材料表面分析技术.ppt

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1、材料表面分析技术,外观检测成分及组织结构分析物理及力学性能检测耐蚀性检测耐磨性检测,一、外观检测（visual examination）,含义：肉眼、样板或放大镜,涂层外观检测要求：涂层表面保持干净；检测要全面、细致；依据相关标准（QJ 990.2-1986）或技术要求。,不平整、针孔、氧化、脱皮、飞溅、表面裂纹、剥落、麻点、鼓泡、缩孔、疏松、斑点、毛刺、擦伤等,表面缺陷的种类及特点：,涂层表面缺陷（surface defects）检测,二、表面结构的表征,表面成分分析 X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能离子衍射普仪表面结构测定 X射线衍射、电子衍射、中子衍射等表面形貌观察 光学显微镜、扫描

2、电子显微镜、透射电子显微镜等,X射线衍射（XRD）,各相物质均具有其独具的晶体结构。在给定波长的X射线照射下，每种晶体物质都形成自己特定的衍射花样。对于复相物质，其衍射花样是各相物质衍射花样的机械叠加。将被测试样的衍射花样与一组标准单相物质的衍射花样逐一对比，从而判断其相组成。,X射线衍射分析的应用,物相定性分析物相定量分析点阵常数测定应力测定晶体取向测定,XRD物相定性分析的过程,获得衍射花样计算面间距d 值和测定相对强度/1检索PDF卡片和核对PDF卡片分析判定,XRD定量分析,常用的物相定量分析分析方法有三种：1 外标法（单线条法）它是用分析相的纯样品的某一衍射线为标准2 内标法 用掺入

3、试样内的某已知物相的衍射线为标准3 直接对比法 用试样中另一相的衍射线为标准,TiC涂层的XRD的谱线,俄歇电子能谱分析（AES）,俄歇电子能谱（AES）是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。,俄歇分析的选择,对于Z14的元素，采用KLL俄歇电子分析；1442时，以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。,俄歇跃迁几率及荧光几率与原子序数的关系,Z15的轻元素的K系俄歇电子以及所有元素的L系和M系俄歇电子产额都很高。由此可见，俄歇电子能谱对轻元素的检测特别敏感和有效。,主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电

4、子探测器、（样品）分析室、溅射离子枪和信号处理与记录系统等。,俄歇谱仪示意图,直接谱与微分谱,直接谱：俄歇电子强度密度(电子数)N(E)对其能量E的分布N(E)E。微分谱：由直接谱微分而来，是dN(E)/dE对E的分布dN(E)/dEE。,俄歇电子能谱示例(银原子的俄歇能谱),AES定性分析实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来识别元素的种类。AES定量分析俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，据此可以进行元素的半定量分析。,成分深度分析,AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能,主

5、要分析元素及含量随样品表面深度的变化。,镀铜钢深度分析曲线,微区分析,微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个方面。,X射线光电子能谱(XPS),X射线光电子能谱（XPS）：激发源为X射线，用X射线作用于样品表面，产生光电子。通过分析光电子的能量分布得到光电子能谱。用于研究样品表面组成和结构。,XPS图谱,如图以Mg 为激发源得到 的Ag片的XPS 谱图。图中有 Ag3d3/2和Ag 3d5/2光电子两 个强特征峰。用于鉴别银。,X射线光电子能谱仪 XPS仪由X射线激发源、样品台、电子能量分析器、检测器系统、超高真空系统等部分组成。,X射线光电子

6、能谱仪,定性分析 不同元素的原子，其电子结合能不同，电子结合能是特征性的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进行定性分析。半定量分析 经X射线照射后，从样品表面某原子出射的光电子的强度是与样品中该原子的浓度有线性关系，因此，可以利用它进行元素的半定量分析。,X射线光电子能谱定性、定量分析,硅晶体表面薄膜的物相分析 对薄膜全扫描分析得下图，含有Zn和S元素但化学态未知。,为得知Zn和S的存在形态，对Zn的最强峰进行窄扫描，其峰位1022eV比纯Zn峰1021.4eV更高，说明Zn内层电子的结合能增加了，即Zn的价态变正，根据含有S元素并查文献中Zn的标准谱图，确定薄膜中Zn是以ZnS

7、的形式存在的。,宏观形貌：体视显微镜、（数码）照相机,手段：光学显微镜、电子显微镜（SEM、TEM）目的：涂层微观组织结构过程：取样镶嵌磨制抛光腐蚀金相试样观察（OM、SEM或TEM）,显微组织结构分析,SEM,SEM成像原理：利用扫描电子束从样品表面激发出各种物理信号来调制成象的。物理信号：二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线等SEM的特点 分辨本领高、放大倍率可连续变化、景深长、视野大、成像富有立体感、试样制备简单,扫描电镜的构造,电子光学系统信号的收集和图像显示系统真空系统,SEM试样的制备,一般固体材料的试样制备都比较简单对于导电材料，只有几何尺寸和重量的要求，具体大小因扫描电镜

8、的型号不同而有所差异对于导电性差的材料或绝缘材料，通常要蒸镀一层薄的导电材料，如金、银、碳等,SEM的应用,二次电子形貌衬度应用断口形貌分析,背散射电子原子序数衬度应用背散射电子的信号即可以用来进行成分分析，也可以用于形貌分析，但是他进行形貌分析的分辨率远比二次电子低利用原子序数造成的衬度变化对金属和合金进行定性的成分分析，试样中重元素对应于图像上的亮区，轻元素对应暗区,TEM,TEM工作原理：在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。成像原理：成像原理与光学显微镜相同，透视通过透镜聚焦

9、成像。但也有区别：照明光源不同；聚焦透镜不同；透射电镜可形成电子衍射图像；图像显示方式不同,TEM的结构电子光学系统 照明系统、样品室、成像系统、观察记录系统电源与控制系统真空系统,TEM试样制备,影响因素：真空的影响、电子损伤的影响、电子束透射能力的影响制备方法：直接透射法、复型法、切片法、离子刻蚀减薄法TEM的应用相分布表面形貌位错、层错、晶界、孪晶界等,TiC颗粒TEM形貌,透射电镜下观察到的双相钢中的位错线,三、物理及力学性能检测,1.厚度的测定,局部厚度和平均厚度检测,非破坏性检测（无损检测）：厚度测试仪破坏性检测方法：金相显微镜,厚度测试仪,过程：制备涂层断面试样，用带有测微目镜的

10、金相显微镜观察特点：准确度高，判别直观,金相显微镜法,2.硬度试验,关系到涂层的耐磨性、强度及寿命等,宏观硬度与显微硬度,宏观硬度（平均硬度）：布氏、洛氏和维氏硬度计，以涂层整体大范围压痕为测定对象,显微硬度（相或颗粒的硬度）：显微硬度计，以涂层中相或微粒为测定对象,Ni60熔覆层硬度随熔覆温度的变化曲线,3.结合强度（附着力）试验,定义：单位表面积的涂层从基体或中间涂层上剥落下来所需要的力。结合力不符合要求，涂层的使用寿命会降低,测量方法：定性检测，栅格试验、弯曲试验、冲击试验、杯突试验定量检测，抗拉强度试验、剪切强度试验,栅格试验,原理：用硬质钢针或刀片将涂层切断至基体，使之形成一定尺寸的

11、方形格子，涂层不应产生剥离,弯曲试验,原理：矩形试样，在万能实验机上三点或四点弯曲使其形成一定挠度（0.1%）,冲击试验,过程：用锤击或落球对试样表面的涂层反复冲击，涂层在冲击力作用下局部变形、振动、疲劳以至最终剥落,评价：以锤击（或落球）次数评价涂层与基体结合强度,锤击试验：专用振动器，扁平冲击锤落球试验：5-50mm钢球，一定高度、倾斜角,抗拉结合强度试验,定义：涂层与基体结合面承受法线方向拉伸应力的极限能力,国标：GB/T 8642-2002 热喷涂抗拉结合强度测定,涂层剪切强度试验,定义：涂层与基体结合面承受切线方向剪切应力的极限能力国标：GB/T 1 3 2 2 2 一91金属热喷涂

12、剪切强度测试,四、耐蚀性检测,目的：检查涂层抵抗环境腐蚀的能力，考察其防护基体的寿命。,大气暴露（即户内外曝晒）试验 目的：评定涂层在大气环境下的耐蚀性使用环境试验 目的：评定涂层在使用环境中的耐蚀性人工模拟和加速腐蚀试验 目的：评定涂层耐蚀的性能,1.耐腐蚀性能的评定方法,重量法（增重法和失重法）以试样腐蚀前后的重量差来表征腐蚀速度 表面观察法（宏观观测和显微观测）宏观观测：就是对材料在腐蚀前后及去除腐蚀产物前后的形态做肉眼分析 显微观测：就是对受腐蚀的试样进行金相检查或断口分析，或者用扫描电镜、透射电镜、电子探针等做微观组织结构和相成分的分析 电化学测试法。,通过SEM背散射模式观察腐蚀试

13、样氧化膜界面的形貌,A890双相不锈钢的极化曲线,天然环境暴露试验 人工加速模拟盐雾环境试验 中性盐雾（NSS）试验：83000h，PH6.57.5，5%NaCl 水溶液，35.01.1或35.01.7 醋酸盐雾（AASS）试验：140240h，5%NaCl，乙酸调整PH3.13.3，温度同上 铜盐加速醋酸盐雾（CASS）试验：6720h，3.8L 5%NaCl水溶液加CuCl2H2O，PH6.57.5，49.01.1或49.01.7 交变盐雾试验：实际上是中性盐雾试验加恒定湿热试验。,2.盐雾试验,目的：用于考核产品、材料及其防护层抗盐雾腐蚀能力,腐蚀膏：高岭土中加入铜、铁等腐蚀盐类三价铁使

14、涂层引起应力腐蚀铜盐使涂层产生点蚀、裂纹和剥落、碎裂等氯化物的存在使涂层腐蚀加速,3.腐蚀膏腐蚀试验（CORR）,国标：GB/T 6465-2008,过程：涂覆自然干燥潮湿箱清洗评定特点：测试简便、试验周期短、重现性好,4.SO2工业气体腐蚀试验,以一定浓度的SO2气体，在一定温度和一定相对湿度下对涂层做腐蚀试验,5.电化学测试,M398电化学综合测试系统组成：M283恒电位/恒电流仪、M1025频率相应仪、腐蚀电池、计算机和打印系统电化学极化研究电化学阻抗研究,五、耐磨性检测,1.磨料磨损试验：,橡胶轮磨料磨损试验,销盘式磨料磨损试验,砂纸或砂布装在圆盘上，作为试验机的磨料试样为销钉式，压在砂纸上用试样失重评价涂层的耐磨性,2.摩擦磨损试验,试验原理环形或块状试样与配副件组成摩擦副环对环、块对环可干摩擦，也可用润滑摩擦速度可自由选取,评价：试样失重、磨损形貌、磨屑分析,MMU-5G屏显式高温端面摩擦磨损试验机,耐磨试验示意图,3.冲蚀磨损试验,试验原理试样放入橡胶板上并固定在电磁盘上射吸式喷砂枪，喷砂角及距离固定刚玉砂，喷砂速度恒定时间1min用试样失重评价涂层的耐磨性,