掃描電鏡在材料分析中的應(yīng)用

掃描電鏡在材料分析中的應(yīng)用李木八、、（材料科學(xué)與工程學(xué)院，西南大學(xué)，重慶）摘要：本文主要介紹了掃描電鏡的工作原理及其附件，并列舉了掃描電鏡在材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括其在觀察材料表面形貌，第二相粒子，材料界面和斷口中應(yīng)用。關(guān)鍵詞：掃描電鏡，表面形貌，第二相粒子，材料界面，斷口引言自從1965年第一臺(tái)商品掃描電鏡問世以來，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)，掃描電鏡的分辨率從第一臺(tái)的25nm提高到現(xiàn)在的0.01nm，而且大多數(shù)掃描電鏡都能通X射線波譜儀、X射線能譜儀等組合，成為一種對表面微觀世界能過經(jīng)行全面分析的多功能電子顯微儀器。掃描電鏡已成為各種科學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的有力工具。從地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金、機(jī)械加工、材料、半導(dǎo)體制造、陶瓷品的檢驗(yàn)等均大量應(yīng)用掃描電鏡作為研究手段。在材料領(lǐng)域中，掃描電鏡技術(shù)發(fā)揮著極其重要的作用，被廣泛應(yīng)用于各種材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)、界面狀況、損傷機(jī)制及材料性能預(yù)測等方面的研究。利用掃描電鏡可以直接研究晶體缺陷及其生產(chǎn)過程，可以觀察金屬材料內(nèi)部原子的集結(jié)方式和它們的真實(shí)邊界，也可以觀察在不同條件下邊界移動(dòng)的方式，還可以檢查晶體在表面機(jī)械加工中引起的損傷和輻射損傷等。掃描電鏡的工作原理掃描電鏡的工作原理如圖1所示。

圖1掃描電鏡原理圖掃描電鏡由電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過磁透鏡系統(tǒng)匯聚，形成直徑為5nm，經(jīng)過二至三個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成一個(gè)細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對應(yīng)，也就是說，電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉(zhuǎn)換為視頻信號，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。掃描電鏡的附件掃描電鏡一般都配有波譜儀或者能譜儀。波譜儀是利用布拉格方程2dsinB=k，從試樣激發(fā)出了X射線經(jīng)適當(dāng)?shù)木w分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角20。波譜儀是微區(qū)成分分析的有力工具。波譜儀的波長分辨率是很高的，但是由于X射線的利用率很低，所以它使用范圍有限。能譜儀是利用X光量子的能量不同來進(jìn)行元素分析的方法，對于某一種元素的X光量子從主量子數(shù)胃n1的層躍遷到主量子數(shù)為n2的層上時(shí)，有特定的能量AE=En1-En2o能譜儀的分辨率高，分析速度快，但分辨本領(lǐng)差，經(jīng)常有譜線重疊現(xiàn)象，而且對于低含量的元素分析準(zhǔn)確度很差。波譜儀和能譜儀是不能互相取代的，只能是互相補(bǔ)充。掃描電鏡在材料學(xué)中的應(yīng)用4.1觀察材料的表面形貌圖1熱軋態(tài)Mg側(cè)剝離面SEM形貌熱軋包鋁鎂板（軋制溫度400°C、壓下率45%）Mg側(cè)剝離面SEM形貌如圖1所示。由圖可清楚的觀察到在剝離面上存在大量撕裂棱、撕裂平臺(tái)，在撕裂平臺(tái)上還存在許多放射狀小條紋和韌窩。4.2觀察材料第二相從圖2中可以清楚的觀察到破碎后的第二相啊狎彩尺寸約為4頃，在“大塊”Mg17Al12附近有許多彌散分布的的小顆粒，尺寸在0.5pm左右，此為熱軋后冷卻過程中由a-Mg基過飽和固溶體中析出的二次Mg17Al12相，呈這種形態(tài)分布的細(xì)小第二相Mg17Al12能有效的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料強(qiáng)度，起到彌散強(qiáng)化的作用，而不會(huì)明顯降低AZ31鎂合金的塑性。4.3觀察材料界面

圖3圖3Mg/Al軋制界面線掃描[1]圖3是Mg/Al軋制復(fù)合界面的線掃描圖像，從圖中我們可以看到，穿過Mg和Al的界面進(jìn)行線掃描，可以得到，在Al的一側(cè)，Mg含量低，在Mg一側(cè)，Al幾乎為零；但在界面處，Mg和Al各大約占一半，說明在界面處發(fā)生了擴(kuò)散，形成了Mg和Al的擴(kuò)散層。4.4觀察材料斷口（a）4.4觀察材料斷口（a）鑄態(tài)（b）熱軋態(tài)圖4AZ31鎂合金拉伸斷口形貌AZ31鎂合金鑄態(tài)試樣拉伸斷口SEM掃描形貌如圖3-6所示。從圖4(a)可以觀察到明顯的解理斷裂平臺(tái)，在最后撕裂處也存在少量韌窩，基本上屬于準(zhǔn)解理斷裂，塑性較差。這是因?yàn)殍T態(tài)AZ31鎂合金品界處存在粗大的脆性第2相Mgi7Ali2，在拉伸變形過程中容易破碎形成裂紋源⑵。熱軋態(tài)AZ31鎂合金拉伸試樣斷口處有明顯的縮頸現(xiàn)象，其宏觀斷口SEM掃描形貌如圖4(b)所示，呈現(xiàn)出以韌窩為主的延性斷口形貌特征，韌窩大小為5?20Mm。結(jié)語掃描電鏡在材料科學(xué)中應(yīng)用廣泛，除了可以用于材料科學(xué)的以上各方面研究外，還可以進(jìn)行金屬疲勞破壞，雜質(zhì)的形態(tài)觀察等。作為一個(gè)材料專業(yè)的學(xué)生，我們應(yīng)該了解掃描電鏡的工作原理及其應(yīng)用，并在自己的科學(xué)研究中利用好掃描電鏡這個(gè)工具，對材料進(jìn)行全面細(xì)致的研究。參考文獻(xiàn)M.C.Chen,H.C.Hsieh,WeiteWu.TheevolutionofmicrostructuresandmechanicalpropertiesduringaccumulativerollbondingofAl/Mgcomposite[J].JourmalofAlloysandCo