掃描、透射電鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1、掃描、透射電鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用摘要：在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們不斷需要從更高的微觀層次觀察、認(rèn)識周圍的物質(zhì)世界，電子顯微鏡的發(fā)明解決了這個問題。電子顯微鏡可分為掃描電了顯微鏡簡稱掃描電鏡 (SEM)和透射電子顯微鏡簡稱透射電鏡 (TEM)兩大類。本文主要介紹掃描、透射電鏡工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其發(fā)展，闡述了其在材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。1掃描電鏡的工作原理從電子槍陰極發(fā)出的直徑20mm30mm的電子束，受到陰陽極之間加速電壓的作用，射向鏡筒，經(jīng)過聚光鏡及物鏡的會聚作用，縮小成直徑約幾毫微米的電子探針。在物鏡上部的掃描線圈的作用下，電子探針在樣品表面作光柵狀掃描并且激發(fā)出多種電子信號。這些電子信

2、號被相應(yīng)的檢測器檢測，經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換，變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極上并且調(diào)制顯像管的亮度。顯像管中的電子束在熒光屏上也作光柵狀掃描，并且這種掃描運(yùn)動與樣品表面的電子束的掃描運(yùn)動嚴(yán)格同步，這樣即獲得襯度與所接收信號強(qiáng)度相對應(yīng)的掃描電子像，這種圖象反映了樣品表面的形貌特征。2掃描電鏡的構(gòu)成主要包括以下幾個部分：1.電子槍產(chǎn)生和加速電子。由燈絲系統(tǒng)和加速管兩部分組成2.照明系統(tǒng)聚集電子使之成為有一定強(qiáng)度的電子束。由兩級聚光鏡組合而成。3.樣品室樣品臺，交換，傾斜和移動樣品的裝置。4.成像系統(tǒng)像的形成和放大。由物鏡、中間鏡和投影鏡組成的三級放大系統(tǒng)。調(diào)節(jié)物鏡電流可改變樣品成像的離焦量。調(diào)節(jié)中間

3、鏡電流可以改變整個系統(tǒng)的放大倍數(shù)。5.觀察室觀察像的空間，由熒光屏組成。6.照相室記錄像的地方。7.除了上述的電子光學(xué)部分外，還有電氣系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。提供電鏡的各種電壓、電流及完成控制功能。3掃描電鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用3.1.材料的組織形貌觀察材料剖面的特征、零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及損傷的形貌，都可以借助掃描電鏡來判斷和分析反射式的光學(xué)顯微鏡直接觀察大塊試樣很方便，但其分辨率、放大倍數(shù)和景深都比較低而掃描電子顯微鏡的樣品制備簡單，可以實(shí)現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動，還能夠根據(jù)觀察需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)動，以利于使用者對感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析；掃描電子顯微圖

4、像因真實(shí)、清晰，并富有立體感，在金屬斷口和顯微組織三維形態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。3.2.鍍層表面形貌分析和深度檢測有時為利于機(jī)械加工，在工序之間也進(jìn)行鍍膜處理由于鍍膜的表面形貌和深度對使用性能具有重要影響，所以常常被作為研究的技術(shù)指標(biāo)鍍膜的深度很薄，由于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的局限性，使用金相方法檢測鍍膜的深度和鍍層與母材的結(jié)合情況比較困難，而掃描電鏡卻可以很容易完成使用掃描電鏡觀察分析鍍層表面形貌是方便、易行的最有效的方法，樣品無需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察。3.3.顯微組織及超微尺寸材料的研究鋼鐵材料中諸如回火托氏體、下貝氏體等顯微組織非常細(xì)密，用光學(xué)顯微鏡難以觀察組織的

5、細(xì)節(jié)和特征在進(jìn)行材料、工藝試驗(yàn)時，如果出現(xiàn)這類組織，可以將制備好的金相試樣深腐蝕后，在掃描電鏡中鑒別下貝氏體與高碳馬氏體組織在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)均呈針狀，且前者的性能優(yōu)于后者。但由于光學(xué)顯微鏡的分辨率較低，無法顯示其組織細(xì)節(jié)，故不能區(qū)分電子顯微鏡卻可以通過對針狀組織細(xì)節(jié)的觀察實(shí)現(xiàn)對這種相似組織的鑒別在電子顯微鏡下（SEM），可清楚地觀察到針葉下貝氏體是有鐵素體和其內(nèi)呈方向分布的碳化物組成。4透射電鏡的工作原理由電子槍發(fā)射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細(xì)、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內(nèi)的樣品上；透過樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，樣品內(nèi)致

6、密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多；經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后，電子束進(jìn)入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進(jìn)行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像以供使用者觀察。5透射電鏡的構(gòu)成電子束照明源和電磁透鏡是透射電子顯微鏡有別于光學(xué)顯微鏡的兩個最主要的組分。透射電子顯微鏡由以下幾大部分組成：照明系統(tǒng)，成像光學(xué)系統(tǒng)；記錄系統(tǒng)；真空系統(tǒng);電氣系統(tǒng)。成像光學(xué)系統(tǒng)，又稱鏡筒，是透射電鏡的主體。6透射電鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用6.1 7055鋁合金EDS分析鋁合金在加工和熱處理過程中，微觀組織會發(fā)生一系列變化，但是有時候卻很難分辨其微觀組織的成

7、分，從而很難辨別微觀組織與性能之間微妙的關(guān)系。此時我們可以借助能譜微區(qū)分析。在時效120/24h狀態(tài)下，利用EDS分析晶粒內(nèi)部基體上微區(qū)成分。在時效120/24h狀態(tài)下，其基體主要化學(xué)成分為Al，Zn和Cu元素。在時效120/24h狀態(tài)下，利用EDS分析晶界處微區(qū)成分。在時效120/24h狀態(tài)下，其晶界區(qū)域主要化學(xué)成分為Al，Zn和Cu元素。但是由對比可發(fā)現(xiàn)，Cu和Zn的含量在晶界處比基體高一些，從而推斷出晶界處的析出相中所含Cu和Zn元素比基體上高一些。7055鋁合金是典型的熱處理可強(qiáng)化高強(qiáng)鋁合金，它有很高的強(qiáng)度和優(yōu)良的力學(xué)性能。熱處理過程中，在470/1h固溶時晶界變細(xì)，基體形成過飽和固溶

8、體； 120/1h時效時基體內(nèi)有球狀的GP區(qū)形成；時效120/24h，基體內(nèi)部分GP區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钕?。小結(jié)在材料學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展的今天，電子顯微鏡為其研究插上了飛速發(fā)展的翅膀。在電子顯微鏡發(fā)展的同時，一些提高電鏡的分析手段和分辨率的設(shè)備也得到了更進(jìn)一步的發(fā)展，如像散器，高角度環(huán)形暗場技術(shù)，球差校正等。雖然現(xiàn)在電子顯微鏡已經(jīng)發(fā)展到了一定的高度，但是仍需要在動態(tài)技術(shù)、低真空、高電壓、高分辨率以及原位場技術(shù)方向發(fā)展。所以這給在電子顯微學(xué)領(lǐng)域研究的科學(xué)家提出了更大的挑戰(zhàn)，這些技術(shù)的成熟發(fā)展也需要很長一段路要走。參考文獻(xiàn)1朱琳.掃描電子顯微鏡及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用J.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2007，（2）：81-84. 2吳立新,陳方玉.掃描電鏡的發(fā)展及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用.武鋼技術(shù). 2005, (06): 36-40. 3劉維.電子顯微鏡的原理和應(yīng)用J.現(xiàn)代儀器使用與維修， 1996，（1）：9-12. 4劉劍霜,謝鋒等.掃描電子顯微鏡J.上海計(jì)量測試， 2003，（6）