掃描電鏡在金屬材料檢測中的應(yīng)用

程錦 焦樹強(qiáng) 劉曉明

摘要：近年來，我國高新材料技術(shù)得以迅速發(fā)展，各生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)呙桦婄R的檢測技術(shù)水平提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。為了滿足新時(shí)期的發(fā)展步伐，非常有必要對(duì)掃描電鏡作進(jìn)一步的研究與探索，以促進(jìn)其檢測技術(shù)水平上升到更高層級(jí)，促使其應(yīng)用優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。本文對(duì)掃描電鏡在金屬材料檢測中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：掃描電鏡;金屬材料檢測;應(yīng)用

掃描電鏡在金屬材料研究中發(fā)揮著不可比擬的作用，通過配合相應(yīng)的分析軟件，借助計(jì)算機(jī)的圖像功能，將樣品的形貌直觀且多角度的顯示出來，從而對(duì)樣品進(jìn)行全方位、細(xì)致的觀察。不僅如此，還能夠結(jié)合各種電鏡附件，將樣品的形貌和元素，成分，晶向等進(jìn)行對(duì)應(yīng)，以對(duì)其進(jìn)行定性、定量分析。由此可見，掃描電鏡是研究和分析金屬材料最為有效的一種設(shè)備。

一、掃描電鏡的類型

掃描電鏡燈絲種類分為三大類：鎢燈絲;六硼化鑭;和場發(fā)射（冷場和熱場）。三種電鏡分辨率依次提升;按使用條件來劃分，又有很多不同的類別，適用于不同的材料研究。

（一）低電壓掃描電鏡

有些掃描電鏡配備了低電壓觀測功能。低于1千伏的電壓為低電壓，在低電壓狀態(tài)下，若不對(duì)非導(dǎo)體樣本進(jìn)行導(dǎo)電處理，此時(shí)加快電子束流的速度，不僅可以降低對(duì)樣本的充電頻率，最大化的減少輻照對(duì)其的損害，還可獲取更加全面的二次電子信息，從而提高圖像信息的敏感度，且邊緣效果也得到顯著提升。這樣一來，不論是分析半導(dǎo)體樣本，還是分析非導(dǎo)體樣本，均能夠提供很大便捷。唯一美中不足的是，隨著加速電壓的減少，低電壓掃描電鏡的球像差會(huì)隨之增加，對(duì)圖像的分辨率造成很大影響[1]。

（二）低真空掃描電鏡

在分析不導(dǎo)電試樣時(shí)，低真空掃描鏡便有了用武之地，在分析過程中，受一級(jí)壓差光欄作用的影響，會(huì)產(chǎn)生兩級(jí)真空。電子室能否成功發(fā)射電子束及電子束是否被鏡筒聚焦，需要滿足一個(gè)條件，就是必須在高真空狀態(tài)下進(jìn)行。因此，想要滿足這一條件，需借助機(jī)械泵和擴(kuò)散泵實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，想要機(jī)械泵在樣品室內(nèi)保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)，則需要樣品室持續(xù)保持高真空狀態(tài)。由于樣品室在低真空狀態(tài)下，才能夠讓聚焦的電子束引入其中，且借助空氣分子，能夠讓電子束產(chǎn)生電離現(xiàn)象[2]。在此基礎(chǔ)上，通過發(fā)揮附加電場作用，可有效消除非導(dǎo)體表面的充電現(xiàn)象。如此一來，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非導(dǎo)體的全面觀察，還可以對(duì)陶瓷、生物及化工等材料進(jìn)行深度分析與研究。

（三）環(huán)境掃描電鏡

上述兩種掃描電鏡均是在真空壓力為400的樣品室中應(yīng)用的。近年來，我國多種高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，樣品室的真空壓力可以達(dá)到2600，在這種狀態(tài)下，可以讓更多的分子融入到樣本中，并且還可以將水蒸氣或混合氣體注入到樣品室內(nèi)，通過與高溫或低溫樣品結(jié)合，并可以對(duì)樣品周圍的環(huán)境進(jìn)行真實(shí)模擬。自此過程中，利用掃描電鏡掃描，便可將樣品在環(huán)境中的變化全面反映出來。

二、掃描電鏡在金屬材料檢測中的具體應(yīng)用

（一）微觀組織觀察

光學(xué)顯微鏡可用于對(duì)常規(guī)組織分布比率的觀察，由于光學(xué)顯微鏡的倍率具有很大的局限性，無法對(duì)片層結(jié)構(gòu)及針狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致觀察。掃描電鏡完全彌補(bǔ)了光學(xué)顯微鏡的不足，它的倍率不存在局限性，可以根據(jù)實(shí)際觀察需求對(duì)其倍數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整。這樣一來，便可以全面觀察到樣品的宏觀形貌及其顯微組織。比如，在觀察珠光體組織時(shí)，通過調(diào)整掃描電鏡的倍數(shù)，可放大珠光體片層結(jié)構(gòu)，從而獲得珠光體片層間距的大小。之后在利用相應(yīng)的分析軟件，準(zhǔn)確計(jì)算出各片層之間的具體距離[3]。

（二）點(diǎn)掃描

隨著施工工藝不斷改進(jìn)與完善，單一的夾雜物的種類已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品生產(chǎn)需求。光學(xué)顯微鏡無法明確夾雜物的類型，而掃描電鏡可以很好的解決這一點(diǎn)。通過結(jié)合能譜儀，可將夾雜物的化學(xué)組成和含量加以清晰的明確。舉例來說，利用掃描電鏡掃描X70管線鋼的非金屬夾雜物，通過定性和定量分析，可以得知，其夾雜物是由鎂鋁酸鹽和硅鈣酸鹽組合而成的;利用掃描電鏡對(duì)斷口形貌上的一個(gè)非金屬夾雜物進(jìn)行點(diǎn)掃描時(shí)，通過能量光譜分析，可以得知，其夾雜物是由Al2O3和MnS的化合物構(gòu)成的。同時(shí)還可通過圖像觀察到這種夾雜物的直徑尺寸比較小，分析得出結(jié)論很有可能是在煉鋼過程中產(chǎn)生的，不會(huì)對(duì)材料的可塑性造成太大影響。倘若在斷口上出現(xiàn)直徑尺寸比較大的夾雜物，那么會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，材料在此作用下很有可能發(fā)生斷裂的情況，應(yīng)引起相關(guān)人員的高度注意。

（三）斷口分析

掃描電鏡具有多個(gè)可控性的性能指標(biāo)，景深便是其中非常重要的一個(gè)。掃描電鏡的景深優(yōu)于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡，對(duì)于樣品各部位高低不平的特征，想要對(duì)樣品的各部位進(jìn)行全面、細(xì)致的觀察和分析，便可利用掃描電鏡的大景深功能，對(duì)這些部位進(jìn)行同時(shí)聚焦。在分析和研究常規(guī)實(shí)驗(yàn)斷口、現(xiàn)場失效斷口等方面，掃描電鏡在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，主要?dú)w功于其景深大的特點(diǎn)。不論是光學(xué)顯微鏡，還是透射電鏡，在觀察斷口試樣時(shí)，需要將其整體破壞之后，再制成樣品進(jìn)行觀察，從而對(duì)檢測結(jié)果造成很大影響。而應(yīng)用掃描電鏡則可以完全省略這些環(huán)節(jié)，既不用破壞試樣的整體性，又不需要重新制作樣品，只需將試樣放入樣品倉便可直接觀察，進(jìn)一步提高的檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。不僅如此，掃描電鏡在時(shí)效件的斷口分析中同樣發(fā)揮著無可比擬的作用。首先，對(duì)失效斷口進(jìn)行宏觀層面的觀察，從而對(duì)斷裂源區(qū)和裂紋的拓展方向進(jìn)行科學(xué)判斷;其次，利用掃描電鏡對(duì)失效斷口進(jìn)行細(xì)微的觀察，便能對(duì)斷裂源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的斷裂類型進(jìn)行準(zhǔn)確判斷;最后，通過對(duì)其進(jìn)行綜合全面的分析，從而獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

三、結(jié)束語

綜上所述，掃描電鏡在金屬材料研究中發(fā)揮著顯著性的應(yīng)用優(yōu)勢，尤其在端口形貌、定性定量分析中發(fā)揮的作用十分關(guān)鍵，從而對(duì)各種金屬材料的工藝條件和性能關(guān)系進(jìn)行更深層次的研究與分析。隨著我國高新科技不斷夜以繼日的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了金屬材料的進(jìn)步，因而各行各業(yè)對(duì)檢測技術(shù)水平提出了新的要求和標(biāo)準(zhǔn)。因此，更深一步的研究掃描電鏡的檢測技術(shù)非常有必要，以便充分發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐亮，劉陵恩，徐晉勇，張宜旭，王永峰，張躍飛，張澤. 掃描電鏡高溫成像干擾分析及圖像修復(fù)方法研究[J]. 電子顯微學(xué)報(bào)，2021，40（5）：601-608.

[2]李桂英，李建開，劉政鵬. 掃描電鏡在鋼鐵質(zhì)量控制方面的應(yīng)用[J]. 山東冶金，2021，43（4）：37-39.