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扫描电子显微镜在材料学中的应用

   扫描电子显微镜在材料学中的应用

  1 试样制备技术

  和透射电镜相比,扫描电镜试样制备比较简单。在保持材料原始形状情况下,可以直接观察和研究试样表面形貌及其它物理效应(特征),这是扫描电镜的一个突出优点。扫描电镜的有关制样技术是以透射电镜、光学显微镜及电子探针X射线显微分析制样技术为基础发展起来的,有些方面还兼具透射电镜制样技术,所用设备也基本相同。但因扫描电镜有其本身的特点和观察条件,只简单地引用已有的制样方法是不够的。扫描电镜的特点是:

蔡司扫描电镜

蔡司扫描电镜

  ①观察试样为不同大小的固体(块状、薄膜、颗粒),并可在真空中直接进行观察。

  ②试样应具有良好的导电性能,不导电的试样,其表面一般需要蒸涂一层金属导电膜。

  ③试样表面一般起伏(凹凸)较大。

  ④观察方式不同,制样方法有明显区别。

  ⑤试样制备与加速电压、电子束流、扫描速度(方式)等观察条件的选择有密切关系。

  上述项目中对试样导电性要求是*重要的条件。在进行扫描电镜观察时,如试样表面不导电或导电性不好,将产生电荷积累和放电,使得入射电子束偏离正常路径,最终造成图像不清晰乃至无法观察和照相。

  1.1 块状试样制备

  导电性材料:主要是指金属,一些矿物和半导体材料也具有一定的导电性。这类材料的试样制备*为简单。只要使试样大小不得超过仪器规定(如试样直径*大为φ25mm,*厚不超过20mm等),然后用双面胶带粘在载物盘,再用导电银浆连通试样与载物盘(以确保导电良好),等银浆干了(一般用台灯近距离照射10分钟,如果银浆没干透的话,在蒸金抽真空时将会不断挥发出气体,使得抽真空过程变慢)之后就可放到扫描电镜中直接进行观察。

  非导电性材料:试样的制备也比较简单,基本可以像导电性块状材料试样的制备一样,但是要注意的是在涂导电银浆的时候一定要从载物盘一直连到块状材料试样的上表面,因为观察时候电子束是直接照射在试样的上表面的。

  1.2 粉末状试样的制备

  首先在载物盘上粘上双面胶带,然后取少量粉末试样在胶带上的靠近载物盘圆心部位,然后用洗耳球朝载物盘径向朝外方向轻吹(注意不可用嘴吹气,以免唾液粘在试样上,也不可用工具拨粉末,以免破坏试样表面形貌),以使粉末可以均匀分布在胶带上,也可以把粘结不牢的粉末吹走(以免污染镜体)。然后在胶带边缘涂上导电银浆以连接样品与载物盘,等银浆干了之后就可以进行最后的蒸金处理。

  1.3 溶液试样的制备

  对于溶液试样我们一般采用薄铜片作为载体。首先,在载物盘上粘上双面胶带,然后粘上干净的薄铜片,然后把溶液小心滴在铜片上,等干了(一般用台灯近距离照射10分钟)之后观察析出来的样品量是否足够,如果不够再滴一次,等再次干了之后就可以涂导电银浆和蒸金了。

  2 扫描电镜应用实例

  2.1 观察材料的表面形貌

  热轧包铝镁板(轧制温度400℃、压下率45%)Mg侧剥离面SEM形貌如图3所示。由图可清楚的观察到在剥离面上存在大量撕裂棱、撕裂平台,在撕裂平台上还存在许多放射状小条纹和韧窝。

  2.2 观察材料第二相

  可以清楚的观察到破碎后的第二相Mg17Al12尺寸约为4?m,在“大块”Mg17Al12附近有许多弥散分布的的小颗粒,尺寸在0.5?m左右,此为热轧后冷却过程中由α-Mg基过饱和固溶体中析出的二次Mg17Al12相,呈这种形态分布的细小第二相Mg17Al12能有效的阻碍位错运动,提高材料强度,起到弥散强化的作用,而不会明显降低AZ31镁合金的塑性。

  2.3 观察材料界面

  图5是Mg/Al轧制复合界面的线扫描图像,从图中我们可以看到,穿过Mg和Al的界面进行线扫描,可以得到,在Al的一侧,Mg含量低,在Mg一侧,Al几乎为零;但在界面处,Mg和Al各大约占一半,说明在界面处发生了扩散,形成了Mg和Al的扩散层。

  2.4 观察材料断口

  AZ31镁合金铸态试样拉伸断口SEM扫描形貌如图6所示。从图6(a)可以观察到明显的解理断裂平台,在最后撕裂处也存在少量韧窝,基本上属于准解理断裂,塑性较差。这是因为铸态AZ31镁合金晶界处存在粗大的脆性第2相Mg17Al12,在拉伸变形过程中容易破碎形成裂纹源。热轧态AZ31镁合金拉伸试样断口处有明显的缩颈现象,其宏观断口SEM扫描形貌所示,呈现出以韧窝为主的延性断口形貌特征,韧窝大小为5~20μm。

  05 结语

  蔡司扫描电镜已成为各种科学领域和工业部门广泛应用的有力工具。除了在材料科学中应用广泛,在地学、生物学、医学、冶金、机械加工等领域均大量应用扫描电镜作为研究手段。我们应该了解扫描电镜的工作原理及其应用,并在自己的科学研究中利用好扫描电镜这个工具,对材料进行全面细致的研究。