扫描电子显微镜在材料分析和研究中的应用_蔡璐

第1卷　第4期
2003年12月南京工程学院学报(自然科学版)Journal of Nanji ng Insti t ute o f T e chno l og y (Na tural Science Edition )Vol .1,No .4Dec .,2003 文章编号:1672-2558(2003)04-0039-04扫描电子显微镜在材料分析和研究中的应用
收稿日期:2003-09-18
作者简介:蔡璐(1960-),女,学士,高级工程师,从事金属材料及失效分析等方面的研究。

蔡　璐
(南京工程学院材料工程系,江苏　南京,210013)
摘　要:简要介绍了扫描电子显微镜的功能及特点,阐述了这种检测仪器在工程材料领域中的用途,说明了扫描
电子显微镜对材料科学发展的贡献。

关键词:扫描电子显微镜;工程材料;应用
中图分类号:TG115.21+5.3文献标识码:A
Applications of Scanning Electronic Microscope
in Material Analysis and Research
CAI Lu
(Dept .of M aterials Engineering ,Nanjing Institute of Technology ,Nanjing 210013,China )
A bstract :T he paper intro duces functions and characteristics of scanning electronic microscope ,illustrates its application in engineering materials ,and ex plains its contribution to the development of materials science .
Key words :scanning electro nic microscope ;engineering materials ;applications
1　引言
扫描电子显微镜(SEM )是近几十年来发展比较迅速的一种先进的电子光学仪器,目前最先进的场发射扫描电子显微镜分辨率为1纳米,放大倍数可从低倍至几十万倍。

尤其是低真空扫描电子显微镜的问世,使人们直接观察非导电性、易脱气及一定含水、含油的样品成为可能。

扫描电子显微镜的成像原理与光学显微镜不同,它采用细聚焦高压电子束在材料样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像,类似于电视摄影的显像方式[1]。

表1所列为扫描电镜中的各种信号及其功能。

表1　扫描电镜中主要信号及其功能
收集信号类别
功 能二次电子
形貌观察背散射电子
成分分析晶体学研究特征X 射线
成分分析俄歇电子成分分析
由于扫描电镜可用多种物理信号对材料样品进行综合分析,并具有可以直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点,因此,在科研、工业产品开发、质量管理及生产在线检查方面发挥着重要的作用。

以下从三方面介绍扫描电子显微镜在工程材料领域中的主要用途。

2　材料的组织形貌观察
2.1　断口分析
现代工业产品零件虽然经过精心设计、慎重选材、精确制造,但由于实际生产和使用中的种种复杂原因,零件断裂损坏的现象仍然不断发生,极大地影响了生产的顺利进行和使用的安全,甚至造成灾难性事故。

为了提高产品质量、保证使用安全,避免灾难性事故重演,人们常常借助扫描电镜分析断口的破坏特征、零件内部的结构及缺陷,从而判断零件损坏的原因。

众所周知,反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便,但其分辨率、放大倍数和景深都比较低。

因此在一定程度上限制了它们的适用范围。

扫描电子显微镜的样品制备简单,可以实现试样从低倍到高倍的定位分析;在样品室中的断口试样不仅可以沿三维空间移动,还能够根据观察需要进行空间转动,以利于使用者对感兴趣的断裂部位进行连续、系统的观察分析;扫描电子显微断口图像因真实、清晰,并富有立体感,在金属断口和显微组织三维形态的观察研究方面获得了广泛地应用[2]。

工程中使用损坏的零件断口清洗后,导电样品可直接进行观察;不导电样品(塑料、陶瓷等)在真空喷涂仪中沉积碳、金、银等抗腐蚀和二次电子丰富的元素,保证样品具有较好的导电性,以防图像畸变。

例如,汽车车门螺栓在装配时发生断裂,其电镜断口形貌见图1。

根据断口的沿晶断裂特征,并结合生产工艺综合分析,可断定车门螺栓脆性断裂的原因是由于表面磷化防护处理后,去氢处理工艺不当造成的氢脆断裂。

通过SEM 对宇航复合材料的疲劳断口观察(见图2),发现断面上有过载断裂的针排撕裂特征,由此可以分析过载是造成材料损坏主因。

图1　合金钢沿晶断裂特征 图2　石墨纤维-环氧树脂　复合材料过载断口
图3　锰磷化表面形貌2.2　镀层表面形貌分析和深度检测
金属材料零件在使用过程中不可避免地会遭受环境的侵蚀,容易发生腐蚀现象。

为保护母材,成品件常常需要进行诸如磷化、达克罗等表面防腐处理。

有时,为利于机加工,在工序之间也进行镀膜处理。

由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响,所以常常被作为研究的技术指标。

镀膜的深度很薄,由于光学显微镜放大倍数的局限性,使用金相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难,而扫描电镜却可以很容易完成。

使用扫描电镜观察分析镀层表面形貌是方便、易行的最有效的方法,样品无需制备,只需直接放入样品室内即可放大观察。

图3所示是螺栓经锰磷化表面处理后的表面形貌。

“松针状”的磷化膜结构具有良好的储油功能,使暴露于外界工作的螺栓耐腐蚀性得到改善。

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南京工程学院学报(自然科学版) 2003年12月
3　微区化学成分分析
在实际断口分析工作中,往往在获得断口形貌放大像后,希望能在同一台仪器上进行原位化学成分或晶体结构分析,提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料,以便能够更全面、客观地进行判断分析。

为此,相继出现了扫描电子显微镜—电子探针多种分析功能的组合型仪器。

扫描电子显微镜如配有X 射线能谱(EDS )和X 射线波谱成分分析等电子探针附件,可分析样品微区的化学成分等信息。

材料内部的夹杂物往往是裂纹的发源地,由于它们的体积细小,因此,无法采用常规的化学方法进行定位鉴定。

扫描电镜配备电子探针后,不仅可以为夹杂物定性,还可以检测断面上的腐蚀物、磨屑等微量物质。

微区成分分析的结果往往为断裂失效分析的提供重要的线索和数据。

目前,工程材料失效分析常用的电子探针的基本工作方式为:
(1)对样品表面选定微区作定点的全谱扫描定性或半定量分析,以及对其中所含元素浓度的定量分析。

(2)电子束沿样品表面选定的直线轨迹作所含元素浓度的线扫描分析。

(3)电子束在样品表面作面扫描,以特定元素的X 射线讯号调制阴极射线管荧光屏亮度,给出该元素浓度分布的扫描图像。

一般而言,常用的X 射线能谱仪能检测到的成分含量下限为0.1%(质量分数)。

可以应用在判定合金中析出相或固溶体的组成、测定金属及合金中各种元素的偏析、研究电镀等工艺过程形成的异种金属的结合状态、研究摩擦和磨损过程中的金属转移现象以及失效件表面的析出物或腐蚀产物的鉴别等方面。

图4所示是使用后断裂的连杆裂纹萌生区的断口,断口形貌在电镜下观察1、2标记区断裂特征有明显差异。

能谱微区分析结果表明,标记1区含有氧元素,如图5所示;而标记2区则无氧化现象。

由此推断裂纹先在标记1区形成,在此区沿裂纹扩展方向追寻发现,热加工“飞边”缺陷是引起连杆早期损坏的直接原因。

图4　斜向裂纹处断口特征16.5× 图5　标记1区成分谱线
4　显微组织及超微尺寸材料的研究
钢铁材料中诸如回火托氏体、下贝氏体等显微组织非常细密,用光学显微镜难以观察组织的细节和特征。

在进行材料、工艺试验时,如果出现这类组织,可以将制备好的金相试样深腐蚀后,在扫描电镜中鉴别。

下贝氏体与高碳马氏体组织在光学显微镜下的形态均呈针状,且前者的性能优于后者。

但由于光学显微镜的分辨率较低,无法显示其组织细节,故不能区分。

电子显微镜却可以通过对针状组织细节的观41第1卷第4期 蔡　璐:扫描电子显微镜在材料分析和研究中的应用
察实现对这种相似组织的鉴别。

图6所示是光学显微镜(LM )下的针状下贝氏体,图7所示是与之对应的电镜形貌。

在电子显微镜下(SEM ),可清楚地观察到针叶下贝氏体是有铁素体和其内呈方向分布的碳化物组成[4]。

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。

现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒”。

由于纳米材料表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用,十分活泼,所以使用纳米金属颗粒粉作催化剂,可加快化学反应过程。

纳米材料的应用非常广泛,比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点,但又具有脆性和难以加工等缺点,纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性,改善脆性。

复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。

例如含有20%超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒,可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料[5,6]。

纳米材料的一切独特性能主要源于它的超微尺寸,因此必须首先切确地知道其尺寸,否则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。

目前该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜(STM )、原子力显微镜(AFM )等技术
[6],但高分辨率的扫描电镜(SEM )在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势,也被大量采用。

图8所示是扫描电镜拍摄的纳米尺
寸的金蒸着粒子形貌。

图6　LM 的组织形貌500×　图7　SEM 的组织形貌10,000×　图8　金蒸着粒子50,000×
5　结束语
扫描电镜在工程材料的分析和研究方面应用十分广泛,主要的应用有工程材料断口分析及微区成分分析、各种镀膜表面形貌分析及层厚测量和显微组织形貌及纳米材料分析等。

随着材料科学和高科技的迅速发展,各种行业对检测技术水平的要求日异提高,可以预测扫描电镜将以其拥有的优势进一步发挥它的作用。

参考文献:
[1]　陈世朴.金属电子显微分析[M ].北京:机械工业出版社,1982.
[2]　Brook ,C .R ,Choudhury ,A .Failure Analysis of Engineering M aterials [M ].谢斐娟译.北京:机械工业出版社,2003.
[3]　C .R .Book s and B .L .M cgill .T he Application of S canning El ectron M icroscopy to Fractography [J ].M icrostructu ral Characterization ,1994,
(33):195-243.
[4]　石德珂.材料科学基础[M ].北京:机械工业出版社,1999.
[5]　张立德,牟季美.纳米材料学[M ].沈阳:辽宁科学技术出版社,1994.
[6]　张志琨,崔作林.纳米技术与纳米材料[M ].北京:国防工业出版社,2000.
[责任编校:屈华昌]42
南京工程学院学报(自然科学版) 2003年12月。