材料表面分析技術(shù)

1、材料表面分析技術(shù)第1頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四一、外觀檢測(cè)（visual examination ）含義：肉眼、樣板或放大鏡 涂層外觀檢測(cè)要求： 涂層表面保持干凈；檢測(cè)要全面、細(xì)致；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（QJ 990.2-1986 ）或技術(shù)要求。第2頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四不平整、針孔、氧化、脫皮、飛濺、表面裂紋、剝落、麻點(diǎn)、鼓泡、縮孔、疏松、斑點(diǎn)、毛刺、擦傷等 表面缺陷的種類及特點(diǎn)： 涂層表面缺陷（surface defects ）檢測(cè)第3頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四二、表面結(jié)構(gòu)的表征表面成分分析 X射線

2、光電子能譜、俄歇電子能譜、低能離子衍射普儀表面結(jié)構(gòu)測(cè)定 X射線衍射、電子衍射、中子衍射等表面形貌觀察 光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等第4頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四X射線衍射（XRD）各相物質(zhì)均具有其獨(dú)具的晶體結(jié)構(gòu)。在給定波長(zhǎng)的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都形成自己特定的衍射花樣。對(duì)于復(fù)相物質(zhì)，其衍射花樣是各相物質(zhì)衍射花樣的機(jī)械疊加。將被測(cè)試樣的衍射花樣與一組標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣逐一對(duì)比，從而判斷其相組成。第5頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四X射線衍射分析的應(yīng)用物相定性分析物相定量分析點(diǎn)陣常數(shù)測(cè)定應(yīng)力測(cè)定晶體取向測(cè)定第6頁(yè)，

3、共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四XRD物相定性分析的過程獲得衍射花樣計(jì)算面間距d 值和測(cè)定相對(duì)強(qiáng)度/1檢索PDF卡片和核對(duì)PDF卡片分析判定第7頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四XRD定量分析常用的物相定量分析分析方法有三種：1 外標(biāo)法（單線條法） 它是用分析相的純樣品的某一衍射線為標(biāo)準(zhǔn)2 內(nèi)標(biāo)法 用摻入試樣內(nèi)的某已知物相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)3 直接對(duì)比法 用試樣中另一相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)第8頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四TiC涂層的XRD的譜線第9頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四俄歇電子能譜分析（AES

4、）俄歇電子能譜（AES）是用具有一定能量的電子束(或X射線)激發(fā)樣品俄歇效應(yīng)，通過檢測(cè)俄歇電子的能量和強(qiáng)度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方法。第10頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四俄歇分析的選擇對(duì)于Z14的元素，采用KLL俄歇電子分析；14Z42時(shí)，以采用MNN和MNO俄歇電子為佳。俄歇躍遷幾率及熒光幾率與原子序數(shù)的關(guān)系 Z15的輕元素的K系俄歇電子以及所有元素的L系和M系俄歇電子產(chǎn)額都很高。由此可見，俄歇電子能譜對(duì)輕元素的檢測(cè)特別敏感和有效。第11頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四第12頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22

5、點(diǎn)35分，星期四主要組成部分：電子槍、能量分析器、二次電子探測(cè)器、（樣品）分析室、濺射離子槍和信號(hào)處理與記錄系統(tǒng)等。俄歇譜儀示意圖第13頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四直接譜與微分譜直接譜：俄歇電子強(qiáng)度密度(電子數(shù))N(E)對(duì)其能量E的分布N(E)E。微分譜：由直接譜微分而來(lái)，是dN(E)/dE對(duì)E的分布dN(E)/dEE。俄歇電子能譜示例(銀原子的俄歇能譜) 第14頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四AES定性分析實(shí)際分析的俄歇電子譜圖是樣品中各種元素俄歇電子譜的組合，定性分析的方法是將測(cè)得的俄歇電子譜與純?cè)氐臉?biāo)準(zhǔn)譜圖比較，通過對(duì)比峰的位置和

6、形狀來(lái)識(shí)別元素的種類。AES定量分析俄歇電子強(qiáng)度與樣品中對(duì)應(yīng)原子的濃度有線性關(guān)系，據(jù)此可以進(jìn)行元素的半定量分析。第15頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四成分深度分析AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能,主要分析元素及含量隨樣品表面深度的變化。鍍銅鋼深度分析曲線 第16頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四 微區(qū)分析 微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個(gè)重要功能，可以分為選點(diǎn)分析，線掃描分析和面掃描分析三個(gè)方面。第17頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四X射線光電子能譜(XPS)X射線光電子能譜（XPS）：激發(fā)源為X射線，用

7、X射線作用于樣品表面，產(chǎn)生光電子。通過分析光電子的能量分布得到光電子能譜。用于研究樣品表面組成和結(jié)構(gòu)。第18頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四 XPS圖譜如圖以Mg 為激發(fā)源得到 的Ag片的XPS 譜圖。圖中有 Ag3d3/2和Ag 3d5/2光電子兩 個(gè)強(qiáng)特征峰。 用于鑒別銀。第19頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四X射線光電子能譜儀 XPS儀由X射線激發(fā)源、樣品臺(tái)、電子能量分析器、檢測(cè)器系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)等部分組成。第20頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四X射線光電子能譜儀第21頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，2

8、2點(diǎn)35分，星期四定性分析 不同元素的原子，其電子結(jié)合能不同，電子結(jié)合能是特征性的。因此，我們可以根據(jù)電子的結(jié)合能對(duì)物質(zhì)的元素種類進(jìn)行定性分析。半定量分析 經(jīng)X射線照射后，從樣品表面某原子出射的光電子的強(qiáng)度是與樣品中該原子的濃度有線性關(guān)系，因此，可以利用它進(jìn)行元素的半定量分析。X射線光電子能譜定性、定量分析第22頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四硅晶體表面薄膜的物相分析 對(duì)薄膜全掃描分析得下圖，含有Zn和S元素但化學(xué)態(tài)未知。第23頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四為得知Zn和S的存在形態(tài)，對(duì)Zn的最強(qiáng)峰進(jìn)行窄掃描，其峰位1022eV比純Zn峰10

9、21.4eV更高，說明Zn內(nèi)層電子的結(jié)合能增加了，即Zn的價(jià)態(tài)變正，根據(jù)含有S元素并查文獻(xiàn)中Zn的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，確定薄膜中Zn是以ZnS的形式存在的。 第24頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四 宏觀形貌：體視顯微鏡、（數(shù)碼）照相機(jī)第25頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四手段：光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡（SEM、TEM）目的：涂層微觀組織結(jié)構(gòu)過程：取樣鑲嵌磨制拋光腐蝕金相試樣觀察（OM、SEM或TEM） 顯微組織結(jié)構(gòu)分析第26頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四SEMSEM成像原理： 利用掃描電子束從樣品表面激發(fā)出各種物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成

10、象的。物理信號(hào)：二次電子、背散射電子、俄歇電子、特征X射線等SEM的特點(diǎn) 分辨本領(lǐng)高、放大倍率可連續(xù)變化、景深長(zhǎng)、視野大、成像富有立體感、試樣制備簡(jiǎn)單第27頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四掃描電鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)的收集和圖像顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)第28頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四SEM試樣的制備一般固體材料的試樣制備都比較簡(jiǎn)單對(duì)于導(dǎo)電材料，只有幾何尺寸和重量的要求，具體大小因掃描電鏡的型號(hào)不同而有所差異對(duì)于導(dǎo)電性差的材料或絕緣材料，通常要蒸鍍一層薄的導(dǎo)電材料，如金、銀、碳等第29頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四S

11、EM的應(yīng)用二次電子形貌襯度應(yīng)用斷口形貌分析第30頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四背散射電子原子序數(shù)襯度應(yīng)用背散射電子的信號(hào)即可以用來(lái)進(jìn)行成分分析，也可以用于形貌分析，但是他進(jìn)行形貌分析的分辨率遠(yuǎn)比二次電子低利用原子序數(shù)造成的襯度變化對(duì)金屬和合金進(jìn)行定性的成分分析，試樣中重元素對(duì)應(yīng)于圖像上的亮區(qū)，輕元素對(duì)應(yīng)暗區(qū)第31頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四第32頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四TEMTEM工作原理： 在一個(gè)高真空系統(tǒng)中，由電子槍發(fā)射電子束，穿過被研究的樣品，經(jīng)電子透鏡聚焦放大，在熒光屏上顯示出高度放大的物像，還

12、可作攝片記錄的一類最常見的電子顯微鏡。 成像原理： 成像原理與光學(xué)顯微鏡相同，透視通過透鏡聚焦成像。 但也有區(qū)別：照明光源不同；聚焦透鏡不同；透射電鏡可形成電子衍射圖像；圖像顯示方式不同 第33頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四TEM的結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng) 照明系統(tǒng)、樣品室、 成像系統(tǒng)、觀察記錄系統(tǒng)電源與控制系統(tǒng)真空系統(tǒng)第34頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四TEM試樣制備影響因素：真空的影響、電子損傷的影響、電子束透射能力的影響制備方法：直接透射法、復(fù)型法、切片法、離子刻蝕減薄法TEM的應(yīng)用相分布表面形貌位錯(cuò)、層錯(cuò)、晶界、孿晶界等第35頁(yè)，共62頁(yè)

13、，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四TiC顆粒TEM形貌第36頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四透射電鏡下觀察到的雙相鋼中的位錯(cuò)線第37頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四三、物理及力學(xué)性能檢測(cè)1.厚度的測(cè)定局部厚度和平均厚度檢測(cè)非破壞性檢測(cè)（無(wú)損檢測(cè)）：厚度測(cè)試儀破壞性檢測(cè)方法：金相顯微鏡第38頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四厚度測(cè)試儀第39頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四過程：制備涂層斷面試樣，用帶有測(cè)微目鏡的金相顯微鏡觀察特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，判別直觀金相顯微鏡法第40頁(yè)，共62頁(yè)，20

14、22年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四2.硬度試驗(yàn) 關(guān)系到涂層的耐磨性、強(qiáng)度及壽命等 宏觀硬度與顯微硬度宏觀硬度（平均硬度）：布氏、洛氏和維氏硬度計(jì)，以涂層整體大范圍壓痕為測(cè)定對(duì)象顯微硬度（相或顆粒的硬度）：顯微硬度計(jì)，以涂層中相或微粒為測(cè)定對(duì)象第41頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四 Ni60熔覆層硬度隨熔覆溫度的變化曲線 第42頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四3.結(jié)合強(qiáng)度（附著力）試驗(yàn)定義：?jiǎn)挝槐砻娣e的涂層從基體或中間涂層上剝落下來(lái)所需要的力。結(jié)合力不符合要求，涂層的使用壽命會(huì)降低測(cè)量方法：定性檢測(cè)，柵格試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、杯突試驗(yàn)

15、定量檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、剪切強(qiáng)度試驗(yàn)第43頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四柵格試驗(yàn)原理：用硬質(zhì)鋼針或刀片將涂層切斷至基體，使之形成一定尺寸的方形格子，涂層不應(yīng)產(chǎn)生剝離第44頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四彎曲試驗(yàn)原理：矩形試樣，在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲使其形成一定撓度（0.1%）第45頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四沖擊試驗(yàn)過程：用錘擊或落球?qū)υ嚇颖砻娴耐繉臃磸?fù)沖擊，涂層在沖擊力作用下局部變形、振動(dòng)、疲勞以至最終剝落評(píng)價(jià)：以錘擊（或落球）次數(shù)評(píng)價(jià)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度錘擊試驗(yàn)：專用振動(dòng)器，扁平?jīng)_擊錘落球試驗(yàn)：5-50

16、mm鋼球，一定高度、傾斜角第46頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四抗拉結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)定義：涂層與基體結(jié)合面承受法線方向拉伸應(yīng)力的極限能力國(guó)標(biāo)：GB/T 8642-2002 熱噴涂抗拉結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定第47頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四涂層剪切強(qiáng)度試驗(yàn)定義：涂層與基體結(jié)合面承受切線方向剪切應(yīng)力的極限能力國(guó)標(biāo)：GB / T 1 3 2 2 2 一91金屬熱噴涂剪切強(qiáng)度測(cè)試第48頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四四、耐蝕性檢測(cè)目的：檢查涂層抵抗環(huán)境腐蝕的能力，考察其防護(hù)基體的壽命。大氣暴露（即戶內(nèi)外曝曬）試驗(yàn) 目的：評(píng)定涂層在大氣

17、環(huán)境下的耐蝕性使用環(huán)境試驗(yàn) 目的：評(píng)定涂層在使用環(huán)境中的耐蝕性人工模擬和加速腐蝕試驗(yàn) 目的：評(píng)定涂層耐蝕的性能第49頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四1.耐腐蝕性能的評(píng)定方法重量法（增重法和失重法 ） 以試樣腐蝕前后的重量差來(lái)表征腐蝕速度 表面觀察法（宏觀觀測(cè)和顯微觀測(cè)） 宏觀觀測(cè)：就是對(duì)材料在腐蝕前后及去除腐蝕產(chǎn)物前后的形態(tài)做肉眼分析 顯微觀測(cè)：就是對(duì)受腐蝕的試樣進(jìn)行金相檢查或斷口分析，或者用掃描電鏡、透射電鏡、電子探針等做微觀組織結(jié)構(gòu)和相成分的分析 電化學(xué)測(cè)試法。第50頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四通過SEM背散射模式觀察腐蝕試樣氧化膜界

18、面的形貌 A890雙相不銹鋼的極化曲線第51頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四天然環(huán)境暴露試驗(yàn) 人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗(yàn) 中性鹽霧（NSS）試驗(yàn)：83000h，PH6.57.5，5%NaCl 水溶液，35.01.1或35.01.7 醋酸鹽霧（AASS）試驗(yàn)：140240h， 5%NaCl， 乙酸調(diào)整PH3.13.3，溫度同上 銅鹽加速醋酸鹽霧（CASS）試驗(yàn)：6720h，3.8L 5%NaCl水溶液加CuCl2H2O，PH6.57.5， 49.01.1或49.01.7 交變鹽霧試驗(yàn) ：實(shí)際上是中性鹽霧試驗(yàn)加恒定濕熱試驗(yàn) 。2.鹽霧試驗(yàn)?zāi)康模河糜诳己水a(chǎn)品、材料及其防護(hù)層抗

19、鹽霧腐蝕能力 第52頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四腐蝕膏：高嶺土中加入銅、鐵等腐蝕鹽類三價(jià)鐵使涂層引起應(yīng)力腐蝕銅鹽使涂層產(chǎn)生點(diǎn)蝕、裂紋和剝落、碎裂等氯化物的存在使涂層腐蝕加速 3.腐蝕膏腐蝕試驗(yàn)（CORR）國(guó)標(biāo)：GB/T 6465-2008過程：涂覆自然干燥潮濕箱清洗評(píng)定特點(diǎn)：測(cè)試簡(jiǎn)便、試驗(yàn)周期短、重現(xiàn)性好第53頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四4. SO2工業(yè)氣體腐蝕試驗(yàn)以一定濃度的SO2氣體，在一定溫度和一定相對(duì)濕度下對(duì)涂層做腐蝕試驗(yàn)第54頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期四5.電化學(xué)測(cè)試M398電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)組成：M283恒電位/恒電