掃描電鏡及能譜分析在鋼鐵冶金中的應(yīng)用

徐煥欽

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067002）

闡述了設(shè)備能譜儀的掃描電子顯微鏡的工作原理和特點(diǎn)。介紹了掃描電鏡在鋼鐵企業(yè)中的主要應(yīng)用。從樣品制備過程、樣品研磨、生產(chǎn)過程、樣品標(biāo)記等方面，分析總結(jié)了影響能譜分析結(jié)果的幾個(gè)樣品制備因素。

1 掃描電子顯微鏡和能譜儀的原理與特征

掃描電鏡是由電子槍發(fā)射電子束，通過電子束轟擊試樣，使試樣表面激發(fā)出各種物理信號(hào)，通過收集這些物理信號(hào)而獲得圖像。掃描電鏡觀察樣品尺寸范圍較大，本公司配備的是直徑為10cm的樣品臺(tái)，樣品制備比較簡(jiǎn)單，經(jīng)清洗即可；樣品在樣品室內(nèi)可以做三維空間平移及90°內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可進(jìn)行多角度觀察，有利于分析斷裂形狀不規(guī)則的樣品；景深大，圖像立體感強(qiáng)；圖像放大范圍大，分辨率高；電子束對(duì)樣品的損傷和污染較??；另外，新型掃描電鏡配備相應(yīng)附件還能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察（如動(dòng)態(tài)拉伸、壓縮、彎曲、升降溫）等。能譜儀是通過高能量電子束照射樣品，樣品原子受激發(fā)產(chǎn)生特征X射線，通過收集X射線的特征能量確定元素類型的儀器。能譜儀可以同時(shí)探測(cè)多種元素，分析速度快，能在幾分鐘內(nèi)對(duì)“Z＞11”的元素進(jìn)行定量和定性分析。配備能譜的掃描電鏡結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有分析速度快，微區(qū)定點(diǎn)分析準(zhǔn)確，可進(jìn)行線、面掃描等特點(diǎn)。鋼鐵冶金行業(yè)樣品較大，且檢驗(yàn)量大，掃描電鏡的這些特點(diǎn)都有利于其應(yīng)用。

2 掃描電鏡與能譜分析在鋼鐵冶金中的實(shí)際應(yīng)用

（1）成分分析。掃描電鏡配備能譜儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼鐵中夾雜物或夾渣的成分分析、偏析帶的成分分析等。顯微技術(shù)和電子微區(qū)分析技術(shù)應(yīng)用于夾雜物的鑒定，使夾雜物鑒定分析得到一個(gè)飛躍發(fā)展。透射電子顯微鏡有極高的分辨率（0.2nm～0.3nm），但是它不能直接觀察材料本身，而是制成薄膜復(fù)型來觀察，只用于觀察細(xì)小顆粒的夾雜物，且制樣復(fù)雜，對(duì)于鋼鐵行業(yè)適用性有限，雖然掃描電子顯微鏡的分辨率不及透射電鏡，但是可以直接觀察試樣，得到立體感很強(qiáng)的圖像，借助樣品上激發(fā)出的X射線能譜，得出樣品中各元素的相對(duì)量。能譜儀可以對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行定點(diǎn)、線、面分析。點(diǎn)分析是將電子束固定在試樣感興趣的點(diǎn)進(jìn)行分析，點(diǎn)分析準(zhǔn)確度高，是顯微結(jié)構(gòu)成分分析常用的方法，例如對(duì)材料晶界、夾雜、析出相、沉淀物、奇異相等分析。線分析是電子束沿一條分析線進(jìn)行掃描，和試樣形貌對(duì)照，可以直觀地獲得元素在不同相或區(qū)域內(nèi)的分布，沿感興趣的線可以獲得沿線的成分變化曲線，例如對(duì)鍍層的分析。面分析是電子束在試樣表面掃描，元素在試樣表面的分布能在屏幕上以亮度分布顯示出來，面分析常用于研究材料中的雜質(zhì)、相的分布和元素的偏析。我們可以根據(jù)試樣的特點(diǎn)和分析目的合理選擇分析方法。

（2）掃描電子顯微鏡與能譜儀不同測(cè)試條件對(duì)定量分析的影響。掃描電子顯微鏡與X射線能譜儀在進(jìn)行定量分析時(shí)構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體，不同的測(cè)試條件會(huì)影響定量分析結(jié)果。以Cr23Ni18光譜標(biāo)樣為參照，分析了主要測(cè)試條件對(duì)定量結(jié)果的影響，主要測(cè)試條件包括：掃描電子顯微鏡的加速電壓、束斑直徑、工作距離、采集時(shí)間。①加速電壓的影響。加速電壓是進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)，特征X射線的產(chǎn)生和強(qiáng)度都與其相關(guān)。在進(jìn)行定量分析時(shí)，要根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇加速電壓的大小，加速電壓越大，電子束能量越大，當(dāng)樣品導(dǎo)電性較好、不容易被電子束損傷時(shí)，一般選用較高的加速電壓，但加速電壓又不能過高，過高的加速電壓會(huì)導(dǎo)致電子束對(duì)樣品的穿透能力過大而降低分辨率。固定除加速電壓以外的測(cè)試條件為：采集時(shí)間100s、電流500PA、工作距離15mm。掃描電子顯微鏡加速電壓范圍是1kV～30kV，在常用的電壓范圍內(nèi)選擇15kV、18kV、20kV、23kV、25kV進(jìn)行定量分析，加速電壓與定量分析結(jié)果并沒有線性關(guān)系。計(jì)算這4種元素的相對(duì)誤差，根據(jù)GB/T 17359—1998《電子探針和掃描電子顯微鏡X射線能譜定量分析通則》的要求，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%，允許的相對(duì)誤差不大于5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～20%的元素，允許的相對(duì)誤差不大于10%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～3%的元素，允許的相對(duì)誤差不大于30%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～1%的元素，允許的相對(duì)誤差不大于50%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同加速電壓下4種元素的相對(duì)誤差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合比較，加速電壓在20kV時(shí)結(jié)果比較接近真實(shí)值，此時(shí)相對(duì)誤差最小。②工作距離的影響。在進(jìn)行定量分析時(shí)，掃描電鏡的工作距離一般選擇廠家提供的最佳工作距離，但實(shí)際最佳工作距離與廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)最佳工作距離存在差距，一般通過微調(diào)掃描電鏡z軸數(shù)值，可調(diào)整樣品臺(tái)高度改變工作距離。固定其他測(cè)試條件：加速電壓20kV、采譜時(shí)間100s、電流500PA、選擇不同的工作距離為：10mm、12mm、15mm、18mm、20mm。工作距離的大小對(duì)定量結(jié)果影響較大，工作距離過大或過小都影響測(cè)量結(jié)果。根據(jù)GB/T 17359—1998《電子探針和掃描電子顯微鏡X射線能譜定量分析通則》的要求，不同工作距離下測(cè)得的結(jié)果均滿足相對(duì)誤差的要求，但相差較大。當(dāng)工作距離為10mm、18mm、20mm時(shí)，測(cè)定不出錳元素。綜合比較，工作距離在15mm時(shí)，測(cè)得的相對(duì)誤差較小，測(cè)得的結(jié)果最接近真實(shí)值。③探針電流和束斑直徑的影響。

探針電流直接影響到束斑直徑、信號(hào)強(qiáng)度、分辨率和圖像清晰程度。照射到樣品上的電子束斑尺寸越小可以獲得的分辨率越高，但電流和束斑又不能無(wú)限的小，電流過小會(huì)使信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，圖像分辨率下降，圖像不清晰。電流也不能過大，對(duì)于一些導(dǎo)電性不好的樣品，過大的電流會(huì)使樣品產(chǎn)生的電荷不能及時(shí)擴(kuò)散而形成電荷積累，產(chǎn)生放電現(xiàn)象。因此，要選擇合適的電流大小和束斑直徑尺寸。固定其他測(cè)試條件如下：加速電壓20kV、采譜時(shí)間100s、工作距離15mm，選擇不同的電流為300PA、500PA、800PA、1000PA、1200PA，對(duì)應(yīng)的束斑直徑為452μm、480μm、507μm、520μm、530μm，電流和束斑直徑大小對(duì)低含量元素的結(jié)果影響較大，對(duì)高含量元素影響較小。根據(jù)GB/T 17359—1998《電子探針和掃描電子顯微鏡X射線能譜定量分析通則》的要求，當(dāng)電流和束斑直徑較小時(shí)（300PA），由于信號(hào)較弱，未能檢測(cè)出含量較低的錳元素，電子束電流越大，檢測(cè)結(jié)果越接近于真實(shí)值，但電子束電流過大時(shí)，圖像不清晰、分辨率降低、能譜死時(shí)間延長(zhǎng)、造成計(jì)數(shù)損失。因此，綜合考慮，當(dāng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，電子束電流選擇500PA比較合適。④采集時(shí)間的影響。采集時(shí)間是活時(shí)間和死時(shí)間的總和，通常以活時(shí)間為準(zhǔn)。為了分析采集時(shí)間對(duì)定量結(jié)果的影響，固定其他測(cè)試條件：加速電壓20kV、工作距離15mm，電流500PA。選擇不同的采集時(shí)間為30s、50s、80s、100s、120s、150s。采集時(shí)間和定量分析結(jié)果沒有明顯的線性關(guān)系。4種元素的測(cè)量結(jié)果均滿足GB/T 17359《電子探針和掃描電子顯微鏡X射線能譜定量分析通則》中對(duì)于相對(duì)誤差的要求。采集時(shí)間較短時(shí)，低含量元素錳的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差較大。采譜時(shí)間為100s時(shí)，4種元素均可以檢測(cè)出結(jié)果，并且測(cè)量值的相對(duì)誤差較小。掃描電子顯微鏡的加速電壓、束斑直徑、工作距離、采集時(shí)間不同，所得到的元素的定量分析結(jié)果不同，通過對(duì)光譜標(biāo)樣Cr23Ni18的分析，最佳工作條件為：加速電壓20kV、工作距離15mm、電流500PA、束斑直徑480μm、采譜時(shí)間100s。在做分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同樣品選擇合適的工作條件，才能得到最佳的定量分析結(jié)果。

（3）鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和缺陷分析。鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，由于煉鋼及軋制過程中的一些原因，造成鋼材會(huì)出現(xiàn)各種各樣的缺陷，掃描電鏡對(duì)鋼材質(zhì)量的提高和缺陷分析起著不可替代的作用，如連鑄坯裂紋、氣泡；中心縮孔；翹皮；異金屬夾雜；白點(diǎn)；軸心晶間裂紋；鋼坯過燒導(dǎo)致的晶界氧化；軋制過程造成的機(jī)械劃傷、折疊、氧化皮壓入；過酸洗導(dǎo)致的腐蝕坑；涂層剝落；晶界碳化物、中心疏松及其他缺陷。

（4）分析軟件功能。掃描電鏡自帶的分析軟件具有強(qiáng)大的測(cè)量分析功能，可以直接對(duì)樣品測(cè)量或直接在圖片上進(jìn)行任何距離、面積的測(cè)定，例如可以測(cè)量夾雜物長(zhǎng)度、寬度，晶粒的大小，相與相之間的距離等。

總之。隨著掃描電鏡分析功能的強(qiáng)大，增加了材料分析方法的多樣性，而我們利用掃描電鏡分析問題的最終目的是使研究結(jié)果更準(zhǔn)確，這就要求使用人員在利用掃描電鏡及能譜分析樣品時(shí)，要充分考慮影響樣品制備的一些影響因素，精細(xì)的制取樣品，避免假象等不利因素影響技術(shù)人分析缺陷原因，充分發(fā)揮掃描電鏡的最大使用潛能，未來，掃描電子顯微鏡等檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合將推動(dòng)鋼鐵冶金的研究向更深、更廣的方向發(fā)展。