掃描電鏡在金屬材料檢測中的應用

程錦 焦樹強 劉曉明

摘要：近年來，我國高新材料技術得以迅速發展，各生產領域對掃描電鏡的檢測技術水平提出了更高的標準和要求。為了滿足新時期的發展步伐，非常有必要對掃描電鏡作進一步的研究與探索，以促進其檢測技術水平上升到更高層級，促使其應用優勢得以充分發揮。本文對掃描電鏡在金屬材料檢測中的具體應用進行了研究和探討。

關鍵詞：掃描電鏡;金屬材料檢測;應用

掃描電鏡在金屬材料研究中發揮著不可比擬的作用，通過配合相應的分析軟件，借助計算機的圖像功能，將樣品的形貌直觀且多角度的顯示出來，從而對樣品進行全方位、細致的觀察。不僅如此，還能夠結合各種電鏡附件，將樣品的形貌和元素，成分，晶向等進行對應，以對其進行定性、定量分析。由此可見，掃描電鏡是研究和分析金屬材料最為有效的一種設備。

一、掃描電鏡的類型

掃描電鏡燈絲種類分為三大類：鎢燈絲;六硼化鑭;和場發射（冷場和熱場）。三種電鏡分辨率依次提升;按使用條件來劃分，又有很多不同的類別，適用于不同的材料研究。

（一）低電壓掃描電鏡

有些掃描電鏡配備了低電壓觀測功能。低于1千伏的電壓為低電壓，在低電壓狀態下，若不對非導體樣本進行導電處理，此時加快電子束流的速度，不僅可以降低對樣本的充電頻率，最大化的減少輻照對其的損害，還可獲取更加全面的二次電子信息，從而提高圖像信息的敏感度，且邊緣效果也得到顯著提升。這樣一來，不論是分析半導體樣本，還是分析非導體樣本，均能夠提供很大便捷。唯一美中不足的是，隨著加速電壓的減少，低電壓掃描電鏡的球像差會隨之增加，對圖像的分辨率造成很大影響[1]。

（二）低真空掃描電鏡

在分析不導電試樣時，低真空掃描鏡便有了用武之地，在分析過程中，受一級壓差光欄作用的影響，會產生兩級真空。電子室能否成功發射電子束及電子束是否被鏡筒聚焦，需要滿足一個條件，就是必須在高真空狀態下進行。因此，想要滿足這一條件，需借助機械泵和擴散泵實現。值得注意的是，想要機械泵在樣品室內保持高效運轉，則需要樣品室持續保持高真空狀態。由于樣品室在低真空狀態下，才能夠讓聚焦的電子束引入其中，且借助空氣分子，能夠讓電子束產生電離現象[2]。在此基礎上，通過發揮附加電場作用，可有效消除非導體表面的充電現象。如此一來，不僅可以實現對非導體的全面觀察，還可以對陶瓷、生物及化工等材料進行深度分析與研究。

（三）環境掃描電鏡

上述兩種掃描電鏡均是在真空壓力為400的樣品室中應用的。近年來，我國多種高新技術實現了質的飛躍，樣品室的真空壓力可以達到2600，在這種狀態下，可以讓更多的分子融入到樣本中，并且還可以將水蒸氣或混合氣體注入到樣品室內，通過與高溫或低溫樣品結合，并可以對樣品周圍的環境進行真實模擬。自此過程中，利用掃描電鏡掃描，便可將樣品在環境中的變化全面反映出來。

二、掃描電鏡在金屬材料檢測中的具體應用

（一）微觀組織觀察

光學顯微鏡可用于對常規組織分布比率的觀察，由于光學顯微鏡的倍率具有很大的局限性，無法對片層結構及針狀結構進行細致觀察。掃描電鏡完全彌補了光學顯微鏡的不足，它的倍率不存在局限性，可以根據實際觀察需求對其倍數進行不斷調整。這樣一來，便可以全面觀察到樣品的宏觀形貌及其顯微組織。比如，在觀察珠光體組織時，通過調整掃描電鏡的倍數，可放大珠光體片層結構，從而獲得珠光體片層間距的大小。之后在利用相應的分析軟件，準確計算出各片層之間的具體距離[3]。

（二）點掃描

隨著施工工藝不斷改進與完善，單一的夾雜物的種類已經無法滿足產品生產需求。光學顯微鏡無法明確夾雜物的類型，而掃描電鏡可以很好的解決這一點。通過結合能譜儀，可將夾雜物的化學組成和含量加以清晰的明確。舉例來說，利用掃描電鏡掃描X70管線鋼的非金屬夾雜物，通過定性和定量分析，可以得知，其夾雜物是由鎂鋁酸鹽和硅鈣酸鹽組合而成的;利用掃描電鏡對斷口形貌上的一個非金屬夾雜物進行點掃描時，通過能量光譜分析，可以得知，其夾雜物是由Al2O3和MnS的化合物構成的。同時還可通過圖像觀察到這種夾雜物的直徑尺寸比較小，分析得出結論很有可能是在煉鋼過程中產生的，不會對材料的可塑性造成太大影響。倘若在斷口上出現直徑尺寸比較大的夾雜物，那么會導致應力集中，材料在此作用下很有可能發生斷裂的情況，應引起相關人員的高度注意。

（三）斷口分析

掃描電鏡具有多個可控性的性能指標，景深便是其中非常重要的一個。掃描電鏡的景深優于透射電鏡和光學顯微鏡，對于樣品各部位高低不平的特征，想要對樣品的各部位進行全面、細致的觀察和分析，便可利用掃描電鏡的大景深功能，對這些部位進行同時聚焦。在分析和研究常規實驗斷口、現場失效斷口等方面，掃描電鏡在其中發揮著至關重要的作用，主要歸功于其景深大的特點。不論是光學顯微鏡，還是透射電鏡，在觀察斷口試樣時，需要將其整體破壞之后，再制成樣品進行觀察，從而對檢測結果造成很大影響。而應用掃描電鏡則可以完全省略這些環節，既不用破壞試樣的整體性，又不需要重新制作樣品，只需將試樣放入樣品倉便可直接觀察，進一步提高的檢測結果的準確性。不僅如此，掃描電鏡在時效件的斷口分析中同樣發揮著無可比擬的作用。首先，對失效斷口進行宏觀層面的觀察，從而對斷裂源區和裂紋的拓展方向進行科學判斷;其次，利用掃描電鏡對失效斷口進行細微的觀察，便能對斷裂源區和擴展區的斷裂類型進行準確判斷;最后，通過對其進行綜合全面的分析，從而獲得準確的檢測結果。

三、結束語

綜上所述，掃描電鏡在金屬材料研究中發揮著顯著性的應用優勢，尤其在端口形貌、定性定量分析中發揮的作用十分關鍵，從而對各種金屬材料的工藝條件和性能關系進行更深層次的研究與分析。隨著我國高新科技不斷夜以繼日的發展，進一步推動了金屬材料的進步，因而各行各業對檢測技術水平提出了新的要求和標準。因此，更深一步的研究掃描電鏡的檢測技術非常有必要，以便充分發揮其應用優勢。

參考文獻：

[1]唐亮，劉陵恩，徐晉勇，張宜旭，王永峰，張躍飛，張澤. 掃描電鏡高溫成像干擾分析及圖像修復方法研究[J]. 電子顯微學報，2021，40（5）：601-608.

[2]李桂英，李建開，劉政鵬. 掃描電鏡在鋼鐵質量控制方面的應用[J]. 山東冶金，2021，43（4）：37-39.