材料现代研究方法-第一章-组织形貌分析概论PPT课件

1 材料现代研究方法ModernMethodsofMaterialsAnalysis 天津大学材料科学与工程学院 2 参考书目 杜希文 原续波主编 材料分析方法 天津大学出版社 教材 刘文西等著 材料结构电子显微分析 天津大学出版社李润卿 范国梁 渠荣遴编著 有机结构波谱分析 天津大学出版社范雄主编 X射线金属学 机械工业出版社 3 课程内容 第一篇组织形貌分析第二篇晶体物相分析第三篇成分和价键 电子 结构分析第四篇分子结构分析 4 第1篇组织形貌分析 第一章组织形貌分析概论 5 第一章组织形貌分析概论 1 组织形貌分析的含义和发展阶段2 光学显微镜3 电子显微镜4 扫描探针显微镜 6 1 1组织形貌分析的含义 7 1 1组织形貌分析的含义 组织形貌或微观结构 包括材料的外观形貌 晶粒大小与形态 各种相的尺寸与形态 含量与分布 界面 表面 相界 晶界 位向关系 新相与母相 孪生相 晶体缺陷 点缺陷 位错 层错 夹杂物 内应力 微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要 下一标题页 8 钛靶局部被单脉冲激光烧蚀 1018号钢的断口 塑性断裂 金纳米线 韧窝状形貌和夹杂物 回标题页 高分子聚合物薄膜断口 9 铁素体的晶粒和晶界 奥氏体 铁素体双相组织灰色 铁素体相 含量40 50 白色 奥氏体相 回标题页 10 Si表面 111 原子图像 Si原子空位 PbMoO4 001 面的位错蚀坑 PbMoO4垂直于 001 面的位错蚀坑 回标题页 11 1 2组织形貌显微技术的三个发展阶段 组织形貌分析借助各种显微技术认识材料的微观结构 人们对微观世界的探索 就是建立在不断发展的显微技术之上的 组织形貌分析的显微技术经历了光学显微镜 OM 电子显微镜 SEM 扫描探针显微镜 SPM 的发展过程 观测显微组织的能力不断提高 现在已经可以直接观测到原子的图像 12 0 1 1 10 100 1000 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 放大倍率 分辨率 10 7 10 9 10 10 10 11 10 12 0 01 0 001 10 8 10 6 nm m 1 2组织形貌显微技术的三个发展阶段 13 它的最高分辨率为0 2 m 是人眼的分辨率的500倍 2 1光学显微镜简介 光学显微镜最先用于在医学及生物学方面 直接导致了细胞的发现 在此基础上形成了19世纪自然科学三大发现之一 细胞学说 应用 观察金属或合金的晶粒大小和特点等 无机非金属材料的岩相分析等 研究高聚物的结晶形态 取向过程等 14 铁素体的晶粒和晶界 奥氏体 铁素体双相组织灰色 铁素体相 含量40 50 白色 奥氏体相 Ni Cr合金的铸造组织 15 2 2光学显微镜的分辨率 分辨率是可分辨的两点间的最小距离 制约光学显微镜分辨率的因素是光的衍射 衍射使物体上的一个点在成像的时候不会是一个点 而是一个衍射光斑 如果两个衍射光斑靠得太近 它们将无法被区分开来 分辨率与照明源的波长直接相关 若要提高显微镜的分辨率 关键是要有短波长的照明源 紫外线波长和X射线虽然波长比可见光短 但用作显微镜照明源存在局限性 16 2 2光学显微镜的分辨率 绝大多数物质都强烈地吸收紫外线 因此 可供照明使用的紫外线限于波长200 250nm的范围 用紫外线作照明源 用石英玻璃透镜聚焦成像的紫外线显微镜分辨本领可达l00nm左右 比可见光显微镜提高了一倍 X射线波长在10 0 05nm范围 射线的波长更短 但是由于它们直线传播且具有很强的穿透能力 不能直接被聚焦 不适用于显微镜的照明源 波长短 又能聚焦成像的新型照明源成为迫切需要 17 3 1电子显微镜发展历程 1924年 德布罗意提出 运动的实物粒子 电子 质子 中子等 都具有波动性质 后来被电子衍射实验所证实 1926年布施提出用轴对称的电场和磁场聚焦电子束 在这两个理论基础上 1931 1933年鲁斯卡等设计并制造了世界第一台透射电子显微镜 目前分辨率可达0 2nm 利用电子的波动性 用于组织形貌分析的扫描电子显微镜是在1952年由英国工程师CharlesOatley发明的 分辨率达1 0nm 利用电子的粒子性 物质波的波长与其动量关系 h p 200 300kV加速电压下 电子束波长为0 025nm 18 3 2扫描电子显微镜简介 扫描电子显微镜是将电子枪发射出来的电子聚焦成很细的电子束 用此电子束在样品表面进行逐行扫描 电子束激发样品表面发射二次电子 二次电子被收集并转换成电信号 在荧光屏上同步扫描成像 由于样品表面形貌各异 发射二次电子强度不同 对应在屏幕上亮度不同 得到表面形貌像 目前扫描电子显微镜的分辨率已经达到了1nm左右 扫描电镜与X射线能谱配合使用 使得我们在看到样品的微观结构的同时 还能分析样品的元素成分及在相应视野内的元素分布 19 钛靶局部被单脉冲激光烧蚀 1018号钢的断口 塑性断裂 金纳米线 韧窝状形貌和夹杂物 高分子聚合物薄膜断口 20 头发分叉处 红血球 脑神经元 100 m 6 9 m 100 m 10 m 白血球 21 4 1扫描探针显微镜简介 1981年 IBM公司的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜 完全失去了传统显微镜的概念 扫描隧道显微镜依靠所谓的 隧道效应 工作 它没有镜头 使用一根金属探针 在探针和物体之间加上一定偏压 几十mV 当探针距离物体表面很近 纳米级 隧道效应就会起作用 电子会穿过物体与探针之间的空隙 形成一股微弱的电流 如果探针与物体的距离发生变化 电流会呈指数级改变 这样 通过测量电流可以探测物体表面的形状 分辨率可以达到原子的级别 埃 10 10m 22 4 2扫描隧道显微镜图像 1981年 硅原子像 7X7 硅 111 7X7 原子图像 23 图中的 IBM 是由单个氙 Xe 原子构成的 4 3STM对单原子和分子的操纵 24 三位诺贝尔物理学奖获得者 从左至右依次是ErnstRuska GerdBinnig和HeinrichRohrer分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖 25 第1篇组织形貌分析 第二章光学显微技术 26 第二章光学显微技术 1 光学显微镜的发展历程2 光学显微镜的成像原理3 光学显微镜的构造和光路图4 显微镜的重要光学参数5 样品制备 27 1 1光学显微镜的四个发展阶段 1590年 荷兰的詹森父子 HansandzachriasJanssen 制造出第一台原始的 放大倍数约为20倍的显微镜 1610年 意大利物理学家伽利略 Galileo 制造了具有物镜 目镜及镜筒的复式显微镜 左图 1665年 英国物理学家罗伯特 胡克 RobertHooke 用这台复式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构 称为 细胞 由此引起了细胞研究的热潮 1684年 荷兰物理学家惠更斯 Huygens 设计并制造出双透镜目镜 惠更斯目镜 是现代多种目镜的原型 这时的光学显微镜已初具现代显微镜的基本结构 右图 28 1 2恩斯特 阿贝 在显微镜的发展史中 贡献最为卓著的是德国的物理学家 数学家和光学大师恩斯特 阿贝 ErnstAbbe 他提出了显微镜的完善理论 阐明了成像原理 数值孔径等问题 在1870年发表了有关放大理论的重要文章 两年后 又发明了油浸物镜 并在光学玻璃 显微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩 29 2 光学显微镜的成像原理 2 1衍射的形成2 2阿贝成像原理 重点 30 2 1 1什么是波的衍射 光即电磁波 具有波动性质 光波在遇到尺寸可与光波波长相比或更小的障碍物或孔时 将偏离直线传播 这种现象叫做波的衍射 障碍物线度越小 衍射现象越明显 衍射现象可以用 子波相干叠加 的原理来解释 水波的衍射 31 光强 2 1 2狭缝衍射实验 狭缝中间连线b上每一点可以看成一个 点光源 向四面八方发射子波 子波之间相互干涉 叠加 在屏幕上形成衍射花样 整个狭缝内发出的光波在P0点的波程差为零 相干增强 形成中央亮斑 在P1处发生相干抵消 形成光强的低谷 在P2点处 从狭缝上缘和下缘发出的光波的波程差1 个波长 P2成为相干增强区的中心 称为第一级衍射极大值 32 由于衍射效应 物体上每个物点通过透镜成像后不会是一个点 而是一个衍射斑 埃利斑 如果两个衍射光斑靠得太近 它们将无法被区分开来 埃利斑第一暗环半径其中 n为物方介质折射率 光源波长 透镜孔径半角 M透镜放大倍数 nsin 数值孔径 埃利斑半径与照明光源波长成正比 与透镜数值孔径成反比 2 1 3衍射斑 33 2 2 1阿贝成像原理 重点 透射光显微镜的成像过程 光源 准平行相干光 物体 具有周期性结构 光通过细小的网孔时发生衍射 同一方向的衍射光成为平行光束 在后焦面上汇聚 凡是光程差满足 k 0 1 2 的 互相加强 形成0级 1级 2级衍射斑点 某个衍射斑点是由不同物点的同级衍射光相干加强形成的 同一物点上的光由于衍射分解 对许多衍射斑点有贡献 从同一物点发出的各级衍射光 在产生相应的衍射斑点后继续传播 在像平面上又相互干涉 形成物像 34 1 不同物点的同级衍射波在后焦面的干涉 形成衍射谱 2 同一物点的各级衍射波在像面的干涉 形成反映物的特征的物像 2 2 1阿贝成像原理 重点 阿贝成像原理可以简单地描述为两次干涉作用 当平行光束通过有周期性结构的物体时 35 2 2 2物与像之间的相似性 物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的 不让衍射光通过就不能成像 参与成像的衍射斑点愈多 则物像与物体的相似性愈好 像面 后焦面 36 3 光学显微镜的构造和光路图 目镜 物镜 聚光镜和光阑 反光镜 光学显微镜包括光学系统和机械装置两大部分 37 4 显微镜的重要光学技术参数 4 1数值孔径4 2分辨率 重点 4 3放大率和有效放大率4 4光学透镜的像差 38 4 1数值孔径 数值孔径 NA 是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率 n 和半孔径角 的正弦之乘积 NA nsin 表示物镜分辨细节的能力 孔径角是物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度 孔径角与物镜的有效直径成正比 与焦点的距离成反比 F 物镜 物点 39 4 1数值孔径 物镜的数值孔径和分辨率成正比 1 如果全部接收一级衍射光线 则图像基本不会失去细节 细节越微小 形成各级衍射斑点的衍射角越大 因此 物镜口径越大 即衍射角越大 则分辨率就越高 2 由于光的折射 物镜接收衍射光线的能力也强烈的依赖于在样品与镜头之间的介质 因此 数值孔径的概念更加能够有效的描述物镜的成像能力 物镜 油浸物镜 物点 40 4 2 1瑞利判据 分辨两埃利斑的判据 瑞利判据 两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0 此时 两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低19 肉眼刚刚能分辨是两个物点的像 41 4 2 2透镜的分辨率 两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0时 样品上相应的两个物点间距离 r0定义为透镜能分辨的最小距离 也就是透镜的分辨本领 或分辨率 透镜的分辨率由数值孔径和照明光源的波长两个因素决定 数值孔径越大 照明光线波长越短 分辨率就越高 42 4 3 1放大率和有效放大率 显微镜总的放大率 应该是物镜放大率 和目镜放大率 1的乘积 1无效放大倍率 有效放大倍率 当选用的物镜数值孔径不够大 即分辨率不够高时 显微镜不能分清物体的微细结构 此时即使过度地增大放大倍率 得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像 光学显微镜提供足够的放大倍数 把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度 43 4 3 2光学显微镜的有效放大率 人眼的分辨本领 r大约为0 2mm 光学显微镜分辨本领极限 r0大约为0 2 m 因此 光学显微镜的有效放大倍率为1000倍 为使人眼感到轻松 光学显微镜的最高放大倍数是1000 1500倍 有效放大倍数由下式确定 M有效 r r0 44 4 4光学透镜的像差 1 球面像差 简称球差 边缘与中心部分的折射光不能通过会聚相交于一点 45 2 色像差 由于组成白光的各色光波长不同 折射率不同 因而成像的位置也不同 4 4光学透镜的像差 46 3 像域弯曲 垂直于光轴的直立的物体经过透镜后会形成一弯曲的像面 称为像域弯曲 像域弯曲是几种像差综合作用的结果 4 4光学透镜的像差 47 5 样品制备 5 1取样5 2镶样5 3磨光5 4抛光5 5腐蚀 金相显微镜观察试样组织 48 5 1取样 取样应选择有代表性的部位 对于软材料 可以用锯 车 刨等加工方法 对于硬材料 可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法 对于硬而脆的材料 如白口铸铁 可以用锤击方法 在大工件上取样 可用氧气切割等方法 49 5 2镶样 用专门的镶样机 在合适的加热温度和压力下 将试样镶嵌在固化的树脂或塑料基体中 也可以采用机械镶嵌法 即用夹具夹持试样 50 5 3磨光 金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外 更重要的是应尽可能减少表层损伤 每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层 而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去 手工磨光时 本道工序的磨痕应与上一道工序的磨痕方向垂直 这样可以使试样磨面保持平整并平行于原来的磨面 51 5 4抛光 机械抛光 粗抛 精抛 电解抛光 电解抛光时 在试样表面上形成一层具有较高电阻的薄膜 试样凸起部分的膜比凹下部分薄 膜越薄电阻越小 金属溶解速度越快 从而使凸起部分渐趋平坦 化学抛光 化学抛光的原理与电解抛光类似 是化学药剂对试样表面不均匀溶解的结果 52 5 5腐蚀 1 化学腐蚀纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程 由于晶界上原子排列不规则 具有较高的自由能