材料表面分析技術(shù)

1、材料表面分析技術(shù)第1頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四一、外觀檢測（visual examination ）含義：肉眼、樣板或放大鏡 涂層外觀檢測要求： 涂層表面保持干凈；檢測要全面、細(xì)致；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（QJ 990.2-1986 ）或技術(shù)要求。第2頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四不平整、針孔、氧化、脫皮、飛濺、表面裂紋、剝落、麻點、鼓泡、縮孔、疏松、斑點、毛刺、擦傷等 表面缺陷的種類及特點： 涂層表面缺陷（surface defects ）檢測第3頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四二、表面結(jié)構(gòu)的表征表面成分分析 X射線

2、光電子能譜、俄歇電子能譜、低能離子衍射普儀表面結(jié)構(gòu)測定 X射線衍射、電子衍射、中子衍射等表面形貌觀察 光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等第4頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四X射線衍射（XRD）各相物質(zhì)均具有其獨具的晶體結(jié)構(gòu)。在給定波長的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都形成自己特定的衍射花樣。對于復(fù)相物質(zhì)，其衍射花樣是各相物質(zhì)衍射花樣的機(jī)械疊加。將被測試樣的衍射花樣與一組標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣逐一對比，從而判斷其相組成。第5頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四X射線衍射分析的應(yīng)用物相定性分析物相定量分析點陣常數(shù)測定應(yīng)力測定晶體取向測定第6頁，

3、共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四XRD物相定性分析的過程獲得衍射花樣計算面間距d 值和測定相對強(qiáng)度/1檢索PDF卡片和核對PDF卡片分析判定第7頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四XRD定量分析常用的物相定量分析分析方法有三種：1 外標(biāo)法（單線條法） 它是用分析相的純樣品的某一衍射線為標(biāo)準(zhǔn)2 內(nèi)標(biāo)法 用摻入試樣內(nèi)的某已知物相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)3 直接對比法 用試樣中另一相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)第8頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四TiC涂層的XRD的譜線第9頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四俄歇電子能譜分析（AES

4、）俄歇電子能譜（AES）是用具有一定能量的電子束(或X射線)激發(fā)樣品俄歇效應(yīng)，通過檢測俄歇電子的能量和強(qiáng)度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方法。第10頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四俄歇分析的選擇對于Z14的元素，采用KLL俄歇電子分析；14Z42時，以采用MNN和MNO俄歇電子為佳。俄歇躍遷幾率及熒光幾率與原子序數(shù)的關(guān)系 Z15的輕元素的K系俄歇電子以及所有元素的L系和M系俄歇電子產(chǎn)額都很高。由此可見，俄歇電子能譜對輕元素的檢測特別敏感和有效。第11頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四第12頁，共62頁，2022年，5月20日，22

5、點35分，星期四主要組成部分：電子槍、能量分析器、二次電子探測器、（樣品）分析室、濺射離子槍和信號處理與記錄系統(tǒng)等。俄歇譜儀示意圖第13頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四直接譜與微分譜直接譜：俄歇電子強(qiáng)度密度(電子數(shù))N(E)對其能量E的分布N(E)E。微分譜：由直接譜微分而來，是dN(E)/dE對E的分布dN(E)/dEE。俄歇電子能譜示例(銀原子的俄歇能譜) 第14頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四AES定性分析實際分析的俄歇電子譜圖是樣品中各種元素俄歇電子譜的組合，定性分析的方法是將測得的俄歇電子譜與純元素的標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，通過對比峰的位置和

6、形狀來識別元素的種類。AES定量分析俄歇電子強(qiáng)度與樣品中對應(yīng)原子的濃度有線性關(guān)系，據(jù)此可以進(jìn)行元素的半定量分析。第15頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四成分深度分析AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能,主要分析元素及含量隨樣品表面深度的變化。鍍銅鋼深度分析曲線 第16頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四 微區(qū)分析 微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個重要功能，可以分為選點分析，線掃描分析和面掃描分析三個方面。第17頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四X射線光電子能譜(XPS)X射線光電子能譜（XPS）：激發(fā)源為X射線，用

7、X射線作用于樣品表面，產(chǎn)生光電子。通過分析光電子的能量分布得到光電子能譜。用于研究樣品表面組成和結(jié)構(gòu)。第18頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四 XPS圖譜如圖以Mg 為激發(fā)源得到 的Ag片的XPS 譜圖。圖中有 Ag3d3/2和Ag 3d5/2光電子兩 個強(qiáng)特征峰。 用于鑒別銀。第19頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四X射線光電子能譜儀 XPS儀由X射線激發(fā)源、樣品臺、電子能量分析器、檢測器系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)等部分組成。第20頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四X射線光電子能譜儀第21頁，共62頁，2022年，5月20日，2

8、2點35分，星期四定性分析 不同元素的原子，其電子結(jié)合能不同，電子結(jié)合能是特征性的。因此，我們可以根據(jù)電子的結(jié)合能對物質(zhì)的元素種類進(jìn)行定性分析。半定量分析 經(jīng)X射線照射后，從樣品表面某原子出射的光電子的強(qiáng)度是與樣品中該原子的濃度有線性關(guān)系，因此，可以利用它進(jìn)行元素的半定量分析。X射線光電子能譜定性、定量分析第22頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四硅晶體表面薄膜的物相分析 對薄膜全掃描分析得下圖，含有Zn和S元素但化學(xué)態(tài)未知。第23頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四為得知Zn和S的存在形態(tài)，對Zn的最強(qiáng)峰進(jìn)行窄掃描，其峰位1022eV比純Zn峰10

9、21.4eV更高，說明Zn內(nèi)層電子的結(jié)合能增加了，即Zn的價態(tài)變正，根據(jù)含有S元素并查文獻(xiàn)中Zn的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，確定薄膜中Zn是以ZnS的形式存在的。 第24頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四 宏觀形貌：體視顯微鏡、（數(shù)碼）照相機(jī)第25頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四手段：光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡（SEM、TEM）目的：涂層微觀組織結(jié)構(gòu)過程：取樣鑲嵌磨制拋光腐蝕金相試樣觀察（OM、SEM或TEM） 顯微組織結(jié)構(gòu)分析第26頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四SEMSEM成像原理： 利用掃描電子束從樣品表面激發(fā)出各種物理信號來調(diào)制成

10、象的。物理信號：二次電子、背散射電子、俄歇電子、特征X射線等SEM的特點 分辨本領(lǐng)高、放大倍率可連續(xù)變化、景深長、視野大、成像富有立體感、試樣制備簡單第27頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四掃描電鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)信號的收集和圖像顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)第28頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四SEM試樣的制備一般固體材料的試樣制備都比較簡單對于導(dǎo)電材料，只有幾何尺寸和重量的要求，具體大小因掃描電鏡的型號不同而有所差異對于導(dǎo)電性差的材料或絕緣材料，通常要蒸鍍一層薄的導(dǎo)電材料，如金、銀、碳等第29頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四S

11、EM的應(yīng)用二次電子形貌襯度應(yīng)用斷口形貌分析第30頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四背散射電子原子序數(shù)襯度應(yīng)用背散射電子的信號即可以用來進(jìn)行成分分析，也可以用于形貌分析，但是他進(jìn)行形貌分析的分辨率遠(yuǎn)比二次電子低利用原子序數(shù)造成的襯度變化對金屬和合金進(jìn)行定性的成分分析，試樣中重元素對應(yīng)于圖像上的亮區(qū)，輕元素對應(yīng)暗區(qū)第31頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四第32頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四TEMTEM工作原理： 在一個高真空系統(tǒng)中，由電子槍發(fā)射電子束，穿過被研究的樣品，經(jīng)電子透鏡聚焦放大，在熒光屏上顯示出高度放大的物像，還

12、可作攝片記錄的一類最常見的電子顯微鏡。 成像原理： 成像原理與光學(xué)顯微鏡相同，透視通過透鏡聚焦成像。 但也有區(qū)別：照明光源不同；聚焦透鏡不同；透射電鏡可形成電子衍射圖像；圖像顯示方式不同 第33頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四TEM的結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng) 照明系統(tǒng)、樣品室、 成像系統(tǒng)、觀察記錄系統(tǒng)電源與控制系統(tǒng)真空系統(tǒng)第34頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四TEM試樣制備影響因素：真空的影響、電子損傷的影響、電子束透射能力的影響制備方法：直接透射法、復(fù)型法、切片法、離子刻蝕減薄法TEM的應(yīng)用相分布表面形貌位錯、層錯、晶界、孿晶界等第35頁，共62頁

13、，2022年，5月20日，22點35分，星期四TiC顆粒TEM形貌第36頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四透射電鏡下觀察到的雙相鋼中的位錯線第37頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四三、物理及力學(xué)性能檢測1.厚度的測定局部厚度和平均厚度檢測非破壞性檢測（無損檢測）：厚度測試儀破壞性檢測方法：金相顯微鏡第38頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四厚度測試儀第39頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四過程：制備涂層斷面試樣，用帶有測微目鏡的金相顯微鏡觀察特點：準(zhǔn)確度高，判別直觀金相顯微鏡法第40頁，共62頁，20

14、22年，5月20日，22點35分，星期四2.硬度試驗 關(guān)系到涂層的耐磨性、強(qiáng)度及壽命等 宏觀硬度與顯微硬度宏觀硬度（平均硬度）：布氏、洛氏和維氏硬度計，以涂層整體大范圍壓痕為測定對象顯微硬度（相或顆粒的硬度）：顯微硬度計，以涂層中相或微粒為測定對象第41頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四 Ni60熔覆層硬度隨熔覆溫度的變化曲線 第42頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四3.結(jié)合強(qiáng)度（附著力）試驗定義：單位表面積的涂層從基體或中間涂層上剝落下來所需要的力。結(jié)合力不符合要求，涂層的使用壽命會降低測量方法：定性檢測，柵格試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、杯突試驗

15、定量檢測，抗拉強(qiáng)度試驗、剪切強(qiáng)度試驗第43頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四柵格試驗原理：用硬質(zhì)鋼針或刀片將涂層切斷至基體，使之形成一定尺寸的方形格子，涂層不應(yīng)產(chǎn)生剝離第44頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四彎曲試驗原理：矩形試樣，在萬能實驗機(jī)上三點或四點彎曲使其形成一定撓度（0.1%）第45頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四沖擊試驗過程：用錘擊或落球?qū)υ嚇颖砻娴耐繉臃磸?fù)沖擊，涂層在沖擊力作用下局部變形、振動、疲勞以至最終剝落評價：以錘擊（或落球）次數(shù)評價涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度錘擊試驗：專用振動器，扁平?jīng)_擊錘落球試驗：5-50

16、mm鋼球，一定高度、傾斜角第46頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四抗拉結(jié)合強(qiáng)度試驗定義：涂層與基體結(jié)合面承受法線方向拉伸應(yīng)力的極限能力國標(biāo)：GB/T 8642-2002 熱噴涂抗拉結(jié)合強(qiáng)度測定第47頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四涂層剪切強(qiáng)度試驗定義：涂層與基體結(jié)合面承受切線方向剪切應(yīng)力的極限能力國標(biāo)：GB / T 1 3 2 2 2 一91金屬熱噴涂剪切強(qiáng)度測試第48頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四四、耐蝕性檢測目的：檢查涂層抵抗環(huán)境腐蝕的能力，考察其防護(hù)基體的壽命。大氣暴露（即戶內(nèi)外曝曬）試驗 目的：評定涂層在大氣

17、環(huán)境下的耐蝕性使用環(huán)境試驗 目的：評定涂層在使用環(huán)境中的耐蝕性人工模擬和加速腐蝕試驗 目的：評定涂層耐蝕的性能第49頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四1.耐腐蝕性能的評定方法重量法（增重法和失重法 ） 以試樣腐蝕前后的重量差來表征腐蝕速度 表面觀察法（宏觀觀測和顯微觀測） 宏觀觀測：就是對材料在腐蝕前后及去除腐蝕產(chǎn)物前后的形態(tài)做肉眼分析 顯微觀測：就是對受腐蝕的試樣進(jìn)行金相檢查或斷口分析，或者用掃描電鏡、透射電鏡、電子探針等做微觀組織結(jié)構(gòu)和相成分的分析 電化學(xué)測試法。第50頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四通過SEM背散射模式觀察腐蝕試樣氧化膜界

18、面的形貌 A890雙相不銹鋼的極化曲線第51頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四天然環(huán)境暴露試驗 人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗 中性鹽霧（NSS）試驗：83000h，PH6.57.5，5%NaCl 水溶液，35.01.1或35.01.7 醋酸鹽霧（AASS）試驗：140240h， 5%NaCl， 乙酸調(diào)整PH3.13.3，溫度同上 銅鹽加速醋酸鹽霧（CASS）試驗：6720h，3.8L 5%NaCl水溶液加CuCl2H2O，PH6.57.5， 49.01.1或49.01.7 交變鹽霧試驗 ：實際上是中性鹽霧試驗加恒定濕熱試驗 。2.鹽霧試驗?zāi)康模河糜诳己水a(chǎn)品、材料及其防護(hù)層抗

19、鹽霧腐蝕能力 第52頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四腐蝕膏：高嶺土中加入銅、鐵等腐蝕鹽類三價鐵使涂層引起應(yīng)力腐蝕銅鹽使涂層產(chǎn)生點蝕、裂紋和剝落、碎裂等氯化物的存在使涂層腐蝕加速 3.腐蝕膏腐蝕試驗（CORR）國標(biāo)：GB/T 6465-2008過程：涂覆自然干燥潮濕箱清洗評定特點：測試簡便、試驗周期短、重現(xiàn)性好第53頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四4. SO2工業(yè)氣體腐蝕試驗以一定濃度的SO2氣體，在一定溫度和一定相對濕度下對涂層做腐蝕試驗第54頁，共62頁，2022年，5月20日，22點35分，星期四5.電化學(xué)測試M398電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)組成：M283恒電位/恒電