樣、魚骨花樣、

13、瓦納線等?；品蛛x的顯微形貌是蛇行花樣、漣波花樣及延伸區(qū)等。準(zhǔn)解理斷口類似真解理，也有河流、臺階、舌狀花樣等，但是更加呈現(xiàn)不連續(xù)狀。疲勞斷口的顯微形貌特征有:擠人槽及擠出峰、疲勞斷片、疲勞輝紋、輪胎壓痕，也容易出現(xiàn)疲勞臺階、二次裂紋等。環(huán)境斷裂主要包括腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕、氫脆、蠕變、液態(tài)或固態(tài)金屬脆及堿脆、中子脆等。另外還有熱處理脆性等，雖然從斷裂的機(jī)理分析并不是新的斷裂形式，但在失效分析中應(yīng)用較多，如利用SEM分析鋼的第二類回火脆性的晶界弱化及第二相的沉淀等。SEM在磨損失效分析中的應(yīng)用：磨損主要包括粘著磨損、疲勞磨損、磨料磨損、微動磨損及沖蝕磨損等。利用SEM主要對磨損表面及磨損產(chǎn)物等進(jìn)行

14、分析，磨損表面攜帶了磨損最主要的信息，磨損表面形貌有:擦傷、犁溝、點(diǎn)蝕、剝層、微動咬蝕及氣蝕魚鱗坑等。磨損產(chǎn)物主要有正常磨粒、疲勞剝塊、球粒、層狀磨粒、嚴(yán)重磨粒、切削磨粒、腐蝕磨損微粒、氧化顆粒、暗金屬氧化物磨粒、有色金屬磨粒、非金屬晶體及非金屬非晶體等。磨損產(chǎn)物的分析可以結(jié)合鐵譜技術(shù)、體視技術(shù)、結(jié)構(gòu)、成分分析等。腐蝕失效：金屬腐蝕失效會在表面或斷口上留下各種腐蝕產(chǎn)物，其特點(diǎn)及相關(guān)形貌有:均勻腐蝕、斑點(diǎn)腐蝕、膿瘡腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、穿晶腐蝕等，一般情況通過宏觀檢驗(yàn)及光學(xué)顯微鏡分析，也可以利用SEM進(jìn)行分析1-2。SEM應(yīng)用舉例與分析鐵路運(yùn)輸用關(guān)鍵件，其服役時受力復(fù)雜，質(zhì)量要求很高

15、，產(chǎn)品采用30 T精煉冶煉，CL60碳鋼，自動化熱加工生產(chǎn)線加工而成。2000年4月、5月間連續(xù)出現(xiàn)涉及四個爐號的產(chǎn)品由于低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋而全部報廢的重大質(zhì)量事故。本工作應(yīng)用掃描電鏡斷口分析、能譜定性分析、光學(xué)顯微形貌測試等方法，分析了引起報廢裂紋缺陷的性質(zhì)、產(chǎn)生原因。試驗(yàn)結(jié)果與分析（1）缺陷在低倍試片酸浸面上反映為長短不同、分布不均勻的細(xì)小裂紋(見圖1)，光學(xué)顯微鏡下(見圖2)為鏈狀，條狀、塊狀等聚集分分布的夾雜裂紋(見圖3a)，此區(qū)域上密密麻麻分布著不同形狀的夾雜物(圖3b)。至此可以確定低倍試片上的裂紋缺陷是由材料中存在的大量以脆性為主的非金屬夾雜物聚集分布，嚴(yán)重破壞了基體金屬的連續(xù)

16、性，在加工過程中產(chǎn)生空隙，形成宏觀上小裂紋。 （2）經(jīng)電鏡能譜定量分析，缺陷區(qū)域上大面基體微區(qū)成分，主要有:Fe:57.86%，Al:32.93%，O:6.95%(4a)，不規(guī)則塊狀夾雜主要含有:Al:81.51%，O:10.25%，F(xiàn)e:6.27%(見圖4b)。結(jié)合光學(xué)顯微鏡夾雜物形貌，判定非金屬夾雜物性質(zhì)主要是:CaO，6Al2O3FeO，Al2O3以及大型復(fù)合夾雜。結(jié)論產(chǎn)品內(nèi)部存在的質(zhì)量問題，主要是低倍試片上發(fā)現(xiàn)的不同部位、不同程度的小裂紋，均為大型夾雜和夾渣聚集分布的結(jié)果。它們在鋼錠中以顆?；驂K狀存在。經(jīng)鍛造變形后，在鍛件中以軸向?yàn)榫€，橫向?yàn)槊娴谋∑瑺畲嬖?。?yán)重地破壞了基體金屬的連續(xù)性

17、，起到了鋼中裂紋的作用。夾雜物主要為CaO，6Al2O3FeO，Al2O3以及MgO，硅酸鹽等大型復(fù)合脆性夾雜，呈鏈狀、條狀聚集分布。這些夾雜物尺寸之大已肉眼可見，已形成夾雜裂紋，屬外來夾雜物。造成大量夾雜裂紋缺陷的主要原因，是冶煉和鑄錠工藝，冶煉時氧化還原工藝控制不當(dāng)，或加Al量不均勻，或者澆注工藝不合適，均可造成鋼中存在大量Al2O3夾雜聚集分布。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和效益，必須從鋼錠質(zhì)量上下工夫。改進(jìn)措施和效果根據(jù)上述工作結(jié)論和建議，立即采取相應(yīng)措施，調(diào)整和改進(jìn)冶煉和鑄錠工藝。實(shí)踐證明，已消除了原材料中大量缺陷，提高了鋼錠質(zhì)量，有效降低了廢品損失，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和效益3。應(yīng)用掃描電鏡斷口

18、分析、能譜定性分析、光學(xué)顯微形貌測試等方法，針對公司重要產(chǎn)品因細(xì)小裂紋而連續(xù)四爐產(chǎn)品全部報廢的重大質(zhì)量事故，分析了引起報廢裂紋缺陷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因。結(jié)果表明:缺陷主要是大量集聚分布的脆性Al2O3夾雜及其裂紋，屬原材料缺陷，是冶煉時氧化還原工藝控制不當(dāng)，或加Al量不均勻所致。據(jù)此立即采用了相應(yīng)調(diào)整和改進(jìn)冶煉工藝措施，有效消除了原始缺陷，迅速提高了產(chǎn)品質(zhì)量和效益。（二）電子探針應(yīng)用電子探針是利用檢測電子束照射樣品產(chǎn)生的特征射線來判定元素的，為非破壞性分析。利用極微細(xì)的電子束可以進(jìn)行微米量級的微區(qū)分析，也可以利用電子束掃描分析數(shù)百微米的區(qū)域，還可以利用樣品臺掃描分析厘米量級(110 cm)的大面積

19、。電子探針除了檢測特征X射線進(jìn)行元素組成的定性、定量分析以外，還可以利用與原子序數(shù)有關(guān)的背散射電子得到成分像，也可以利用掃描電子束得到二次電子的形貌像。另外，利用電子束照射產(chǎn)生的陰極發(fā)光，可以對礦物樣品、半導(dǎo)體器件和各種高分子材料進(jìn)行各種分析。電子探針不僅用于基礎(chǔ)研究的分析，亦可廣泛用于生產(chǎn)在線的檢驗(yàn)，品質(zhì)管理的分析，以及能源、環(huán)境等檢測。特別是應(yīng)用于金屬固熔體相、相變、晶界、偏析物、夾雜物等;地質(zhì)的礦物、巖石、礦石和隕石等;陶瓷、水泥、玻璃;化學(xué)催化劑和石油化工，高分子材料，涂料等;生物的牙齒、骨骼組織;半導(dǎo)體材料、集成電路、電器產(chǎn)品等領(lǐng)域的非破壞性的元素分析和觀察1,4。電子探針的應(yīng)用舉例

20、：電子探針在材料研究領(lǐng)域中的斷口分析、鍍層分析、微區(qū)成分分析及顯微組織形貌和催化劑機(jī)理與失效研究等方面發(fā)揮著不可替代的作用。在地質(zhì)、礦產(chǎn)行業(yè)方面，配合使用特殊的透射偏光樣品臺附件，可以完成其它分析手段無法完成的分析任務(wù)。圖5 盤條心部馬氏體顯微組織和電子探針面掃描圖像。b:C;c:Cr;d:Mn面掃描圖。Bar=20m例如，某鋼鐵廠生產(chǎn)的H82B盤條，室溫下的正常組織應(yīng)該為珠光體和索氏體，但金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，如圖5a所示，在盤條的心部具有典型的針狀馬氏體組織特征。現(xiàn)需要檢測出馬氏體上元素的偏析種類，以確定馬氏體的形成原因。采用島津EPMA-1610型電子探針對馬氏體組織及周圍進(jìn)行了C，Cr，M

21、n等元素的面掃描，見圖5(bd)。結(jié)果表明，在馬氏體組織處存在明顯的Mn和Cr元素的正偏析及C元素的負(fù)偏析，其他元素變化不明顯。有研究證明，由于Mn和Cr兩元素的富集，將提高過冷奧氏體在轉(zhuǎn)變區(qū)尤其是低溫轉(zhuǎn)變區(qū)的穩(wěn)定性，使連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，導(dǎo)致馬氏體的臨界冷速降低。所以正是這種偏析強(qiáng)烈推遲盤條心部珠光體類組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在盤條表面形成珠光體類組織的情況下，心部生成了馬氏體。以上類型的組織中微量元素的偏析檢測，如果用能譜測量，則元素分布不明顯。因此，電子探針在偏析的測量方面具有不可替代的優(yōu)勢。定量分析的目的是得到試樣中某元素的濃度(重量百分?jǐn)?shù))，它的依據(jù)是某元素的X射線強(qiáng)度與該元素在試樣中的濃度成比例。電子探針中常用的兩種定量分析方法有ZAF法和工作曲線法。ZAF法是電子探針中最常用的一種定量分析