当前课程知识点：材料现代研究方法 > 第十章 扫描电子显微镜 > 10.4 表面形貌衬度原理及其应用 > 表面形貌衬度原理及其应用
同学你好
我们这节课来学习表面形貌衬度原理及其应用
我们在这部分主要介绍二次电子成像原理
和二次电子形貌衬度的应用
首先来看一下二次电子成像原理
二次电子信号
主要是用于分析样品的表面形貌
二次电子只能从样品表面层5到10个纳米深度范围内
被入射电子束激发出来
大于10个纳米时
虽然入射电子也能使核外电子脱离原子
而形成自由电子
但因其能量较低
以及平均自由程较短
不能够逸出样品表面
最终只能被样品吸收
被入射电子束激发出来的二次电子的数量
与原子序数没有明显的关系
但对微区表面的几何形状是十分敏感的
我们可以来看一下这张图
这张图
主要说明了样品表面和电子数相对应位置
与二次电子产额之间的关系
从图中可以看到
当入射束与样品表面法线相平行时
也就是说图中的θ等于0的时候
这个时候
二次电子的产额是最少的
如果样品倾斜了45度角
这个时候
电子束穿入样品
激发二次电子的有效深度
增加到原来的根号二倍
入射电子使距离表面5到10个纳米的作用体积内
逸出表面的二次电子的数量增多
也就是在图中的这个黑色的区域
如果入射电子束进入了较深的部位
比如说在这个A点的位置
虽然
也能够激发出一定数量的自由电子
但是因为A点距离表面较远
超过了5到10个纳米范围
自由电子只能够被样品所吸收
而无法逸出表面
也就是说
随着入射束与试样表面法向夹角增大
二次电子的产额也相应增大
因为电子束穿入样品
激发二次电子的有效深度
明显增加了
使得表面5到10个纳米作用体积内
逸出表面的二次电子数量增多
这张图是给出了二次电子形貌衬度的示意图
我们可以看到在图中的这个样品上
这个样品的这个B面
它的倾斜的角度
是最小的
二次电子
产额也就相应的是最少的
那么它所相对应的这个图像衬度
B的这个位置则是最暗的
而我们看到的C的这个平面
它的倾斜角度
是最大的
那么它在图像衬度上所呈现出来的
这个是最亮的
事实上
对于实际的样品
表面形貌要比上面衬度的情况复杂得多
但是形成二次电子衬度的原理是相同的
我们的这张图
就给出了实际样品中
二次电子被激发的一些典型的例子
从图中我们可以看出
具有突出的尖棱小粒子
以及比较陡的斜面处
这些位置
产生的二次电子的产额是比较多的
在荧光屏上
这部分的亮度是较大的
平面上的二次电子的产额
主要相对要较少
亮度也是较低的
在比较深的这样的凹槽的底部
虽然也能够产生较多的二次电子
但是这些二次电子不容易被检测器收集到
因此
凹槽底部的衬度
也是显得较暗的
我们再来看一下
二次电子形貌衬度的应用
二次电子形貌衬度最大的用途
是用来观察样品的断口的形貌
也可以用作抛光腐蚀后的金相表面
及烧结样品的表面形貌分析
并且可以用于断裂过程中的动态原位观察
下面我们来逐一看一下
首先来看一下断口形貌的分析
这张图
是一张沿晶断口的扫描电镜的照片
沿晶断裂是由于外部环境
或者是由于析出相
夹杂物和元素在晶界偏析
使得晶界弱化
而造成的晶界脆断
因为靠近二次电子检测器的断裂面亮度大
背面则暗
因此断口呈现出冰糖块状
或者是石块状这样的一个形貌
含有Cr Mo的合金钢产生回火脆性时
发生沿晶断裂
一般是认为硫磷等有害杂质元素在晶界上偏距
使得晶界强度降低
从而导致的沿晶断裂
沿晶断裂是属于脆性断裂
在断口上没有塑性变形
我们再来看一下韧窝断口
因为韧窝的边缘类似于尖棱
所以相应的位置上的这个亮度是比较大的
而韧窝的底部是相对比较平坦的
所以图像的亮度较低
有一些的韧窝的中心部位
是有第二相小颗粒
由于小颗粒的尺寸很小
入射电子束能在其表面上激发出较多的二次电子
所以这种颗粒往往也是比较亮的
韧窝断口是一种韧性断裂的断口
无论是从宏观变形行为上
还是从断口的微观区域上
都能够看出明显的塑性变形
一般韧窝底部
有第二相粒子存在
这是由于试样在拉伸或剪切变形时
第二相粒子与基体界面首先开裂而形成裂纹源
也就是形成了我们的韧窝源
随着应力的增加
变形量的增大
韧窝逐渐撕开
韧窝的周边形成塑性变形程度较大的凸起的撕裂棱
因此在二次电子像中
这些撕裂棱显亮衬度
韧窝断口是穿晶韧性断裂
我们再来看一下解理断裂
解理断裂是脆性断裂
是沿着某个特定的晶体学晶面
产生的穿晶断裂
对于体心立方的α铁来说
它的解理面为001晶面
金属与合金的解理断裂
通常不是沿一个结晶面
是沿一族互相平行
位于不同高度的晶面
以不连续的方式裂开
在不同高度的解理面间
会存在台阶
在解理裂纹扩展的过程中
众多台阶因裂纹前沿的移动
而汇聚成河流的花样
也就是我们看到的解理的台阶
河流花样在裂纹扩展时倾向于合并
并指出裂纹扩展的局部方向
解理断裂的另一个特征
是会具有这种舌状的花样
它是由于体心立方晶体
沿着孪晶面产生二次解理所导致的
我们再来看一下疲劳断裂
疲劳断裂是在交变载荷下
多次循环后发生的断裂
疲劳断裂通常分为疲劳中心
裂纹扩展和瞬时破断的三个区域
大多数都起源于应力集中的部位
一般为穿晶断裂
其中裂纹扩展区
可以表征疲劳断口的主要特征
这个区域中呈现一系列近于相互平行的波浪似的条纹
条纹间距随着应力大小而发生变化
整个疲劳断口
是由若干个小断面所组成的
我们再来看一下样品表面形貌的观察
我们可以看到左边的这张图
是样品经过抛光腐蚀后
金相样品的二次电子像
可以看出它的分辨率及立体感
均要好于光学显微镜的照片
可以清晰的显示出
共析钢中细小的板条状渗碳体组织的分布情况
右面的这张图
则是氧化铁粉末烧结后的自然表面的
二次电子像扫描电镜照片
我们可以看到照片的立体感是很强的
清晰的显示了细小的氧化铁粉末颗粒的分布
我们再来看一下材料变形与断裂动态过程中的原位观察
这张图给出了利用扫描电子显微镜
对铝镁合金形变过程中
同一个位置进行的原位观察
我们通过照片可以看到
在应变的加载的过程中
经过不同的形变量下
对同一个位置所拍摄到的
所拍摄到的样品的二次电子像
好 我们这节课就介绍到这里
-1.1 晶体、空间点阵及晶体学参数
-1.2 倒易点阵
--布拉菲点阵
-1.3 晶体的宏观对称
--晶体的宏观对称
-1.4 晶体的微观对称
--晶体的微观对称
-1.5 倒易点阵
--倒易点阵
-1.6 倒易点阵的应用
--倒易点阵的应用
-1.7 晶体投影
--晶体投影
-1.8 晶体投影的应用
--晶体投影的应用
-1.9 单晶体标准投影图
--单晶体标准投影图
-1.9 单晶体标准投影图--作业
-2.1 X射线的产生
--X射线的产生
-2.2 X射线与物质的相互作用
-2.3 X射线的吸收限与滤波片
-2.4 连续X射线
--连续X射线
-2.5 特征X射线
--特征X射线
-2.5 特征X射线--作业
-3.1 一个电子对X射线的散射
-3.2 一个原子对X射线的散射
-3.3 简单晶体对X 射线的衍射
-3.4 复杂晶体对X射线的衍射
-3.5 爱瓦德作图法
--爱瓦德作图法
-3.5 爱瓦德作图法--作业
-4.1 粉末照相法
--粉末照相法
-4.2 多晶衍射仪
--多晶衍射仪
-4.3 多晶体衍射峰特征
--多晶体衍射峰特征
-4.4 多晶体衍射峰强度
--多晶体衍射峰强度
-4.5 多晶体花样分析
--多晶体花样分析
-4.5 多晶体花样分析--作业
-5.1 晶块尺寸与微观应力的宽化
-5.2 晶胞常数的精确确定
-5.3 宏观应力的测定
--宏观应力的测定
-5.4 织构的表征
--织构的表征
-5.5 织构的测定
--织构的测定
-5.6 织构分析
--织构分析
-5.7 物相定性分析
--物相定性分析
-5.8 物相定量分析
--物相定量分析
-5.8 物相定量分析--作业
-6.1 电子波与电磁透镜
--电子波与电磁透镜
-6.2 电磁透镜的像差与分辨率
-6.3 电磁透镜的景深和焦长
-6.3 电磁透镜的景深和焦长--作业
-7.1 透射电子显微镜的结构与成像原理
-7.2 透射电子显微镜主要部件的结构与工作原理
-7.3 透射电子显微镜分辨率和放大倍数的测定
-7.4 透射电子显微镜样品制备
-7.4 透射电子显微镜样品制备--作业
-8.1 概述
--概述
-8.2 电子衍射原理
--电子衍射原理
-8.3 晶带定律与零层倒易截面
-8.4 倒易阵点的扩展与偏移矢量
-8.5 倒易阵点与电子衍射图的关系
-8.6 衍射斑点指数化
--衍射斑点指数化
-8.7 选区电子衍射
--选区电子衍射
-8.8 单晶电子衍射花样的标定
-8.9 复杂电子衍射花样的标定
-8.9 复杂电子衍射花样的标定--作业
-9.1 衍射衬度成像原理
--衍射衬度成像原理
-9.2 消光距离
--消光距离
-9.3 衍衬运动学
--衍衬运动学
-9.4 衍衬动力学简介
--衍衬动力学简介
-9.5 晶体缺陷分析
--晶体缺陷分析
-9.5 晶体缺陷分析--作业
-10.1 电子束与固体样品作用时产生的信号
-10.2 扫描电子显微镜的构造和工作原理
-10.3 扫描电子显微镜的主要性能
-10.4 表面形貌衬度原理及其应用
-10.5 原子序数衬度原理及其应用
-10.6 电子探针仪的结构与工作原理
-10.7 电子探针仪的分析方法及应用
-10.7 电子探针仪的分析方法及应用--作业
