Сравнительная характеристика микроскопов различных типов

Введение

Данный вид электронной микроскопии (РЭМ) обеспечивает широкие возможности для изучения структуры материалов.  Высокая разрешающая способность РЭМ дает возможность его использование для исследования морфологии и кристаллографических особенностей ,как поверхностного слоя , так и приповерхностного  слоя полупроводников и металлов, изучения поверхностных покрытий и гетероструктур, исследования дисперсных элементов структуры: частиц второй фазы, ямок травления, пор. Так же , с помощью РЕМ можно  изучать процессы  коррозии, эрозии и результаты видов внешнего воздействия, например химическое и ионное травление. Растровая электронная микроскопия занимает промежуточное положение между  светом и просвечивающим микроскопами. Если говорить о сравнительной характеристике данных методов, то их можно  сравнить по разрешающей способности,  глубине фокусам и другие.

Рис 2. Сравнительная характеристика микроскопов различных типов

2.1. Устройство  растрового электронного микроскопа 

РЭМ состоит из двух основных частей: колонны прибора и системы индикации изображения. Колонна прибора содержит электронную пушку, электронно-оптическую систему, держатель образцов (камеру образцов) и детекторы

Рис 2.1. Общая схема сканирующего электронного микроскопа

 

Электронная пушка представляет собой катод, который отрицательный потенциал (до30 кВ),  называемый  ускоряющим напряжением, эмитирует электроны. Система формирования узкого интенсивного пучка быстролетящих с катода электронов включает в себяуправляющий электрод и анод и аналогична совокупности рассеивающей и собирающейлинз в световой оптике. Далее  пучок электроновпроходит через линзовую систему электронной оптики. Формируется с помощью системы конденсорных линз и фокусируется узкий электронный зонд. Отклоняющая система развертывает зонд по заданной площади на объекте . При взаимодействии электронов зонда с объектом возникают несколько видов вторичных продуктов взаимодействия, сигналы от которых могут регистрироваться  детектором. После анолого-цифрового преобразования и усиления эти сигналы визуализируются с помощью  ПК.

К недостаткам РЭМ можно отнести высокую стоимость, ограниченную разрешающую способность, невозможность выявления структуры внутри образца, отсутствие цветного изображения, необходимость помещения образца в вакуум, радиационные повреждения некоторых материалов в процессе исследования, затруднения при изучении диэлектриков (электризация, приводящая к неуправляемой эмиссии электронов).

2.2. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

После испытания, проводя микротопографию поверхностей разрушения образцов, можем провести классификацию видов разрушения и уже по виду излома судить о энергоемкости процесса разрушения.Различают 2 вида разрушений: по виду по границам зерен (интеркристаллитное разрушение, рис.2.2, хрупкое (а), вязкое (б)) и разрушение по телу зерен (транскристаллитное разрушение, рис.2.2, (в-ж)).

Рис 2.2. Изображения изломов при межзеренном хрупком (а) и вязком (б) разрушении; скол (в), микроскол (г), квазискол (д), чашечный (ж) излом при внутризеренном разрушении.х 3000.

В свою очередь РЭМ позволяет изучать поверхность металлоконструкций с целью обнаружения микротрещин, так же  изучать морфологию фазовых составляющих и  их объемную конфигурацию на поверхности травленных микрошливов и изломов. В машиностроении, наиболее часто в  изломах обнаруживают усталостный механизм разрушения ,что свидетельствует  о циклическом изменении 1 из параметров.

Рис. 2.3.Изображение изломов при усталостном разрушении с основными зонами: зарождения (а); полей усталостных бороздок (б); квазистатического долома (в).х 3000.

Характерные признаки таких изломов, выявляют, прежде всего, методом растровой электронной микроскопии. Фрактографический анализ изломов испытанных усталостных образцов позволяет заключить, что по мере увеличения длины магистральной трещины и уменьшения живого сечения образца, на его поверхности всегда формируются три характерные зоны разрушения. На смену области зарождения усталостной трещины (рис. 2.3. а) приходит область ее стабильного распространения с большими полями регулярных усталостных бороздок (рис. 2.3. б). И, наконец, область долома (рис. 2.3. в), соответствующая быстрому квазистатическому разрушению заключительной части образца, где механизм усталостного разрушения дополняется механизмом однократного квазистатического разрушения.

2.3. Исследование морфологии разрушения стали при усталостных испытаниях

 

На представленных фрактограммах, во всех образцах обнаружены металлургические дефекты, связанные с нарушением условием выплавки металлов. Сталь загрязнена неметаллическими включениями и поражена пленами, которые распологаются по границам зерен. На основе анализа морфологии включений можно сделать вывод, что сталь загрязнена оксидами и сульфидами. Оксиды присутствуют в виде глобулярных дисперсных выделений. А сульфиды формируют плены. Так же на поверхности излома формируются фасетки хрупкого  скола по телу  зерен с  речным узором, на гребнях которого различаются частицы интерметаллидной фазы.Поскольку усталостные испытания проводили при комнатной температуре, то встали данной марки, при стандартной термической обработке должен формироваться 100% вязкий излом. Участки с хрупким разрушением, говорит о высокой твердости стали при низком запасе вязкости. Все факторы привели к падению вязкости разрушения.

 

Рис 2.3. Микроструктура поверхности излома образца номер 1, а- общий вид излома; б-в  неметаллические включения металлургического происхождения ; г- усталостные бороздки, как признак усталостного разрушения.

Рис 2.4. Микроструктура поверхности излома образца номер 1, в области стабильного роста трещины. Виды плены (а) и мелкие частицы неметаллических включений (б)

Рис 2.5.Микроструктура поверхности излома образца номер 2, (а)-общий вид излома; (б)-вязкое разрушение в области стабильного роста трещины.

Рис 2.6. Микроструктура поверхностного излома образца  номер ; (а)- общий вид излома

Рис 2.7.  Образец номер 3. Многочисленные хрупкие вторичные трещины, возникшие  на частицах неметаллических включений.

 

 

Подводя итоги исследования , можно сделать вывод, что сталь загрязнена неметаллическими включениями  в виде дисперсных сферических окислов и плен сульфидов по границам зерен. Так же наличие участков хрупкого скола по телу зерен  свидетельствует о падении вязкости разрушения.

Список литературы:

 

1. Физика твердого тела. Лабораторный практикум / Под ред. проф. А.Ф.Хохлова,

том 2. – М.:Высш.шк.,2001.

2. Практическая растровая электронная микроскопия / Под ред. Дж.

Гоулдстейна и Х. Яковица. – М.: Мир, 1978.

3. Введение в нанотехнологию / Кобаяси Н. – Пер. с японск. – М.: БИНОМ,

Лаборатория знаний, 2005.

4. Криштал М.М., Ясников И.С., Полунин В.И. и др. Скани-

рующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный

микроанализ в примерах практического применения. М.: Техно-

сфера, 2009.

5. Практическая растровая электронная микроскопия / Под ред. Дж.

Гоулдстейна и Х. Яковица. – М.: Мир, 1978.