掃描電子顯微鏡 在材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用與探索

梁剛 王振廷 王建永 張鶴

摘要：掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡都是廣泛應(yīng)用于材料類專業(yè)的重要分析測(cè)試儀器，文章通過(guò)材料失效分析教學(xué)中掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡對(duì)拉伸試樣的對(duì)比，分析及實(shí)驗(yàn)總結(jié)，初步探索出掃描電子顯微鏡在本科生實(shí)踐教學(xué)中的可行性，結(jié)果表明，掃描電子顯微鏡實(shí)踐教學(xué)效果比較理想。

關(guān)鍵詞：掃描電子顯微鏡;體視顯微鏡;實(shí)踐教學(xué)

《材料失效分析》實(shí)驗(yàn)是我校材料類專業(yè)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，本課程通過(guò)材料失效分析基本研究方法的介紹，使學(xué)生了解材料失效分析的原理和常用技術(shù)方法，掌握常見(jiàn)的判斷材料失效方式的重要依據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)零件失效斷口分析能力，為材料失效分析研究奠定基礎(chǔ)。體視顯微鏡一種具有正像立體感的顯微鏡，具有操作簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于材料宏觀表面觀察、失效分析、斷口分析等工業(yè)領(lǐng)域。但其放大倍數(shù)小，景深小，分辨能力低，影響其對(duì)材料拉伸斷口組織形貌的分析。掃描電子顯微鏡具有放大倍數(shù)變化范圍寬、景深大、立體感強(qiáng)、樣品制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在材料學(xué)、電子學(xué)、地質(zhì)礦物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。本文結(jié)合應(yīng)用型本科院校教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和本單位對(duì)本科生的實(shí)踐教學(xué)要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，初步探索出掃描電子電鏡在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

1教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施

《材料失效分析》是本單位材料類本科生第6學(xué)期開(kāi)設(shè)的教學(xué)課程，該課程實(shí)踐教學(xué)共2學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課一般為演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)。每班學(xué)生以30人計(jì)，15人/組分組上課，教學(xué)內(nèi)容有掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡的結(jié)構(gòu)介紹、工作原理、樣品制備、儀器操作、對(duì)金屬拉伸試樣的觀察分析。將工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料樣品制備和上機(jī)測(cè)試過(guò)程，應(yīng)用多媒體手段，幾部分內(nèi)容整理成PowerPoint和視頻動(dòng)畫(huà)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展前一周拷貝給學(xué)生，讓學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)分為課前預(yù)習(xí)，出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分。

我們通過(guò)對(duì)比的來(lái)講解兩種顯微鏡的不同。（1）樣品的制備。拉伸后的試樣可以直接放在體視顯微鏡上進(jìn)行觀察，掃描電子顯微鏡由于試樣室內(nèi)部空間有限，拉伸試樣高度不宜超過(guò)20mm。（2）工作原理。體視顯微鏡光采用可見(jiàn)光作為光源，利用光的反射和折射原理成像，掃描電子顯微鏡通過(guò)高能量電子束轟擊樣品表面，激發(fā)出樣品表面的各種物理信號(hào)成像。體視顯微鏡觀察倍數(shù)在200倍以下，分辨率0.2～0.5μm，掃描電子顯微鏡從幾倍到幾十萬(wàn)倍連續(xù)變換，分辨率0.5nm。體視顯微鏡的景深比金相顯微鏡的大，是由于雙目鏡筒中的左右兩光束不是平行的，而是具有12°～15°體視角，因此成像具有一定三維立體感，但是，掃描電子顯微鏡的景深更大，拍攝出的圖像立體感更強(qiáng)。

2教學(xué)過(guò)程及結(jié)果分析

講解內(nèi)容主要分為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器結(jié)構(gòu)、工作原理、樣品制備。講解完畢后先利用體視顯微鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察分析，體視顯微鏡操作比較簡(jiǎn)單，只需把樣品正立放置在樣品臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和鏡頭高度就能獲得清晰的圖像。圖1a低倍數(shù)下可以清晰地看到拉伸斷口的整體宏觀形貌，此拉伸斷口有明顯的頸縮，大致可以判斷此斷口是以韌性斷裂為主。圖1b和圖1c為高倍數(shù)下斷口形貌，由于斷口處組織變形比較嚴(yán)重，顯微鏡景深小的緣故，不能清晰的看到斷口的內(nèi)部組織形貌，不能完整地分析出斷口的斷裂形式。由于掃描電子顯微鏡是價(jià)格昂貴的大型分析測(cè)試儀器，因此，利用掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸試樣斷口進(jìn)行組織分析，在實(shí)驗(yàn)課上一般實(shí)行演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生主要以圖像結(jié)果分析為主。對(duì)比掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡拍攝的照片，結(jié)合兩種顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

掃描電鏡樣品制備的好壞嚴(yán)重影響對(duì)組織的觀察，在課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)樣品的制備和保存沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)。由于拉伸試樣容易被污染的原因，在觀察時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)少部分污染區(qū)域，圖像上此區(qū)域顯示為暗黑色，由此強(qiáng)調(diào)樣品制備的重要性。樣品觀察過(guò)程中，給學(xué)生講解掃描電子顯微鏡觀察樣品的一般步驟和原則：倍數(shù)由小到大，先宏觀選區(qū)、再微觀觀察，高倍聚焦、低倍成像。

在掃描電子顯微鏡下觀察拉伸試樣，清晰地看到拉伸試樣的內(nèi)部組織形貌，絕大部分為韌窩狀組織，在其周圍發(fā)現(xiàn)還有一些平臺(tái)狀組織存在，符合脆性斷裂形貌特征，由此判斷此拉伸試樣是韌脆復(fù)合型斷裂（見(jiàn)圖2）。對(duì)比圖1和圖2，體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡下拉伸試樣的組織形貌，體視顯微鏡不能對(duì)更細(xì)微的拉伸試樣內(nèi)部組織形貌進(jìn)行很好的觀察分析，掃描電子顯微鏡可以清晰地觀察分析斷裂形式。兩組照片的對(duì)比，學(xué)生可以從更微觀的角度認(rèn)識(shí)不同斷裂形式的組織形貌特征，讓學(xué)生對(duì)專業(yè)課程中所描述的拉伸試樣斷裂形式有了更加深刻的感性認(rèn)識(shí)。通過(guò)電鏡圖像發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題，引領(lǐng)學(xué)生深入探討科學(xué)問(wèn)題，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題探討的興趣。

3 結(jié)論

在材料類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)探索與改革中，利用掃描電子顯微鏡與體視顯微鏡進(jìn)行對(duì)比分析材料斷裂形式，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量提高，加深了學(xué)生對(duì)微觀組織形貌觀察認(rèn)識(shí)，對(duì)以后從事材料失效檢查等工作有很大幫助。對(duì)于有效利用掃描電子顯微鏡在實(shí)踐教學(xué)上的作用，還應(yīng)不斷探索。

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