掃描電子顯微鏡 在材料專業實踐教學中的應用與探索

梁剛 王振廷 王建永 張鶴

摘要：掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡都是廣泛應用于材料類專業的重要分析測試儀器，文章通過材料失效分析教學中掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡對拉伸試樣的對比，分析及實驗總結，初步探索出掃描電子顯微鏡在本科生實踐教學中的可行性，結果表明，掃描電子顯微鏡實踐教學效果比較理想。

關鍵詞：掃描電子顯微鏡;體視顯微鏡;實踐教學

《材料失效分析》實驗是我校材料類專業課程的課內實驗，本課程通過材料失效分析基本研究方法的介紹，使學生了解材料失效分析的原理和常用技術方法，掌握常見的判斷材料失效方式的重要依據，培養學生對零件失效斷口分析能力，為材料失效分析研究奠定基礎。體視顯微鏡一種具有正像立體感的顯微鏡，具有操作簡單，使用方便等特點，被廣泛地應用于材料宏觀表面觀察、失效分析、斷口分析等工業領域。但其放大倍數小，景深小，分辨能力低，影響其對材料拉伸斷口組織形貌的分析。掃描電子顯微鏡具有放大倍數變化范圍寬、景深大、立體感強、樣品制備簡單等特點，被廣泛應用在材料學、電子學、地質礦物學、醫學等領域。本文結合應用型本科院校教學經驗和本單位對本科生的實踐教學要求，通過實驗內容優化設計和經驗總結，初步探索出掃描電子電鏡在實踐教學中的應用。

1教學內容的實施

《材料失效分析》是本單位材料類本科生第6學期開設的教學課程，該課程實踐教學共2學時，實驗課一般為演示實驗教學。每班學生以30人計，15人/組分組上課，教學內容有掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡的結構介紹、工作原理、樣品制備、儀器操作、對金屬拉伸試樣的觀察分析。將工作原理、內部結構、材料樣品制備和上機測試過程，應用多媒體手段，幾部分內容整理成PowerPoint和視頻動畫，在實驗開展前一周拷貝給學生，讓學生做好實驗預習。實驗課程成績分為課前預習，出勤和實驗報告三部分。

我們通過對比的來講解兩種顯微鏡的不同。（1）樣品的制備。拉伸后的試樣可以直接放在體視顯微鏡上進行觀察，掃描電子顯微鏡由于試樣室內部空間有限，拉伸試樣高度不宜超過20mm。（2）工作原理。體視顯微鏡光采用可見光作為光源，利用光的反射和折射原理成像，掃描電子顯微鏡通過高能量電子束轟擊樣品表面，激發出樣品表面的各種物理信號成像。體視顯微鏡觀察倍數在200倍以下，分辨率0.2～0.5μm，掃描電子顯微鏡從幾倍到幾十萬倍連續變換，分辨率0.5nm。體視顯微鏡的景深比金相顯微鏡的大，是由于雙目鏡筒中的左右兩光束不是平行的，而是具有12°～15°體視角，因此成像具有一定三維立體感，但是，掃描電子顯微鏡的景深更大，拍攝出的圖像立體感更強。

2教學過程及結果分析

講解內容主要分為實驗目的、儀器結構、工作原理、樣品制備。講解完畢后先利用體視顯微鏡對拉伸斷口進行觀察分析，體視顯微鏡操作比較簡單，只需把樣品正立放置在樣品臺，通過調節放大倍數和鏡頭高度就能獲得清晰的圖像。圖1a低倍數下可以清晰地看到拉伸斷口的整體宏觀形貌，此拉伸斷口有明顯的頸縮，大致可以判斷此斷口是以韌性斷裂為主。圖1b和圖1c為高倍數下斷口形貌，由于斷口處組織變形比較嚴重，顯微鏡景深小的緣故，不能清晰的看到斷口的內部組織形貌，不能完整地分析出斷口的斷裂形式。由于掃描電子顯微鏡是價格昂貴的大型分析測試儀器，因此，利用掃描電子顯微鏡對拉伸試樣斷口進行組織分析，在實驗課上一般實行演示實驗教學，學生主要以圖像結果分析為主。對比掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡拍攝的照片，結合兩種顯微鏡的優缺點比較分析出實驗結果，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

掃描電鏡樣品制備的好壞嚴重影響對組織的觀察，在課堂教學過程中，學生對樣品的制備和保存沒有感性認識。由于拉伸試樣容易被污染的原因，在觀察時會發現少部分污染區域，圖像上此區域顯示為暗黑色，由此強調樣品制備的重要性。樣品觀察過程中，給學生講解掃描電子顯微鏡觀察樣品的一般步驟和原則：倍數由小到大，先宏觀選區、再微觀觀察，高倍聚焦、低倍成像。

在掃描電子顯微鏡下觀察拉伸試樣，清晰地看到拉伸試樣的內部組織形貌，絕大部分為韌窩狀組織，在其周圍發現還有一些平臺狀組織存在，符合脆性斷裂形貌特征，由此判斷此拉伸試樣是韌脆復合型斷裂（見圖2）。對比圖1和圖2，體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡下拉伸試樣的組織形貌，體視顯微鏡不能對更細微的拉伸試樣內部組織形貌進行很好的觀察分析，掃描電子顯微鏡可以清晰地觀察分析斷裂形式。兩組照片的對比，學生可以從更微觀的角度認識不同斷裂形式的組織形貌特征，讓學生對專業課程中所描述的拉伸試樣斷裂形式有了更加深刻的感性認識。通過電鏡圖像發現問題、思考問題，引領學生深入探討科學問題，可以激發學生對科學問題探討的興趣。

3 結論

在材料類專業實踐教學探索與改革中，利用掃描電子顯微鏡與體視顯微鏡進行對比分析材料斷裂形式，促進了實踐教學質量提高，加深了學生對微觀組織形貌觀察認識，對以后從事材料失效檢查等工作有很大幫助。對于有效利用掃描電子顯微鏡在實踐教學上的作用，還應不斷探索。

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