扫描、透射电镜在材料科学中的应用

1、扫描、透射电镜在材料科学中的应用摘要：在科学技术快速发展的今天，人们不断需要从更高的微观层次观察、认识周围的物质世界，电子显微镜的发明解决了这个问题。电子显微镜可分为扫描电了显微镜简称扫描电镜 (SEM)和透射电子显微镜简称透射电镜 (TEM)两大类。本文主要介绍扫描、透射电镜工作原理、结构特点及其发展，阐述了其在材料科学领域中的应用。1扫描电镜的工作原理从电子枪阴极发出的直径20mm30mm的电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用，缩小成直径约几毫微米的电子探针。在物镜上部的扫描线圈的作用下，电子探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。这些电子信

2、号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度。显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像，这种图象反映了样品表面的形貌特征。2扫描电镜的构成主要包括以下几个部分：1.电子枪产生和加速电子。由灯丝系统和加速管两部分组成2.照明系统聚集电子使之成为有一定强度的电子束。由两级聚光镜组合而成。3.样品室样品台，交换，倾斜和移动样品的装置。4.成像系统像的形成和放大。由物镜、中间镜和投影镜组成的三级放大系统。调节物镜电流可改变样品成像的离焦量。调节中间

3、镜电流可以改变整个系统的放大倍数。5.观察室观察像的空间，由荧光屏组成。6.照相室记录像的地方。7.除了上述的电子光学部分外，还有电气系统和真空系统。提供电镜的各种电压、电流及完成控制功能。3扫描电镜在材料科学中的应用3.1.材料的组织形貌观察材料剖面的特征、零件内部的结构及损伤的形貌，都可以借助扫描电镜来判断和分析反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便，但其分辨率、放大倍数和景深都比较低而扫描电子显微镜的样品制备简单，可以实现试样从低倍到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析；扫描电子显微图

4、像因真实、清晰，并富有立体感，在金属断口和显微组织三维形态的观察研究方面获得了广泛地应用。3.2.镀层表面形貌分析和深度检测有时为利于机械加工，在工序之间也进行镀膜处理由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响，所以常常被作为研究的技术指标镀膜的深度很薄，由于光学显微镜放大倍数的局限性，使用金相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难，而扫描电镜却可以很容易完成使用扫描电镜观察分析镀层表面形貌是方便、易行的最有效的方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察。3.3.显微组织及超微尺寸材料的研究钢铁材料中诸如回火托氏体、下贝氏体等显微组织非常细密，用光学显微镜难以观察组织的

5、细节和特征在进行材料、工艺试验时，如果出现这类组织，可以将制备好的金相试样深腐蚀后，在扫描电镜中鉴别下贝氏体与高碳马氏体组织在光学显微镜下的形态均呈针状，且前者的性能优于后者。但由于光学显微镜的分辨率较低，无法显示其组织细节，故不能区分电子显微镜却可以通过对针状组织细节的观察实现对这种相似组织的鉴别在电子显微镜下（SEM），可清楚地观察到针叶下贝氏体是有铁素体和其内呈方向分布的碳化物组成。4透射电镜的工作原理由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致

6、密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。5透射电镜的构成电子束照明源和电磁透镜是透射电子显微镜有别于光学显微镜的两个最主要的组分。透射电子显微镜由以下几大部分组成：照明系统，成像光学系统；记录系统；真空系统;电气系统。成像光学系统，又称镜筒，是透射电镜的主体。6透射电镜在材料科学中的应用6.1 7055铝合金EDS分析铝合金在加工和热处理过程中，微观组织会发生一系列变化，但是有时候却很难分辨其微观组织的成

7、分，从而很难辨别微观组织与性能之间微妙的关系。此时我们可以借助能谱微区分析。在时效120/24h状态下，利用EDS分析晶粒内部基体上微区成分。在时效120/24h状态下，其基体主要化学成分为Al，Zn和Cu元素。在时效120/24h状态下，利用EDS分析晶界处微区成分。在时效120/24h状态下，其晶界区域主要化学成分为Al，Zn和Cu元素。但是由对比可发现，Cu和Zn的含量在晶界处比基体高一些，从而推断出晶界处的析出相中所含Cu和Zn元素比基体上高一些。7055铝合金是典型的热处理可强化高强铝合金，它有很高的强度和优良的力学性能。热处理过程中，在470/1h固溶时晶界变细，基体形成过饱和固溶

8、体； 120/1h时效时基体内有球状的GP区形成；时效120/24h，基体内部分GP区逐渐转变为棒状相。小结在材料学领域迅速发展的今天，电子显微镜为其研究插上了飞速发展的翅膀。在电子显微镜发展的同时，一些提高电镜的分析手段和分辨率的设备也得到了更进一步的发展，如像散器，高角度环形暗场技术，球差校正等。虽然现在电子显微镜已经发展到了一定的高度，但是仍需要在动态技术、低真空、高电压、高分辨率以及原位场技术方向发展。所以这给在电子显微学领域研究的科学家提出了更大的挑战，这些技术的成熟发展也需要很长一段路要走。参考文献1朱琳.扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用J.吉林化工学院学报，2007，（2）：81-84. 2吴立新,陈方玉.扫描电镜的发展及其在材料科学中的应用.武钢技术. 2005, (06): 36-40. 3刘维.电子显微镜的原理和应用J.现代仪器使用与维修， 1996，（1）：9-12. 4刘剑霜,谢锋等.扫描电子显微镜J.上海计量测试， 2003，（6）