扫描电子显微镜 在材料专业实践教学中的应用与探索

梁刚 王振廷 王建永 张鹤

摘要：扫描电子显微镜和体视显微镜都是广泛应用于材料类专业的重要分析测试仪器，文章通过材料失效分析教学中扫描电子显微镜和体视显微镜对拉伸试样的对比，分析及实验总结，初步探索出扫描电子显微镜在本科生实践教学中的可行性，结果表明，扫描电子显微镜实践教学效果比较理想。

关键词：扫描电子显微镜;体视显微镜;实践教学

《材料失效分析》实验是我校材料类专业课程的课内实验，本课程通过材料失效分析基本研究方法的介绍，使学生了解材料失效分析的原理和常用技术方法，掌握常见的判断材料失效方式的重要依据，培养学生对零件失效断口分析能力，为材料失效分析研究奠定基础。体视显微镜一种具有正像立体感的显微镜，具有操作简单，使用方便等特点，被广泛地应用于材料宏观表面观察、失效分析、断口分析等工业领域。但其放大倍数小，景深小，分辨能力低，影响其对材料拉伸断口组织形貌的分析。扫描电子显微镜具有放大倍数变化范围宽、景深大、立体感强、样品制备简单等特点，被广泛应用在材料学、电子学、地质矿物学、医学等领域。本文结合应用型本科院校教学经验和本单位对本科生的实践教学要求，通过实验内容优化设计和经验总结，初步探索出扫描电子电镜在实践教学中的应用。

1教学内容的实施

《材料失效分析》是本单位材料类本科生第6学期开设的教学课程，该课程实践教学共2学时，实验课一般为演示实验教学。每班学生以30人计，15人/组分组上课，教学内容有扫描电子显微镜和体视显微镜的结构介绍、工作原理、样品制备、仪器操作、对金属拉伸试样的观察分析。将工作原理、内部结构、材料样品制备和上机测试过程，应用多媒体手段，几部分内容整理成PowerPoint和视频动画，在实验开展前一周拷贝给学生，让学生做好实验预习。实验课程成绩分为课前预习，出勤和实验报告三部分。

我们通过对比的来讲解两种显微镜的不同。（1）样品的制备。拉伸后的试样可以直接放在体视显微镜上进行观察，扫描电子显微镜由于试样室内部空间有限，拉伸试样高度不宜超过20mm。（2）工作原理。体视显微镜光采用可见光作为光源，利用光的反射和折射原理成像，扫描电子显微镜通过高能量电子束轰击样品表面，激发出样品表面的各种物理信号成像。体视显微镜观察倍数在200倍以下，分辨率0.2～0.5μm，掃描电子显微镜从几倍到几十万倍连续变换，分辨率0.5nm。体视显微镜的景深比金相显微镜的大，是由于双目镜筒中的左右两光束不是平行的，而是具有12°～15°体视角，因此成像具有一定三维立体感，但是，扫描电子显微镜的景深更大，拍摄出的图像立体感更强。

2教学过程及结果分析

讲解内容主要分为实验目的、仪器结构、工作原理、样品制备。讲解完毕后先利用体视显微镜对拉伸断口进行观察分析，体视显微镜操作比较简单，只需把样品正立放置在样品台，通过调节放大倍数和镜头高度就能获得清晰的图像。图1a低倍数下可以清晰地看到拉伸断口的整体宏观形貌，此拉伸断口有明显的颈缩，大致可以判断此断口是以韧性断裂为主。图1b和图1c为高倍数下断口形貌，由于断口处组织变形比较严重，显微镜景深小的缘故，不能清晰的看到断口的内部组织形貌，不能完整地分析出断口的断裂形式。由于扫描电子显微镜是价格昂贵的大型分析测试仪器，因此，利用扫描电子显微镜对拉伸试样断口进行组织分析，在实验课上一般实行演示实验教学，学生主要以图像结果分析为主。对比扫描电子显微镜和体视显微镜拍摄的照片，结合两种显微镜的优缺点比较分析出实验结果，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

扫描电镜样品制备的好坏严重影响对组织的观察，在课堂教学过程中，学生对样品的制备和保存没有感性认识。由于拉伸试样容易被污染的原因，在观察时会发现少部分污染区域，图像上此区域显示为暗黑色，由此强调样品制备的重要性。样品观察过程中，给学生讲解扫描电子显微镜观察样品的一般步骤和原则：倍数由小到大，先宏观选区、再微观观察，高倍聚焦、低倍成像。

在扫描电子显微镜下观察拉伸试样，清晰地看到拉伸试样的内部组织形貌，绝大部分为韧窝状组织，在其周围发现还有一些平台状组织存在，符合脆性断裂形貌特征，由此判断此拉伸试样是韧脆复合型断裂（见图2）。对比图1和图2，体视显微镜和扫描电子显微镜下拉伸试样的组织形貌，体视显微镜不能对更细微的拉伸试样内部组织形貌进行很好的观察分析，扫描电子显微镜可以清晰地观察分析断裂形式。两组照片的对比，学生可以从更微观的角度认识不同断裂形式的组织形貌特征，让学生对专业课程中所描述的拉伸试样断裂形式有了更加深刻的感性认识。通过电镜图像发现问题、思考问题，引领学生深入探讨科学问题，可以激发学生对科学问题探讨的兴趣。

3 结论

在材料类专业实践教学探索与改革中，利用扫描电子显微镜与体视显微镜进行对比分析材料断裂形式，促进了实践教学质量提高，加深了学生对微观组织形貌观察认识，对以后从事材料失效检查等工作有很大帮助。对于有效利用扫描电子显微镜在实践教学上的作用，还应不断探索。

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