扫描电镜和电子探针在材料科学中的应用

现代测试技术1扬州大学物理科学与技术学院现代测试技术课题论文论文名称：扫描电镜和电子探针在材料科学中的应用班级：物理1102班姓名：朱平、曹艳秋、倪文露学号：110801217、110801202、110801211指导老师：毛翔宇扫描电镜和电子探针在材料科学中的应用现代测试技术2班级：物理11姓名：朱平、曹艳秋、倪文露指导老师：毛翔宇摘要:扫描电子显微镜和电子探针由于其制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点，故被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。它们在材料科学中有着广泛的应用，在实际应用中也有着一定的区别。本文主要针对扫描电镜在断口分析、磨损失效分析、腐蚀失效等发面的应用。关键词：扫描电镜、电子探针、材料科学、应用、断口分析、磨损失效分析、腐蚀分析引言电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(ElectronprobeX-raymicroanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（ScanningElectronMicroscope）。这两种仪器是分别发展起来的，但现在除专门的电子探针外，大部分电子探针谱仪都是作为附件安装在扫描电镜或透射电镜上，与电镜组成一个多功能仪器以满足微区形貌、晶体结构及化学组成的同位同时分析的需要。由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分现代测试技术3析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。它们是现代固体材料显微分析(微区成份、形貌和结构分析)的最有用仪器之一，应用十分广泛。电子探针和扫描电镜都是用计算机控制分析过程和进行数据处理，并可进行彩色图像处理和图像分析工作，所以是一种现代化的大型综合分析仪。现在国内各种型号的电子探针和扫描电镜有近千台，分布在各个领域。一、扫描电镜与电子探针的工作原理：（一）扫描电镜的工作原理：扫描电子显微镜(ScanningElectronicMicroscopy,SEM)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-30万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它像透射电镜一样是当今十分有用的科学研究仪器。扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图象显示和记录系统，真空系统三个基本部分组成(实物照片及结构框图如图a、b所示)。图(a)图（b）其中电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。扫描电子显现代测试技术4微镜中的各个电磁透镜不做成相透镜用，而是起到将电子束逐级缩小的聚光作用。一般有三个聚光镜，前两个是强磁透镜，可把电子束缩小；第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距以便使样品和透镜之间留有一定的空间，装入各种信号接收器。扫描电子显微镜中射到样品上的电子束直径越小，就相当于成相单元的尺寸越小，相应的放大倍数就越高。扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动。电子束在样品上的扫描动作和显相管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一个扫描发生器控制的。电子束在样品表面有两种扫描方式，进行形貌分析时都采用光栅扫描方式，当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又有下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。在电子束偏转的同时还带用逐行扫描的动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在样品上也画出一帧比例图像。样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器收集，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摇摆的角度也越大。在进行电子束通道花样分析时，采用这种方式。样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。样品台本身是个复杂而精密的组件，它能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和旋转等运动，以利于对样品上每一特定位置的进行各种分析。二次电子、背散射电子、透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点状态各不相同，所接受的信号也不相同，于是就在显像管上看到一幅反映样品各点状态的扫描电子显微图像。SEM金相分析现代测试技术5正确的金相分析是失效分析的基础。首先是对各种光学显微镜不能分辨的基本显微组织的分析，如隐针马氏体、屈氏体等;其次是对显微组织精细结构的分析，如上贝氏体中铁素体和渗碳体两个相的形态，条状马氏体的细长板条状的立体形态等。再次，各种金属间化合物相、碳化物相、硼化物相及氮化物相等。相、M如‘型化合物、p相等，硬质合金中的Co相WC相等等。其他金相分析，如异种钢接头焊缝底层的不均匀带、硬质合金晶粒形状大小、硬质合金的混料、蠕墨铸铁中石墨的空间立体形态、钢中显微裂纹和显微缩孔等。金相分析一般在低倍分析及光学显微镜分析的基础上结合结构分析(如X射线衍射分析、电子衍射分析等)和微区成分分析(如波谱仪、能谱仪等)完成的。（二）电子探针的工作原理电子探针（ElectronMicroprobe）全名为电子探针X射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪。可对试样进行微小区域成分分析。除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，都可进行定性和定量分析。电子探针的大批量是利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，使其发出特征X射线，测定该X射线的波长和强度，即可对该微区的元素作定性或定量分析。将扫描电子显微镜和电子探针结合，在显微镜下把观察到的显微组织和元素成分联系起来，解决材料显微不均匀性的问题，成为研究亚微观结构的有力工具。电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布。由莫塞莱定律可知，各种元素的特征X射线都具有各自确定的波长，通过探测这些不同波长的X射线来确定样品中所含有的元素，这就是电子探针定性分析的依据。而将被测样品与标准样品中元素Y的衍射强度进行对比，就能进行电子探针的定量分析。当然利用电子束激发的X射线进行元素分析，其前提是入射电子束的能量必须大于某元素原子的内层电子临界电离激发能。现代测试技术6图（c）电子探针仪的结构示意图如图（c）所示，由图可见，电子探针仪除X射线谱仪外，其余部分与扫描电子显微镜相似。二、扫描电镜与电子探针的应用：（一）扫描电镜（SEM）的应用SEM在断口分析中的应用：利用扫描电镜进行电子断口分析，是在失效分析中的最主要的应用，利用SEM对断裂机理分析归类，明确断裂类型，其次是对裂纹源位置和扩展方向的判定，金属材料的主要断裂机理有:韧窝断裂、解理断裂、滑移分离、准解理断裂、疲劳断裂及环境断裂等。韧窝断裂主要分析韧窝的形状、大小、数量、第二相粒子及夹杂物等。其微观形貌为:正交韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝及卵形韧窝和沿晶韧窝等。解理断裂的微观形貌特征为:解理台阶、河流、舌状花样、扇形花样、鱼骨花样、瓦纳线等。滑移分离的显微形貌是蛇行花样、涟波花样及延伸区等。准解理断口类似真解理，也有河流、台阶、舌状花样等，但是更加呈现不连续状。疲劳断口的显微形貌特征有:挤人槽及挤出峰、疲劳断片、疲劳辉纹、轮胎压痕，也容易出现疲劳台阶、二次裂纹等。环境断裂主要包括腐蚀疲劳、应力腐蚀、氢脆、蠕变、液态或固态金属脆及碱脆、中子脆等。另外还有热处理脆现代测试技术7性等，虽然从断裂的机理分析并不是新的断裂形式，但在失效分析中应用较多，如利用SEM分析钢的第二类回火脆性的晶界弱化及第二相的沉淀等。SEM在磨损失效分析中的应用：磨损主要包括粘着磨损、疲劳磨损、磨料磨损、微动磨损及冲蚀磨损等。利用SEM主要对磨损表面及磨损产物等进行分析，磨损表面携带了磨损最主要的信息，磨损表面形貌有:擦伤、犁沟、点蚀、剥层、微动咬蚀及气蚀鱼鳞坑等。磨损产物主要有正常磨粒、疲劳剥块、球粒、层状磨粒、严重磨粒、切削磨粒、腐蚀磨损微粒、氧化颗粒、暗金属氧化物磨粒、有色金属磨粒、非金属晶体及非金属非晶体等。磨损产物的分析可以结合铁谱技术、体视技术、结构、成分分析等。腐蚀失效：金属腐蚀失效会在表面或断口上留下各种腐蚀产物，其特点及相关形貌有:均匀腐蚀、斑点腐蚀、脓疮腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、穿晶腐蚀等，一般情况通过宏观检验及光学显微镜分析，也可以利用SEM进行分析[1-2]。SEM应用举例与分析铁路运输用关键件，其服役时受力复杂，质量要求很高，产品采用30T精炼冶炼，CL60碳钢，自动化热加工生产线加工而成。2000年4月、5月间连续出现涉及四个炉号的产品由于低倍检验发现细小裂纹而全部报废的重大质量事故。本工作应用扫描电镜断口分析、能谱定性分析、光学显微形貌测试等方法，分析了引起报废裂纹缺陷的性质、产生原因。试验结果与分析（1）缺陷在低倍试片酸浸面上反映为长短不同、分布不均匀的细小裂纹(见图1)，光学显微镜下(见图2)为链状，条状、块状等聚集分分布的夹杂裂纹(见图3a)，此区域上密密麻麻分布着不同形状的夹杂物(图3b)。至此可以确定低倍试现代测试技术8片上的裂纹缺陷是由材料中存在的大量以脆性为主的非金属夹杂物聚集分布，严重破坏了基体金属的连续性，在加工过程中产生空隙，形成宏观上小裂纹。（2）经电镜能谱定量分析，缺陷区域上大面基体微区成分，主要有:Fe:57.86%，Al:32.93%，O:6.95%(4a)，不规则块状夹杂主要含有:Al:81.51%，O:10.25%，Fe:6.27%(见图4b)。结合光学显微镜夹杂物形貌，判定非金属夹杂物性质主要是:CaO，6Al2O3·FeO，Al2O3以及大型复合夹杂。结论产品内部存在的质量问题，主要是低倍试片上发现的不同部位、不同程度的小裂纹，均为大型夹杂和夹渣聚集分布的结果。它们在钢锭中以颗粒或块状存在。经锻造变形后，在锻件中以轴向为线，横向为面的薄片状存在。严重地破坏了基体金属的连续性，起到了钢中裂纹的作用。夹杂物主要为CaO，6Al2O3·FeO，Al2O3以及MgO，硅酸盐等大型复合脆性夹杂，呈链状、条状聚集分布。这些夹现代测试技术9杂物尺寸之大已肉眼可见，已形成夹杂裂纹，属外来夹杂物。造成大量夹杂裂纹缺陷的主要原因，是冶炼和铸锭工艺，冶炼时氧化还原工艺控制不当，或加Al量不均匀，或者浇注工艺不合适，均可造成钢中存在大量Al2O3夹杂聚集分布