“材料分析測試技術(shù)”研究型綜合性實(shí)驗設(shè)計

遲 靜, 吳 杰

(山東科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

任何一種材料的宏觀性能都是由其微觀組織結(jié)構(gòu)決定的,對材料的微觀組織進(jìn)行分析檢測是非常重要的,它是探討材料失效機(jī)制和研發(fā)新材料的必備基礎(chǔ)[1-2]。“材料分析測試技術(shù)”是材料類專業(yè)的必修課程,主要講授基于電磁輻射及運(yùn)動粒子束與物質(zhì)相互作用建立的衍射分析、電子顯微分析和電子能譜分析等。作為一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程,針對每種測試方法開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗,在真實(shí)的測試環(huán)境中對材料進(jìn)行檢測,使學(xué)生在掌握理論原理的基礎(chǔ)上,具備儀器使用和數(shù)據(jù)處理的能力。然而,在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(論文),開展科技創(chuàng)新活動以及考研復(fù)試的過程中,卻頻繁出現(xiàn)學(xué)生不知如何利用測試結(jié)果對材料進(jìn)行分析的情況。追本溯源,“材料分析測試技術(shù)”課程雖開設(shè)了X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子探針(EPMA)等實(shí)驗,但實(shí)驗設(shè)計是根據(jù)測試儀器的特性,從測試數(shù)據(jù)利于學(xué)生理解的角度,分別選擇合適的材料進(jìn)行檢測。例如：對A材料進(jìn)行XRD測試,標(biāo)定物相組成；對B材料進(jìn)行SEM測試,分析微觀組織；對C材料進(jìn)行EPMA測試,獲得微區(qū)成分。實(shí)驗內(nèi)容相互獨(dú)立,實(shí)驗性質(zhì)為驗證性,由單一的數(shù)據(jù)即可得到確定的結(jié)果。而實(shí)際的材料研究是需要多種測試數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián),相互支撐,進(jìn)行綜合分析才能獲得結(jié)果。因此,為提高學(xué)生的分析測試能力,開展研究型綜合性課程實(shí)驗十分必要。

1 實(shí)驗

1.1 實(shí)驗設(shè)計

碳化鎢(WC)陶瓷顆粒硬度高,熱膨脹系數(shù)小,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,與Ni金屬具有良好的潤濕性[3-5],WC-Ni復(fù)合材料將陶瓷顆粒的高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性與金屬粘結(jié)相良好的韌性有機(jī)結(jié)合,在礦物開采、石油鉆探和金屬切削等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6-8]。以WC-Ni復(fù)合材料為研究對象,設(shè)計“材料分析測試技術(shù)”課程的研究型綜合性實(shí)驗,不預(yù)先告知學(xué)生材料的相關(guān)信息。利用XRD、SEM和EPMA對材料進(jìn)行測試,使學(xué)生熟悉儀器操作和樣品制備要求,掌握X射線衍射物相鑒定原理、電子束與樣品作用的成像原理和X射線能量色散譜儀(EDS)的成分分析原理。對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析,確定材料的物相組成和微觀組織形貌,并結(jié)合制備工藝探究材料形成機(jī)理,使學(xué)生清晰材料研究思路,學(xué)會數(shù)據(jù)處理方法,具備綜合分析能力。

1.2 實(shí)驗內(nèi)容

樣品經(jīng)線切割尺寸為10 mm×10 mm×10 mm,對待測表面進(jìn)行砂紙粗磨和金剛膏拋光。利用RIKAKA D/Max 2500PC 型X射線衍射儀測試物相組成,X射線源為Cu靶發(fā)射的K譜線(為0.154 2 nm),測試角度為20～120,掃描速度為6/min。在Nova Nano SEM450場發(fā)射高分辨掃描電鏡上觀察微觀組織,以二次電子像和背散射像兩種模式成像。微區(qū)成分檢測采用JXA-8230型電子探針,對相關(guān)區(qū)域分別進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1 SEM微觀組織分析

圖1為樣品的SEM顯微組織圖像,圖1(a)為二次電子像,圖1(b)為背散射電子像。從圖1可以看出,相同的微觀組織以不同的成像方式獲得了襯度不同的圖像,這是由成像信號的產(chǎn)生原理決定的。高能量的電子束與樣品表面發(fā)生作用,由于樣品原子的核外電子與原子核的結(jié)合能較小,因此在入射電子束的作用下,可以離開原子成為自由電子。當(dāng)這些自由電子從材料逸出到真空中時,稱為二次電子。二次電子的產(chǎn)額隨樣品表面法線與入射電子束的傾角增大而增多,因此以其強(qiáng)度作為亮度調(diào)節(jié)信號所得的圖像反映了樣品的表面形貌[9]。圖1(a)顯示樣品中有2種襯度不同的組織,亮色組織為矩形或三角形顆粒,暗色組織填充于顆粒之間。樣品在測試前進(jìn)行了粗磨和拋光,經(jīng)歷了磨粒磨損過程,硬度高的顆粒磨損程度小,在易磨損組織表面突出,產(chǎn)生的二次電子多,相對應(yīng)的圖像亮度高。

圖1 樣品的SEM圖像

圖1(b)是背散射電子像,以背散射電子的強(qiáng)度作為信號調(diào)制圖像亮度。背散射電子是被樣品原子反彈回去的一部分入射電子,其產(chǎn)額隨樣品原子序數(shù)增大而增多,所以背散射像的襯度反映了組織的成分信息[9]。圖1(b)中的亮色組織對應(yīng)于圖1(a)中的突起顆粒,它的原子序數(shù)要高于暗色組織。值得注意的是,圖1(b)的襯度有3種,顏色最暗的呈黑色斑點(diǎn)狀,與圖1(a)對照可以發(fā)現(xiàn),它們是材料中存在的孔洞。被入射電子束激發(fā)產(chǎn)生的二次電子或背散射電子從凹坑或孔洞逸出的過程中,會被周圍材料大量吸收,強(qiáng)度減弱,在圖像上亮度最低。通過分析得出,樣品主要由2種組織構(gòu)成,顆粒狀組織原子序數(shù)高,耐磨性好；相對而言,另一組織韌性好,起到粘結(jié)耐磨顆粒的作用。

2.2 EDS成分分析

采用EPMA對樣品進(jìn)行EDS測試,結(jié)果如圖2所示。點(diǎn)分析是用電子束轟擊選定微區(qū),激發(fā)出所含元素的特征X射線,從而確定微區(qū)的元素種類及含量。圖2(a)和圖2 (b)顯示顆粒狀組織由C和W元素組成,周圍粘結(jié)相主要成分是Ni,含有少量的W。線分析是電子束在樣品表面沿著給定直線路徑進(jìn)行掃描,得到元素沿直線的特征X射線強(qiáng)度變化,用于表征元素的濃度分布情況[10],顆粒組織中C和W分布均勻,沒有明顯的濃度變化，見圖2(c)和(d)。圖2(e)和(f)是面分析結(jié)果,電子束在樣品表面做二維光柵掃描,以激發(fā)出的元素特征X射線的強(qiáng)度調(diào)節(jié)圖像亮度,所以圖像越亮代表該元素的含量越高[10]。圖2(e)中W元素主要分布在顆粒組織內(nèi),周圍粘結(jié)相以Ni元素為主，見圖2(f)。

圖2 樣品的EDS成分分析結(jié)果

2.3 XRD物相組成分析

樣品在X射線的作用下會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,衍射花樣由物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)決定,每種物質(zhì)都有自己獨(dú)特的衍射譜；多晶材料的衍射數(shù)據(jù)是多物相衍射花樣的機(jī)械疊加,因此根據(jù)XRD譜圖可以進(jìn)行多晶材料的物相定性分析[11]。由EDS結(jié)果可知,樣品的成分組成為C、W和Ni元素,因此選擇這3種元素作為物相組成的可能元素,利用Jade軟件進(jìn)行XRD物相標(biāo)定和Origin繪圖,如圖3所示。

可以看出樣品由WC和Ni 2種物相組成。根據(jù)PDF卡片信息,標(biāo)注了各衍射峰的晶面指數(shù)。

XRD譜圖的衍射強(qiáng)度反映了樣品物相的相對含量,衍射強(qiáng)度隨物相含量的增加而提高,但由于物質(zhì)的吸收系數(shù)不同等因素的影響,強(qiáng)度和含量不呈簡單的正比關(guān)系,需要根據(jù)衍射數(shù)據(jù)通過實(shí)驗方法得出物相含量[11]。以-Al2O3為內(nèi)標(biāo)物質(zhì),依據(jù)參比強(qiáng)度法[9]對樣品中WC和Ni的相對含量進(jìn)行計算,見式(1)。

(1)

綜合SEM、EDS和XRD的分析結(jié)果,可以得出樣品由WC和Ni 2種物相組成,其中WC的相對含量為68.58%；WC呈三角形或矩形顆粒,顆粒內(nèi)部W、C元素分布均勻,具有良好的耐磨性；Ni為粘結(jié)相,韌性高,將彌散分布的WC顆粒連接在一起構(gòu)成WC-Ni復(fù)合材料。

3 實(shí)驗拓展

3.1 實(shí)驗內(nèi)容拓展,探討材料形成機(jī)理

指導(dǎo)教師把樣品的制備工藝告知學(xué)生,引導(dǎo)學(xué)生在物相組成和微觀形貌分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工藝探討材料的形成機(jī)理,明晰材料研究思路。樣品原料粉末為W粉和C粉,按照摩爾比1∶1混合均勻,在75 MPa壓力下壓制成片,尺寸為20 mm10 mm。實(shí)驗采用熱爆合成—自發(fā)熔滲技術(shù),W-C粉末壓片放在感應(yīng)線圈中部的坩堝內(nèi),壓片上放置Ni塊。實(shí)驗時采用氬氣為保護(hù)氣,感應(yīng)功率為2.5 kW,溫度升到1 800 K時保溫90 s,隨后停止加熱,經(jīng)自然冷卻獲得樣品。

原料粉末為W粉和C粉,樣品的物相為WC(見圖3),這說明W粉和C粉在制備過程中經(jīng)過原位反應(yīng)生成了WC,反應(yīng)式見式(2)。根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)[12],計算得出W-C反應(yīng)的吉布斯自由能與溫度(ΔG-T)關(guān)系曲線(見圖4)。Ni的熔點(diǎn)為1 728 K,圖4顯示在較低溫度下W-C反應(yīng)的ΔG小于零,反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行,所以在Ni塊熔化前即發(fā)生了式(2)反應(yīng)生成了WC。隨溫度升高,Ni塊熔化滲入壓片,實(shí)驗最高溫度為1 800 K,WC熔點(diǎn)(3 143 K)遠(yuǎn)高于Ni熔體溫度,因此WC不能熔化,應(yīng)是溶解在熔體中。加熱停止降溫過程中,溶解的WC從熔體中重新結(jié)晶析出,即WC依靠溶解—析出機(jī)制[13-15]與Ni形成了WC-Ni復(fù)合材料。

W+C=WC

(2)

圖4 W-C反應(yīng)的ΔG-T關(guān)系曲線

3.2 實(shí)驗材料拓展,注重研究能力培養(yǎng)

實(shí)驗綜合了XRD、SEM和EPMA多種測試技術(shù),以WC-Ni復(fù)合材料的研究為例,分析了材料的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分,并探討了材料的形成機(jī)理。本實(shí)驗?zāi)Ｊ竭m合于材料學(xué)科各專業(yè)的“材料分析測試技術(shù)”課程實(shí)驗,實(shí)驗材料可根據(jù)學(xué)生的專業(yè)合理選擇。由于實(shí)驗所用設(shè)備均屬于大型儀器,各自只有1臺(套)供實(shí)驗教學(xué),為在有限的實(shí)驗條件下更加有效地提高學(xué)生的分析能力,實(shí)驗以小組形式進(jìn)行,每組包括5～8名學(xué)生,每組選擇不同的測試材料,進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,實(shí)驗報告要求對2種以上材料進(jìn)行分析,有興趣的學(xué)生可以處理多組數(shù)據(jù)。

該實(shí)驗設(shè)計滿足了不同層次學(xué)生的需求,不僅使學(xué)生掌握了分析測試方法,能夠利用課程知識對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行合理解釋；更重要的是,這種研究型綜合性的實(shí)驗?zāi)Ｊ脚c實(shí)際的材料科學(xué)研究過程相同,使學(xué)生更加深入地理解了材料研究方式,激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,利于對學(xué)生研究能力的培養(yǎng),為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗、畢業(yè)論文(設(shè)計)和“國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目”“‘挑戰(zhàn)杯’全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”等課外科技活動提供了必備的能力基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本實(shí)驗屬于“材料分析測試技術(shù)”課程的一個研究型綜合性實(shí)驗,實(shí)驗設(shè)計從課程教學(xué)目標(biāo)出發(fā),選擇學(xué)科熱點(diǎn)材料,采用多種現(xiàn)代大型分析測試儀器進(jìn)行表征,利用理論原理對數(shù)據(jù)綜合分析,結(jié)合制備工藝探討材料形成機(jī)制。實(shí)驗將課程內(nèi)容與學(xué)科前沿相結(jié)合,鞏固了學(xué)生對課程基礎(chǔ)知識的掌握,提高了學(xué)生的材料分析測試能力,加深了學(xué)生對材料研究思路的理解；實(shí)驗使學(xué)生更好地了解學(xué)科研究動態(tài),激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)了學(xué)生的科研素養(yǎng),為學(xué)生開展科技創(chuàng)新活動和畢業(yè)論文(設(shè)計)奠定了良好基礎(chǔ)。