扫描电镜在金属材料检测中的应用

程锦 焦树强 刘晓明

摘要：近年来，我国高新材料技术得以迅速发展，各生产领域对扫描电镜的检测技术水平提出了更高的标准和要求。为了满足新时期的发展步伐，非常有必要对扫描电镜作进一步的研究与探索，以促进其检测技术水平上升到更高层级，促使其应用优势得以充分发挥。本文对扫描电镜在金属材料检测中的具体应用进行了研究和探讨。

关键词：扫描电镜;金属材料检测;应用

扫描电镜在金属材料研究中发挥着不可比拟的作用，通过配合相应的分析软件，借助计算机的图像功能，将样品的形貌直观且多角度的显示出来，从而对样品进行全方位、细致的观察。不仅如此，还能够结合各种电镜附件，将样品的形貌和元素，成分，晶向等进行对应，以对其进行定性、定量分析。由此可见，扫描电镜是研究和分析金属材料最为有效的一种设备。

一、扫描电镜的类型

扫描电镜灯丝种类分为三大类：钨灯丝;六硼化镧;和场发射（冷场和热场）。三种电镜分辨率依次提升;按使用条件来划分，又有很多不同的类别，适用于不同的材料研究。

（一）低电压扫描电镜

有些扫描电镜配备了低电压观测功能。低于1千伏的电压为低电压，在低电压状态下，若不对非导体样本进行导电处理，此时加快电子束流的速度，不仅可以降低对样本的充电频率，最大化的减少辐照对其的损害，还可获取更加全面的二次电子信息，从而提高图像信息的敏感度，且边缘效果也得到显著提升。这样一来，不论是分析半导体样本，还是分析非导体样本，均能够提供很大便捷。唯一美中不足的是，随着加速电压的减少，低电压扫描电镜的球像差会随之增加，对图像的分辨率造成很大影响[1]。

（二）低真空扫描电镜

在分析不导电试样时，低真空扫描镜便有了用武之地，在分析过程中，受一级压差光栏作用的影响，会产生两级真空。电子室能否成功发射电子束及电子束是否被镜筒聚焦，需要满足一个条件，就是必须在高真空状态下进行。因此，想要满足这一条件，需借助机械泵和扩散泵实现。值得注意的是，想要机械泵在样品室内保持高效运转，则需要样品室持续保持高真空状态。由于样品室在低真空状态下，才能够让聚焦的电子束引入其中，且借助空气分子，能够让电子束产生电离现象[2]。在此基础上，通过发挥附加电场作用，可有效消除非导体表面的充电现象。如此一来，不仅可以实现对非导体的全面观察，还可以对陶瓷、生物及化工等材料进行深度分析与研究。

（三）环境扫描电镜

上述两种扫描电镜均是在真空压力为400的样品室中应用的。近年来，我国多种高新技术实现了质的飞跃，样品室的真空压力可以达到2600，在这种状态下，可以让更多的分子融入到样本中，并且还可以将水蒸气或混合气体注入到样品室内，通过与高温或低温样品结合，并可以对样品周围的环境进行真实模拟。自此过程中，利用扫描电镜扫描，便可将样品在环境中的变化全面反映出来。

二、扫描电镜在金属材料检测中的具体应用

（一）微观组织观察

光学显微镜可用于对常规组织分布比率的观察，由于光学显微镜的倍率具有很大的局限性，无法对片层结构及针状结构进行细致观察。扫描电镜完全弥补了光学显微镜的不足，它的倍率不存在局限性，可以根据实际观察需求对其倍数进行不断调整。这样一来，便可以全面观察到样品的宏观形貌及其显微组织。比如，在观察珠光体组织时，通过调整扫描电镜的倍数，可放大珠光体片层结构，从而获得珠光体片层间距的大小。之后在利用相应的分析软件，准确计算出各片层之间的具体距离[3]。

（二）点扫描

随着施工工艺不断改进与完善，单一的夹杂物的种类已经无法满足产品生产需求。光学显微镜无法明确夹杂物的类型，而扫描电镜可以很好的解决这一点。通过结合能谱仪，可将夹杂物的化学组成和含量加以清晰的明确。举例来说，利用扫描电镜扫描X70管线钢的非金属夹杂物，通过定性和定量分析，可以得知，其夹杂物是由镁铝酸盐和硅钙酸盐组合而成的;利用扫描电镜对断口形貌上的一个非金属夹杂物进行点扫描时，通过能量光谱分析，可以得知，其夹杂物是由Al2O3和MnS的化合物构成的。同时还可通过图像观察到这种夹杂物的直径尺寸比较小，分析得出结论很有可能是在炼钢过程中产生的，不会对材料的可塑性造成太大影响。倘若在断口上出现直径尺寸比较大的夹杂物，那么会导致应力集中，材料在此作用下很有可能发生断裂的情况，应引起相关人员的高度注意。

（三）断口分析

扫描电镜具有多个可控性的性能指标，景深便是其中非常重要的一个。扫描电镜的景深优于透射电镜和光学显微镜，对于样品各部位高低不平的特征，想要对样品的各部位进行全面、细致的观察和分析，便可利用扫描电镜的大景深功能，对这些部位进行同时聚焦。在分析和研究常规实验断口、现场失效断口等方面，扫描电镜在其中发挥着至关重要的作用，主要归功于其景深大的特点。不论是光学显微镜，還是透射电镜，在观察断口试样时，需要将其整体破坏之后，再制成样品进行观察，从而对检测结果造成很大影响。而应用扫描电镜则可以完全省略这些环节，既不用破坏试样的整体性，又不需要重新制作样品，只需将试样放入样品仓便可直接观察，进一步提高的检测结果的准确性。不仅如此，扫描电镜在时效件的断口分析中同样发挥着无可比拟的作用。首先，对失效断口进行宏观层面的观察，从而对断裂源区和裂纹的拓展方向进行科学判断;其次，利用扫描电镜对失效断口进行细微的观察，便能对断裂源区和扩展区的断裂类型进行准确判断;最后，通过对其进行综合全面的分析，从而获得准确的检测结果。

三、结束语

综上所述，扫描电镜在金属材料研究中发挥着显著性的应用优势，尤其在端口形貌、定性定量分析中发挥的作用十分关键，从而对各种金属材料的工艺条件和性能关系进行更深层次的研究与分析。随着我国高新科技不断夜以继日的发展，进一步推动了金属材料的进步，因而各行各业对检测技术水平提出了新的要求和标准。因此，更深一步的研究扫描电镜的检测技术非常有必要，以便充分发挥其应用优势。

参考文献：

[1]唐亮，刘陵恩，徐晋勇，张宜旭，王永峰，张跃飞，张泽. 扫描电镜高温成像干扰分析及图像修复方法研究[J]. 电子显微学报，2021，40（5）：601-608.

[2]李桂英，李建开，刘政鹏. 扫描电镜在钢铁质量控制方面的应用[J]. 山东冶金，2021，43（4）：37-39.