或吸引到电子检測器上(见图1.12)、而X射线不能如此容易地聚焦。因此只有 直接通向检测晶体的Ⅹ射线才能被分析到另一个局限是它需要30~60min才 能得到一个光谱。另一方面,此方法所能检测的元素其原子数要低,像碳那样。 采用固态检测仪的方法称为非分散法,因为X射线并不波分析晶体所分散。 普通称为能址分散ⅹ射线分析法(EDXA)或能量分散谱仪(EDS)。此法采用 Si(Ui)计数器及FE'前置放大器.这两者均需保持在液氮温度。从检测器出来 的信号被多通道分析仪分离成为谱,因此在阴极射线管上显示出谱的密度与能量 的关系。图1.20示出一典型的谱 线能X射线线原子数化学符号 9 6488EY K 226 FE 垂直标尺_5:58KHS:28E/CH 水平标尺 能量keV 试样号 7111976711 20由能量分散诎仪所得到的X射线谱 (引自 Cullity2., Philp Electronic Instruments,hnc、同意) 在扫描电子显微镜中此分析方法有两个重要的优点,即检测仪可以靠近试样 放置,放在真空腔内,同时获得谱的时冋短。要获得如图1.20所示的谱,如采 用波长分散谱仪,可能需要60min如采用能量分散谱仪,约需lmin。然而, 个重要的局限性是能量分散检测仪对于轻元素(例如碳)不如波长分散系统那 就在扫描电子显微镜中使用荧光ⅹ射线的问题而言,必須强调的是,通常 此分析是定性的或是半定量的。在确定存在仆么元素以及它们的相对数量时,使 用它特别有用,但是它不确定其实际成分。 断口组织试验中X射线荧光的密度取决于微观化学分析,它可以用扫描电
子显微镜来完成。例如,在操作扫描电子显微镜时可以停止射线的轰击并把射线 点移动到视野中的任何位置上。因此如果表闻上的一个颗粒需要化学分析,则把 射线点定到此颗粒上并搜集Ⅹ射线光谱即可。图L.21说明了这点,图上表明在 断口表面上有一个小的颗粒,此颗粒的直径约为400m,而电子流的直径可能为 20nn再重复一下,此射流会展开成泪滴状,激活区的实际直径约为100m。 穿透深度约为100m:由此可知发射X射线的材料体积约为10-cm3,或者说材 料的质量约为10g这就是微观化学分析方法的使用。图1.21b中表示由此颗 粒获得的光谱。这人约在lmin内就得到∫.同时花了约1min从CRT的面上对 此光谱照了像。 2 A 能量 a)一断口表面的描电镜照片b)箭头所示颗粒的X射线光谱
24 在用扫描电子显微镜获取ⅹ射线光谱前必須预先提出儿点警告。必须牢记, 电子流与由X射线所发射的范围的直径相比是非常小的。因此如果需要分析 个约50nm的颗粒而射流直径为20mm,那么此X射线光谱中就可能包含有从此 颗粒以外的材料中发射出来的射线.同样重要的是要理解到可能发生二次荧光。 在分析典型的断口表面的粗糙面时,这是一个永远存在的危险,如图1.22所示。 原始飞射线发射出来后可能被其周围较高的区域所吸收,使之发射X射线,给 出的光谱并不反映射流聚焦区域的真实特性 X射线检测仪 次荧光 电子流 X射线 试样表而 次荧光 需分析的颗粒 图1.22由于从基体边缘处过来的X射线,使得颗粒的元素 分析中产生假象.图中简要说明二次荧光的来源 X射线及电子衍射。X射线及电子衍射常与X射线荧光结合使用以确定晶 体村料的性质、例如,很需要确定耗损的废屑的化学与组织成分。X射线荧光可 给出定性分析,说明许多元素的存在。而且X射线衍射的模式可以揭示此废屑 的真实性质 X射线及电子衍射依靠采用单色流(波长恒定)撞击试样并分析随20而变 化的密度:在此场合波长λ是固定的,并采用布拉格法则即式(1.4)来计算晶 体中平面间的距离d。把这些数值与美国材料试验学会(ASTM)的X射线衍射 数据库相比较,可以看出是否有相配的数值揭示存在的是什么材料。如果此方法 不成,那么原则上说,可以分析此数值以确定晶体的结构,虽然这可能会十分困 透射电子显微镜中的电子衍射对于确定特别细小的单个颗粒的晶体结构是非 常有用的.因为可以通过限制射流成为非常小的区域的照度而等值地得出其衍射 模式
25 立体显微镜。立体显微镜指的是观察物体时全部视场都保持成焦并且能在同 时间获得三维效果。在断口组织试验中这是一个特别有价值的工具。立体观察 断口表面所能获得的外加资料的数量不会被高估,同时其重要性也不能用文字来 加以证明。人们应在此条件下观察断面,以便恰当评价其重要性。 观察”本身是相当容易的,但它要求实践。现从市场上可买到低倍立体光 学显微镜。当要求清晰判明较小的细节时,光学显微镜并不合适,因为如要求放 大倍数高则其视场深度就差。但是扫描电子显微镜对此特别合适。当使用立体观 察器进行观察时,简单地得到两个画面,能给出所要求的三维效果。在感兴趣的 区域取照片,然后把试样倾转6°~12°,再在相同区域取一照片。在立体观察 器下恰当地放置这两张照片直至可观察到三维效果。同样的方法可用于曾在透射 电子显徼镜中观察过的试样。《金属手册》( Metals Handbook)第9卷的背面 印有立体观察器,此书中有几张立体的断口照片。 附录A中概述了在扫描电子显微镜中获得立体副以及确定表面形貌髙度变 化的正确方法。 1.4试样制备 1.4.1清理表面 一个普遍的问题是断口表面肮脏及受到污染:清理断口表面有几种方法 般为,小心地清洗表面,在酒精或丙酮中漂洗,然后干燥。最好在超声波清理器 中清洗,它可以去除绝大多数松散的废屑。对表面进行几次复制可以进一步去除 废屑及诸如锈等表面反应产物。在此方法中,将表面用丙酮湿润,同时将一片醋 酸纤维素窄条(约0.01cm厚)的面用丙酮沾湿。然后,在断口表面仍然湿润 的情况下,将窄条湿润的一面小心地但是牢牢地压在断口表面上。再抚压以促使 粘条嵌入表面中。经过几分钟的干燥,撕去窄条,即可得到此表面的复制品并除 去废屑(这种复制品可在SEM中进行观察而表面废屑可拿去分析)。这种方法 可重复几次以协助清理表面。 断面制备中的一个主要问题是去除黑色金属试样的锈。如何处理表面以去除 锈,但又不破坏它下面的可能反映生锈前的真实断口表面形貌的表面,这是一个 棘手的问题。绝大多数的方法是采用化学物质,它可以溶解氧化物但又不腐铀下 面的金属。附录1B~1G给出关于清理表面的方法的资料。在那里列出的参考文 献中可以查到更多的资料来源 1.4.2制备用于透射电子显微镜的复膜 在断口组织试验中,当采用透射电子显徽镜时,因为它所要求的小而薄的试 样极难制备,所以通常不能观察到真实的断口表面,而以制备一个恰当的表面复
空 玻璃滑片 醋酸纤继素或聚L 原始复膜在试棒 烯醇的原始复膜 f:的横截面 原始复膜从试棒 上下 始复膜遮盖铸 Z沉积的金属 件以后 遮盖的铸件的角 碳沉积后的复膜 碳复膜 原始复膜溶解后留下 原来试样的凹进处 碳复膜与遮盖物 原来试样的凸起处 碳复膜在显微镜 光亮冈,没有或 很少有念属沉积 黑暗区,金属沉积多 图1.23简要列出制备透射电子显微镜所用的复膜的方法 a)真空沉积技术(引自Nai"。版钗属ASTM。经允许转载 b)用醋酸纤维素或聚乙烯醇(PⅤA)原始复膜制备貞接碳复膜的步骤 由 FF, Koch制备。引自 Phillips.得到通用电子公司 的同意)