SEM和XRD在粉末冶金中的應(yīng)用

1、SEM和XRD在粉末冶金中的應(yīng)用1 粉末冶金1.1 粉末冶金的概念粉末冶金(也稱(chēng)金屬陶瓷法)： 制取金屬或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混 合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類(lèi)型制品的工藝過(guò)程。1.2 粉末冶金的工藝粉末冶金工藝：(1)制取金屬、合金、金屬化合物粉末以及包覆粉末；(2)將原料粉末通過(guò)成形、燒結(jié)以及燒結(jié)后的處理制得成品。1.3粉末性能粉末性能分類(lèi)：(1)單顆粒性能(質(zhì))由材質(zhì)決定：點(diǎn)陣類(lèi)型、理論密度、熔點(diǎn)、電磁性能等，由制粉方法決定：粒度、形狀、有效密度等；(2)粉末體性能(質(zhì))：?jiǎn)晤w粒性能+粒度組成、平均粒度、比表面、振實(shí)密度、松裝密度、流動(dòng)性、

2、壓制性能；(3)粉末孔隙特性：總孔隙、顆粒間孔隙、顆粒內(nèi)孔隙、孔隙的開(kāi)閉性、孔隙大小、 形狀等。最常見(jiàn)的性能分類(lèi)體系：化學(xué)性能(成分)、物理性能、工藝性能。1 .化學(xué)成分：化學(xué)性質(zhì)主要指粉末的化學(xué)組成包括主要金屬的含量和雜質(zhì)的含量。主要成分(如鐵粉中的 Fe)含量一對(duì)粉末性能有決定影響；化學(xué)組成還包括雜質(zhì)的種類(lèi)和含量一對(duì)粉末性能也有重要影響。2 .物理性能：顆粒形狀及結(jié)構(gòu)、顆粒大小及粒度組成、比表面積、顆粒密度、顆粒硬度、 熔點(diǎn)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)等。(1)顆粒形狀：主要由制粉方法和制粉決定，同時(shí)也與物質(zhì)的分子或原子排列的結(jié)晶 幾何學(xué)因素有關(guān)。某些特定形狀的粉末只能通過(guò)特定的方法生產(chǎn)：

3、球形粉末-霧化法、多孔粉末-還原法、樹(shù)枝狀粉末-電解法、片狀粉末-研磨法顆粒形狀對(duì)粉末的工藝性能以及壓坯和燒結(jié)體強(qiáng)度有顯著影響。(2)顆粒密度(3)顯微硬度2掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)掃描電鏡，英文縮寫(xiě)為SEM）是一種大型的分析儀器，廣泛應(yīng)用在材 料科學(xué)、生命科學(xué)、 物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)在掃描電鏡上相繼安裝了許多專(zhuān)用附 件,如:能譜儀（EDX）、波譜儀（WDX）、電子衍射儀（ED）等，使掃描電鏡成為一種多功能的、快 速、直觀、綜合的表面分析儀器。2.1 掃描電鏡的工作原理掃描電鏡主要由電子槍、電磁透鏡、物鏡、掃描線圈、信號(hào)收集及顯示裝置等組成。其 工作原理為：由電子槍發(fā)射電子

4、，以交叉斑作為電子源，經(jīng)二級(jí)透鏡及物鏡的縮小形成具有一 定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。試樣在電子束作用下，激發(fā)出各種信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度取決于試樣表面狀況。這些信號(hào)被探測(cè)器收集并經(jīng)視頻放大后輸入顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的電子圖像。2.2 掃描電鏡的特點(diǎn)（1）制樣方法簡(jiǎn)單。對(duì)表面清潔的導(dǎo)電材料可直接進(jìn)行觀察；表面清潔的非導(dǎo)電材料只要在表面蒸鍍一層導(dǎo)電層即可觀察。（2）場(chǎng)深大，三百倍于光學(xué)顯微鏡。適用于粗糙表面和斷口，甚至孔洞縫隙中細(xì)微情況的觀察。圖像富有立體感，易于識(shí)別和解釋。（3

5、）放大倍數(shù)在15 200000倍范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，分辨率高，能達(dá)到3 6nm。（4）可進(jìn)行多功能分析。采用雙放大倍數(shù)裝置或圖像選擇器，可在熒光屏上同時(shí)觀察不同放大倍數(shù)或不同形式 的圖像?？墒褂眉訜帷⒗鋮s和拉伸等樣品臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，觀察各種環(huán)境條件下的相變及形態(tài)變化等。2.3 掃描電鏡應(yīng)用概述SEM在無(wú)機(jī)非金屬材料研究中的應(yīng)用。無(wú)機(jī)非金屬材料主要包括陶瓷玻璃、耐火材料、水泥和混凝土及復(fù)合材料等。耐火材料顯微結(jié)構(gòu)的形成是有生產(chǎn)過(guò)程中的物理化學(xué)變化和機(jī) 械加工因素決定的，同類(lèi)型的耐火材料顯微結(jié)構(gòu)的差異將影響耐火制品的技術(shù)性能和使用效 果。借助SEM的觀察，我們可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)合理的顯微結(jié)構(gòu)以提

6、高耐火材料的 性能和延長(zhǎng)使用壽命。陶瓷材料屬于多晶體，其物像種類(lèi)可分為晶體、 玻璃和氣相，陶瓷中晶粒的細(xì)化和均化能穩(wěn)定和提高材料的某些性能。課通過(guò)對(duì)粉體的處理使之保持較狹窄的粒級(jí)分布，或引入合適的第二相以及均勻地加壓成形，預(yù)燒等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用SEM可以觀察到晶粒的改變，從而對(duì)預(yù)燒進(jìn)行監(jiān)控，獲得性能較好的陶瓷。利用SEM進(jìn)行材料組織的形貌觀察。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SEM來(lái)判斷和分析。SEM的樣品制備簡(jiǎn)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(dòng)，還能夠根據(jù)觀察需要進(jìn)行空間移動(dòng)，以利于使用者對(duì)感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分

7、析。掃描電子顯微鏡的圖像真實(shí)、清晰、富有立體感，廣泛應(yīng)用金屬斷口和顯微組織三維形態(tài)的觀察研究方面。利用SEM進(jìn)行鍍層表面形貌分析和深度檢測(cè)。金屬材料零件在使用過(guò)程中會(huì)受外界環(huán) 境的侵蝕發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，需要進(jìn)行磷化等表面防腐處理對(duì)母體進(jìn)行保護(hù)。由于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的局限性，而掃描電鏡卻可以很容易的完成鍍層表面的形貌分析和深度檢測(cè)。SEM如果配有X射線能譜和X射線波普成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分等信息。 可以使用SEM對(duì)材料內(nèi)部夾雜物進(jìn)行定位鑒定。SEM還可以對(duì)顯微組織及超微尺寸材料進(jìn)行研究，如鋼鐵材料中的回火托氏體和下貝氏體等顯微組織細(xì)密的組織。 進(jìn)行鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和缺陷分析，

8、如鑄坯裂紋、氣泡、中心縮孔；軋制過(guò)程造成的機(jī)械劃傷、 折疊、氧化鐵皮壓入等等。因 SEM的分辨率高，可從新鮮斷口上獲得更為全面的信息。利用SEM的高溫樣品臺(tái)，可以觀察材料在加熱過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變的過(guò)程，研究不同材料 在熱狀下轉(zhuǎn)變的差異。 在材料工藝性能研究方面，可以直接觀察組織形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。拉伸樣品臺(tái)可預(yù)先制造人工裂紋，研究在有預(yù)裂紋的情況下材料對(duì)裂紋大小的敏感性以及裂紋的 擴(kuò)展速度，有益于材料斷裂韌性的研究。3 XRDx射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì) （晶體或非晶 體）進(jìn)行衍射分析時(shí)，該物質(zhì)被X射線照射產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象 ，物質(zhì)組成、晶型、分 子內(nèi)成鍵方式、分

9、子的構(gòu)型、構(gòu)象等決定該物質(zhì)產(chǎn)生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無(wú)污染、快捷、測(cè)量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。因 此,X射線衍射分析法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分析的一種現(xiàn)代科學(xué)方法，已逐步在各學(xué)科研究和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。日常所用材料（金屬、聚合物、石料和藥品等）的絕大多數(shù)都是結(jié)晶體， 而材料的各種性能都與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)，故研究晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、并據(jù)此改進(jìn)材料或研制新材料是材料研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的方法有很多，但應(yīng)用最普遍、最重要的一種方法就是 X射線衍射，因?yàn)樗梢栽诓煌瑢用嫔媳碚鞑牧系亩喾N結(jié) 構(gòu)參數(shù)，這是許多其他方法所不能取代的。3.1 XR

10、D基本原理x射線同無(wú)線電波、可見(jiàn)光、紫外線等一樣 ，本質(zhì)上都屬于電磁波，只是彼此之間占據(jù) 不同的波長(zhǎng)范圍而已。 X射線的波長(zhǎng)較短，大約在10-8 -10-10 cm之間。X射線分析儀器 上通常使用的 X射線源是X射線管，這是一種裝有陰陽(yáng)極的真空封閉管 ，在管子兩極間加 上高電壓，陰極就會(huì)發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽(yáng)極靶 ，從而產(chǎn)生X射線。當(dāng)X射線照射 到晶體物質(zhì)上，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成 ，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的 X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn) 生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相不同的晶體物質(zhì)具有自己

11、獨(dú)特的衍射花樣，這就是X射線衍射的基本原理關(guān)。3.2 XRD應(yīng)用概述由X射線衍射原理可知，物質(zhì)的X射線衍射花樣與物質(zhì)內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。每種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù) (包括晶體Z勾類(lèi)型，晶胞大小，晶胞中原子、離子或分子的位 置和數(shù)目等)。因此，沒(méi)有兩種不同的結(jié)晶物質(zhì)會(huì)給出完全相同的衍射花樣。通過(guò)分析待測(cè) 試樣的X射線衍射花樣，不僅可以知道物質(zhì)的化學(xué)成分 ，還能知道它們的存在狀態(tài)，即能知 道某元素是以單質(zhì)存在或者以化合物、混合物及同素異構(gòu)體存在。同時(shí) ，根據(jù)X射線衍射 試驗(yàn)還可以進(jìn)行結(jié)晶物質(zhì)的定量分析、晶粒大小的測(cè)量和晶粒的取向分析。目前 ，X射線衍 射技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的材料分析與

12、研究工作中。主要有以下幾種：(1)物相鑒定 物相鑒定是指確定材料由哪些相組成和確定各組成相的含量，主要包括定性相分析和定量相分析。(2)點(diǎn)陣參數(shù)的測(cè)定 點(diǎn)陣參數(shù)是物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù) ，任何一種晶體物質(zhì) 在一定狀態(tài)下都有一定的點(diǎn)陣參數(shù)。(3)微觀應(yīng)力參數(shù)的測(cè)定 微觀應(yīng)力是指由于形變、相變、多相物質(zhì)的膨脹等 因素引起的存在于材料內(nèi)各晶粒之間或晶粒之中的微區(qū)應(yīng)力。(4)結(jié)晶度的測(cè)定 結(jié)晶度是影響材料性能的重要參數(shù)。(5)納米材料粒徑的表征 采用X射線衍射線線寬法(謝樂(lè)法)可以測(cè)定納 米粒子的平均粒徑。(6)晶體取向及織構(gòu)的測(cè)定晶體取向的測(cè)定又稱(chēng)為單晶定向 ，就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標(biāo)系

13、的位向關(guān)系。4粉末試樣的掃描電鏡觀察方法目前，越來(lái)越多的粉末試樣用掃描電鏡進(jìn)行研究。掃描電鏡分辨率高、景深大，能提供 粉末的顯微形貌信息并可測(cè)定粉末的幾何尺寸。用掃描電鏡觀察粉末試樣， 涉及三個(gè)主要因素：(1)掃描電鏡本身的分辨率。分辨率愈高，觀察粉末形貌愈清晰；(2)放大倍數(shù)與粉末顆粒尺寸要匹配。觀察小顆粒試樣，放大倍率為幾千倍甚至萬(wàn)倍時(shí)才能觀察出粒界情況。在觀察大顆粒時(shí)，只需很小的放大倍率，這時(shí)需考慮低倍畸變和景深 問(wèn)題；(3)試樣制備技術(shù)。粉末試樣的制備很重要，直接影響觀察效果和拍攝圖象的清晰度。4.1 粉末試樣的制備要求對(duì)粉末試樣的制作要求是：(1)為研究粉末顆粒的形貌特征和幾何尺寸，

14、選擇的試樣要有代表性；(2)要求粉末顆粒能很好地分散開(kāi)，所以各種粉末試樣均需進(jìn)行分散處理。在分散過(guò) 程中，如果使用分散劑，應(yīng)嚴(yán)防溶解、變形或沾污粉末 ，并要防止結(jié)塊或凝聚；(3)粉末顆粒要牢固地粘附于樣品座上，要避免粉末脫落，影響觀察與分析，并防止沾污電子光學(xué)系統(tǒng)；(4)試樣要有良好的導(dǎo)電性能，非導(dǎo)電粉末試樣或制樣中使用了不導(dǎo)電的固定劑，均需進(jìn)行鍍膜處理。4.2 粉末試樣的分散方法和固定方法4.2.1 平均粒度 5 m粉末的分散方法(1)取少許粉末，放入小燒杯中，再向杯中注入無(wú)水酒精；(2)將此燒杯置于超聲波清洗器中，進(jìn)行超聲振蕩數(shù)分鐘；(3)用玻璃棒或滴管取1-2滴有代表性的懸浮液，滴在備好

15、的試樣座上，待溶劑揮發(fā)后 在試樣座上便留下分散好的粉末。 這些粉末與試樣座之間靠靜電引力，以及酒精在蒸發(fā)過(guò)程 中產(chǎn)生的表面張力作用，使粉末牢固地吸附在試樣座上。4.2.2 平均粒度5 m粉末的分散與固定法將這種顆粒較大的粉末置于油光紙上，輕輕地振蕩使其分散，用稀釋的聚乙烯醇(或其它膠)將分散好的粉末粘到試樣座上。4.2.3 鍍膜方法固定好的粉末試樣、表面必須噴鑲一層導(dǎo)電膜，一般用離子濺射儀鍍金，厚度20 一30nm。金膜不僅有很高的導(dǎo)電性，同時(shí)還具有粘附粒子的作用.增強(qiáng)粘附力。如果有條件，好先噴一層碳，因?yàn)樘剂Ｗ痈?能夠更好地填充粉末與基座及粉末之間的空隙。然后表面再噴金。4.3 粉末試樣的

16、實(shí)例觀察方法以JSM 80掃描電鏡為例其工作參數(shù)如下 ：(1)加壓電壓的選擇從分辨率考慮，加速電壓愈高 .分辨率愈高。由于粉末顆粒之間是點(diǎn)接觸，顆粒與試座 之間也是點(diǎn)接觸.所以其導(dǎo)電性不如塊狀試樣，電壓高有增加積累電荷的危險(xiǎn)性。所以現(xiàn)察 粉末試樣時(shí)，要選擇比較低的加速電壓， 還要保證較高的分辨率。 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，用1015keV 加速電壓最好。(2)探針電流的選擇電子束直徑隨探針電流的增加而增大。為獲得高分辨率的圖象，電子束直徑愈小愈好。這就需要增大聚光鏡勵(lì)磁，使探針電流變小，這將導(dǎo)致二次電子的信號(hào)變?nèi)?所以圖象的信，嗓比將變小。使圖象質(zhì)量降低。綜合考慮 .粉末試樣吸收電流用 10-1010-

17、11A時(shí)。圖象質(zhì)量很好。觀案實(shí)例4.3.1 大晶粒粉末的形貌現(xiàn)寮以鴇粉為例，形貌圖象見(jiàn)圖1圖1鴇粉晶粒形貌由圖1可見(jiàn)，鴇粉晶粒很大。粒徑約幾口到十幾 口。最小的也有5 m 。此種鴇粉是結(jié)晶完整的多面體棱角分明，有規(guī)則形狀。4.3.2 中等顆粒粉末的形貌觀察粒徑為幾個(gè)m的粉末形貌觀察，用碳化鴇粉未為例進(jìn)行。圖2碳化鴇顆粒形貌由圖2明顯可見(jiàn)，碳化鴇最小粒徑約 3師，最大粒徑約7師,碳化鴇顆粒呈球形、 橢球形和團(tuán)狀，并且碳化鴇顆粒是由眾多的微晶聚合在一起，而成為一個(gè)大顆粒。4.3.3 粒徑5叩粉末的形貌觀察一種小顆粒的碳化鴇粉末。其形貌圖象見(jiàn)圖3。圖3 WC-5顆粒形貌4.3.4 粒徑1um的的微細(xì)

18、粉末形貌觀察（S4800掃描電鏡）用微細(xì)的 W-La粉末進(jìn)行觀察，見(jiàn)圖 4。圖4 W-La顆粒形貌圖4可見(jiàn)W-La粉末是條形和球形，球形粒徑尺寸大致0.1 g,條形彳5尺寸0.1 口左右,其長(zhǎng)度從0.1到0.5 g 可見(jiàn)長(zhǎng)條形顆粒是球形顆粒相互長(zhǎng)在一起形成，且此過(guò)程中遵循一定的規(guī)則。5粉末X射線分析方法x射線衍射分析的應(yīng)用非常廣泛。隨著科技的發(fā)展，衍射儀不斷改進(jìn)，使物相分析從定性發(fā)展到定量，并可進(jìn)一步研究晶粒尺寸、外形和尺寸分布，以及存在于晶粒內(nèi)的微應(yīng)變、 缺陷和堆垛層錯(cuò)等，本文主要介紹物相分析。晶體的X射線衍射圖譜是對(duì)晶體微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)形象的變換，每種晶體結(jié)構(gòu)與其X射線衍射圖之間有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，任何一種晶態(tài)物質(zhì)都有自己獨(dú)特的X射線衍射圖，而且不會(huì)因?yàn)榕c其它物質(zhì)混合在一起而發(fā)生變化，這就是X射線衍射法進(jìn)行物相分析的依據(jù)。物相分析的步驟是：(1)樣品制備：粉末樣品裝填到樣品框中，用玻璃板壓平，使樣品面與玻璃表面齊平，固 定于衍射儀樣品臺(tái)上。(2)開(kāi)機(jī)操作：打開(kāi)X射線衍射儀控制系統(tǒng)軟件， 在打開(kāi)的界面上點(diǎn)擊左上角 “數(shù)據(jù)采集” 選項(xiàng)，在相應(yīng)的欄目中根據(jù)測(cè)試需要設(shè)置掃描速度、采樣時(shí)間、量程、起始角度及停止角度 等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“開(kāi)始數(shù)據(jù)采集”選項(xiàng) ，開(kāi)始樣品測(cè)試，得到衍射圖譜。(3)測(cè)試完畢后，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，存入電腦硬盤(pán)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、扣除 背