Aplicación del microscopio electrónico de barrido en el análisis de materiales

Desde que salió el primer microscopio electrónico de barrido comercial en 1965, después de 40 años de mejora continua, la resolución de la microscopía electrónica de barrido ha aumentado de 25 nm del primero a 0.01 nm. La mayor parte de la microscopía electrónica de barrido se puede combinar con un espectrómetro de rayos X y un espectrómetro de energía de rayos X, que se ha convertido en un análisis exhaustivo del micromundo de la superficie. Instrumento de microscopía electrónica multifuncional. La microscopía electrónica de barrido (SEM) se ha convertido en una herramienta poderosa ampliamente utilizada en diversos campos científicos y sectores industriales. La microscopía electrónica de barrido (SEM) se ha utilizado ampliamente en muchos campos, como geología, biología, medicina, metalurgia, procesamiento mecánico, materiales, fabricación de semiconductores e inspección de cerámica.

La microscopía electrónica de barrido (SEM) juega un papel extremadamente importante en el campo de los materiales. Es ampliamente utilizado en el estudio de la morfología, la condición de la interfaz, el mecanismo de daño y la predicción del rendimiento del material de varios materiales. La microscopía electrónica de barrido (SEM) se puede utilizar para estudiar los defectos de los cristales y su proceso de producción directamente. Puede observar el modo de agregación de átomos en materiales metálicos y sus verdaderos límites. También puede observar el modo de movimiento de los límites en diferentes condiciones. También puede verificar el daño y el daño por radiación causados por el cristal en el mecanizado de superficies.

Principio de funcionamiento del microscopio electrónico de barrido

El principio de funcionamiento del microscopio electrónico de barrido se muestra en

Fig. 1 Diagrama esquemático del microscopio electrónico de barrido

El microscopio electrónico de barrido (SEM) está compuesto por haces de electrones emitidos por una pistola de electrones. Bajo la acción del voltaje acelerado, los haces de electrones convergen a través de un sistema de lente magnética para formar un sistema óptico electrónico con un diámetro de 5 nm. Después de dos o tres lentes electromagnéticas, los haces de electrones convergen en un delgado haz de electrones que se enfoca en la superficie de la muestra. Se monta una bobina de exploración en el lado superior de la lente final, debajo de la cual se escanea el haz de electrones en la superficie de la muestra. Debido a la interacción entre los haces de electrones de alta energía y los materiales de muestra, se generan varios tipos de información: electrones secundarios, electrones de reflexión, electrones de absorción, rayos X, electrones Auger, catodoluminiscencia y electrones de transmisión. Estas señales son recibidas por el receptor correspondiente, amplificadas y enviadas a la puerta del tubo de imagen para modular el brillo del tubo de imagen. Debido a que la corriente en la bobina de exploración corresponde al brillo del tubo de imagen, es decir, cuando el haz de electrones alcanza un punto en la muestra, aparece un punto brillante en la pantalla del tubo de imagen. De esta manera, la microscopía electrónica de barrido (SEM) utiliza un método de imagen punto por punto para convertir las diferentes características de la superficie de la muestra en señales de video proporcionalmente para completar un marco de imágenes, de modo que podamos observar varias imágenes características de superficie de muestra en la pantalla fluorescente.

Anexo del microscopio electrónico de barrido

La microscopía electrónica de barrido (SEM) generalmente está equipada con un espectrómetro o un espectrómetro de energía. El espectrómetro utiliza la ecuación de Bragg 2dsin (= () para excitar los rayos X de la muestra y separarlos mediante cristales apropiados. Los rayos X característicos con diferentes longitudes de onda tendrán diferentes ángulos de difracción de 2 (). El espectrómetro es una herramienta poderosa para análisis de componentes de microárea. La resolución de la longitud de onda del espectrómetro es muy alta, pero su rango de aplicación es limitado debido a la baja utilización de los rayos X. El espectrómetro de energía es un método de análisis de elementos basado en la diferencia de energía del espectro de rayos X. Para un elemento, cuando el radio cuántico de rayos X transita del número cuántico principal estómago N1 al número cuántico principal n2, hay una energía específica (= (n1- (n2). El espectrómetro de dispersión de energía tiene alta resolución y velocidad de análisis rápida , pero su capacidad de resolución es pobre. A menudo hay líneas superpuestas, y la precisión del análisis de elementos para contenido bajo es muy pobre.

Los espectrómetros y los espectrómetros de energía no pueden reemplazarse entre sí, sino complementarse entre sí.

Aplicación del microscopio electrónico de barrido en ciencia de materiales

Observación de la morfología superficial de los materiales.

FIGURA 1 MORFOLOGÍA SEM DE SUPERFICIE DE PELADO LATERAL DE Mg RODADO EN CALIENTE

La morfología SEM de la superficie de pelado lateral de Mg de la lámina revestida de Al-Mg laminada en caliente (temperatura de laminación 400 C, tasa de reducción 45%) se muestra en la Figura 1. En el gráfico, podemos ver claramente que hay muchos bordes rasgados y plataformas en la superficie de pelado, y hay muchas pequeñas rayas radiales y hoyuelos en la plataforma de rasgado.

Segunda fase de material de observación

Figura 2 Microestructura de alta potencia de aleación de magnesio AZ31 por SEM

Se puede ver claramente en la Fig. 2 que el tamaño de la segunda fase Mg17Al12 después de la fragmentación es de aproximadamente 4 m, y hay muchas partículas pequeñas dispersas cerca del Mg17Al12 "a granel" con un tamaño de aproximadamente 0,5 m. Esta es la segunda fase Mg17Al12 precipitada de la solución sólida sobresaturada de base a-Mg durante el proceso de enfriamiento después de laminación en caliente, lo que muestra la finura de esta distribución morfológica. El Mg17Al12 bifásico puede inhibir eficazmente el movimiento de dislocación, mejorar la resistencia del material y desempeñar el papel de fortalecimiento de la dispersión, pero no reducirá significativamente la plasticidad de la aleación de magnesio AZ31.

Observación de la interfaz del material

Figura 3 Escaneo de línea de interfaz móvil Mg / Al [1]

La figura 3 es una imagen de exploración de línea de la interfaz compuesta rodante Mg / Al. A partir del gráfico, podemos ver que se puede obtener el escaneo de línea a través de la interfaz entre Mg y Al. En el lado de Al, el contenido de Mg es bajo, y en el lado de Mg, Al es casi cero. Sin embargo, en la interfaz, se produce aproximadamente la mitad de Mg y Al, lo que indica que la difusión se produce en la interfaz, formando Mg y Al. Capa de difusión.

Observación de fractura de material.

(a) As-cast  

 (b) Laminado en caliente

Figura 4 Morfología de fractura por tracción de la aleación de magnesio AZ31

La morfología de escaneo SEM de la fractura por tracción de la aleación de magnesio AZ31 as-cast se muestra en la figura 3-6. De la Fig. 4 (a), se puede ver que hay plataformas obvias de fractura por escisión y algunos hoyuelos en el punto de rotura final, que son básicamente fracturas de cuasi escisión con poca plasticidad. Esto se debe a que hay una gran segunda fase frágil de Mg17Al12 en el límite de grano de la aleación de magnesio AZ31 moldeada, que es fácil de romper y formar una fuente de grietas durante la deformación por tracción. La morfología de la fractura de la aleación de magnesio AZ31 laminada en caliente muestra un fenómeno de cuello obvio. Como se muestra en la Figura 4 (b), la morfología de la macro fractura de la aleación de magnesio AZ31 muestra una morfología de fractura dúctil con un tamaño de hoyuelos que varía de 5 a 20 m.

Observaciones finales

La microscopía electrónica de barrido (SEM) se usa ampliamente en la ciencia de los materiales. Se puede utilizar no solo en los aspectos anteriores de la ciencia de los materiales, sino también en la falla por fatiga de los metales y la observación morfológica de impurezas. Como estudiante con especialización en materiales, debemos comprender el principio de funcionamiento y la aplicación de la microscopía electrónica de barrido, y hacer un uso completo de la herramienta de microscopía electrónica de barrido en nuestra investigación científica para realizar un estudio exhaustivo y meticuloso de los materiales.