Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

собой в том отношении, что при их смене не требуется грубой фо-

кусировки.

Наблюдение структуры может быть монокулярным или биноку-

лярным с помощью окуляра РК12.5 * при мнимом диаметр) поля

прения

200 мм. Вращением рукоятки можно изменять кратность

увеличения от 8 до 20 раз.

Фотографировать можно или с помощью крупноформатной камеры

на

фотопластинках от 13x18 до

0,5x9

см, или на микрофотографи-

Рис. 39.

Микроскоп

«Неофот-2»

(ГДР):

;

микроскоп;

2 —

прецизионный

столик; 3 —

экран

для наблюдения

фото-

графируемой

структуры; 4 — фотокамера; 5 — рукоятка приспособления для

быстрой

смены объективов; 6 — бинокуляр для визуального наблюдения; 7 —

рукоятка

для

изменения

увеличения

ческом устройстве MF. В отличие от

других

микроскопов «Неофот-2»

снабжен экспозиционным автоматом, который автоматически для

любого освещения устанавливает оптимальную выдержку (целесооб-

разно вначале правильно подобрать установочную выдержку) про-

должительностью от 0,1 до 30 мин и более.

Микроскоп

«Неофот-2» снабжен приставкой для измерения микро-

твердости и приспособлением для интерференционного наблюдения

контроля состояния поверхности.

Микроскопы

инфракрасным

излучением

Для исследования структуры полупроводников и некоторых

минералов используют микроскопы

МИК-3

МИК-4,

в которых

создается инфракрасное излучение (А. =

0,75—

1,2 мкм). В этом излучении значительная группа полупроводниковых

материалов, например кремния, арсенида галлия и др., прозрачна.

Поэтому можно выявить наличие в

структуре

различных включений:

газовые пузыри и дефекты структуры и т. п., поскольку они обла-

дают

другим коэффициентом преломления. Можно также при ис-

пользовании поляризованного света получить информацию о тонком

строении — наличии блоков и характере напряжений,

Увеличение микроскопа

МИК-3

25—270

и МИК-4

45—5260

в проходящем свете и

95—5625

раз в отраженном.

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Использование электронных лучей, обладающих малой длиной

волны, позволяет заметно увеличить разрешающую способность

оптической системы.

Длина волны электронов обратно пропорциональна их импульсу,

т. е.

Я,

hlmv,

где h — постоянная Планка;

т, v — соответственно масса и скорость электрона.

Изменяя

скорость электронов, можно изменять и длину волны.

Скорость электронов можно изменять, если пропускать их через

электрическое поле высокой напряженности;

тогда

y=/2miZ7//" или b =

где U' — напряжение;

е — заряд электрона.

Подставим значение

всех

физических постоянных и введем

коэф-

фициент

для перевода единиц измерения напряжения с тем, чтобы

была выражена как

1 1/150

п-в J2^L .

учетом

изменения массы электрона при увеличении скорости

_ 1 Т/^О s

+9,761/-10-'

V U

А<

В электронном микроскопе

удается

достигнуть разрешающей

способности системы в 100 000 раз больше. Однако в действитель-

ности вследствие ряда явлений, сопутствующих прохождению потока

электронов, — сферической и хроматической аберрации и т. д.

максимальная разрешающая способность электронного микроскопа

оказывается лишь в

100—200

раз больше оптического. Таким обра-

зом,

максимальное увеличение электронного микроскопа достигает

100

000—200

000 раз.

Устройство

электронного

микроскопа.

Внешний вид электрон-

ного микроскопа представлен на рис. 40, а принципиальная схема —

на

рис. 41.

Современный электронный микроскоп состоит из источника

электронов — электронной пушки (см. позиции /—3 на рис. 41),

в которой не только происходит эмиссия электронов, но и достигается

увеличение их скорости за счет приложенного напряжения. Элек-

троны вылетают при нагреве вольфрамовой спирали, являющейся

катодом.

Между

спиралью и анодом, находящимся на небольшом

расстоянии,

создается мощное электрическое поле, необходимое для

повышения

скорости движения электронов.

Анод

представляет пла-

стинку с отверстием посередине. Электроны проходят через отвер-

Рис.

40.

Внешний

вид

электронного микроокопа

ЭМ-8

стие и через расположенные ниже конденсорные линзы

. Конден-

сорная

или расположенные

объективная промежуточная и

проекционные

линзы имеют значительное по величине магнитное или

электростатическое поле. В соответствии с этим микроскопы

могут

быть магнитными, электростатическими и смешанными.

Магнитные микроскопы разделяют на электромагнитные, в кото-

рых поле в линзах создается соленоидами, и магнитностатические,

В электростатических микроскопах конденсорная линза

отсутствует,

а в элек-

тромагнитных микроскопах с высокой разрешающей способностью применяют двой-

ную конденсорную линзу.

которых поле создается мощными постоянными магнитами из вы-

сококоэрцитивных

сплавов.

Наиболее распространены электромагнитные микроскопы.

Прин-

ципиальная

схема

устройства проекционной и объективной линз

этих микроскопах показана на рис. 41. Эти линзы играют

такую

же

роль, как объектив и окуляр

системе оптического микро-

скопа.

Фокусирующее дейст-

вие линз в электронном ми-

кроскопе

создается в резуль-

Рис. 41. Принципиальная

схема

оптического (а) и электронного микроскопа (б):

а « / •— источник освещения; 2 — конденсорная линза: 3 — объектив; 4 — окуляр; 5 — изо-

бражение;

б—/ — катод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — анод; 4 — диафрагма первого конденсора;

5 — первый конденсор; 6 — диафрагма второго конденсора; 7 — второй конденсор; 8 — стиг-

матор второго конденсора; 9 — корректор юстировки; 10 — объект; // — столик для объектов;

— объективная линза; 13 — апертурная диафрагма; 14 — стигматор объективной линзы;

— секторная диафрагма; 16 — стигматор промежуточной линзы; 17 — промежуточная лин-

за; 18 — диафрагма поля зрения; 19 — проекционная линза; 20 — экран

тате

взаимодействия электронов с магнитным (или электрическим)

полем, напряженность которого и характер распределения сило-

вых линий (или поверхностей равного потенциала) определяют

расчетным способом. Электромагнитные линзы состоят из катушки,

заключенной

в железный панцирь, так как поле должно быть очень

сильным.

Внутри катушек устанавливают полюсные наконечники

специальной

формы, в зазоре

между

которыми и создается очень

небольшое

по

протяженности,

но

сильное поле.

При

этом умень-

шается фокусное расстояние,

что

дает

большее увеличение

умень-

шает искажение изображения.

Затем поток электронных лучей попадает

на

объект.

зависи-

мости

от

метода исследования объекта

существует

ряд

конструкций

микроскопов:

1. Просвечивающие,

которых поток электронов проходит через

объект; получаемое изображение является результатом различного

рассеивания электронов

на

объекте.

2. Отражательные,

которых изображение создается электро-

нами,

отраженными

от

поверхности объекта.

Эти

микроскопы имеют

принципиальную

схему

электронно-оптической системы, близкую

оптической.

3. Эмиссионные,

которых изображение создается

от

поверх-

ности,

светящейся

под

действием электронов.

4. Растр-микроскопы,

где

изображение создается

за

счет вторич-

ной

эмиссии электронов, излучаемых поверхностью,

на

которую

падает непрерывно перемещающийся

по

этой поверхности поток

первичных электронов.

Просвечивающие

микроскопы

Наиболее распространен просвечивающий микроскоп,

так как в от-

ражательных электронных микроскопах

при

отражении электрон-

ных лучей

от

поверхности непрозрачного объекта, например металла,

возникает значительная хроматическая аберрация

другие

явления,

приводящие

резкому снижению разрешающей способности микро-

скопа

и,

следовательно,

потере этого основного преимущества

электронного микроскопа.

Имеется несколько типов просвечивающих микроскопов.

Электронный микроскоп ЭМВ-100Л имеет ускоряющее напря-

жение

до 100 кВ,

электронное увеличение

до 400 000 раз и

разре-

шающую способность

не

менее

3 А.

Наблюдение структуры

«на

просвет»

этом микроскопе может

быть

светлом

темном поле. Кроме того,

помощью специального

устройства

ПРОН-3

можно рассматривать изменения структуры

металлических

других

пленок

—

объектов

при

растяжении

(ма-

ксимальное удлинение

75 мкм) и в

процессе нагрева

до 1000° G.

Для использования этого устройства полюсный наконечник

объек-

тивной линзе заменяют

на

наконечник

увеличенным отверстием

блок питания подключают

сети

выводам объективной линзы.

Однако

итоге разрешающее расстояние заметно возрастает

до

А при

использовании устройства

для

растяжения

и до 30 А при

использовании устройства

для

нагрева.

этом

же

микроскопе можно методом микродифракции опреде-

лять кристаллическую

структуру

частиц присутствующих

фаз,

если

их размер

не

менее

2—3 мкм.

Микроскоп

ЭМ150 имеет ускоряющее напряжение

до 150 кВ

разрешающее расстояние

5 А. На

микроскопе также можно

ис-

Плоскость

объекта

Обпасть

поля

пинзы

А'

В' С

Флуоресцирующий

экран

Рис.

42.

Образование

контраста

изображе-

ния

электронном микроскопе

пользовать приставку «ПРОН-3»

изучать

структуру

фаз

методом

микродифракции,

если

их

линейные размеры

не

менее

2 мкм. Уве-

личение

микроскопе

до 150 000 раз.

Микроскоп

УЭМВ-ЮОК характеризуется разрешающей способ-

ностью

8 А и

увеличением

до 200 000 раз.

Создана целая серия

других

электронных микроскопов:

ЭМ8

(рис. 40) с

предельной разрешающей способностью

5—6 А

увеличением

до 200 000 раз;

ЭМ9

разрешающей способно-

стью

35 А и

увеличением

до

140

000 раз;

ЭМ114

разрешающей способ-

ностью (предельной)

120 А и уве-

личением

до 100 000 раз.

Микроскоп

ЕМ-200А (Япония)

характеризуется разрешающей

способностью

3,4 А и

увеличением

до

200 000 раз

(ускоряющее

на-

пряжение

до 200 кВ), а

микро-

скоп

ЕМ-100В

—

разрешающей

способностью

2 А и

увеличением

до

500 000 раз.

Использование

просвечивающе-

го микроскопа

требует

приготов-

ления

специальных объектов—тон-

ких металлических пленок

100—

2000

А или

реплик (слепков)

поверхности металлического шлифа,

так

как

только

они

прозрачны

для

электронов.

настоящее время

применяют слепки

из

различных материалов, обычно столь малой

толщины,

что

прохождение электронов

не

вызывает собственной

структуры этих материалов. Слепок имеет

разных участках

раз-

личную толщину

поэтому неодинаково рассеивает проходящий

поток

электронов

(рис. 42).

Однако общее количество рассеянных электронов, проходящих

через разные участки объекта,

общем одинаково,

если объектив-

ная

линза соберет

сфокусирует

все

электроны,

то

никакой контраст-

ности

изображения

не

будет.

Для создания контрастности изображения

объективной линзе

имеется апертурная диафрагма

виде маленькой металлической

пластинки

весьма малым отверстием

центре (диаметр

—0,003

мм,

как

показано

на рис. 42).

Диафрагма отделяет электроны, претер-

певшие наибольшее рассеяние,

т. е.

прошедшие через наиболее

утолщенные

или

плотные участки объекта (слепка). Через объек-

тивную линзу

от

разных участков изучаемого предмета

будет

про-

ходить разное число электронов соответственно эффекту рассеяния

(т.

е.

меньшее количество

от

более толстых

или

более плотных

уча-

стков

большее

от

тонких

менее плотных). Поэтому появится

контрастность изображения

создаваемое объективной линзой

промежуточное изображение

будет

отображать строение предмета.

Для наблюдения промежуточного изображения имеется специальный

флуоресцирующий

экран.

Изображение на экране рассматривают

через специальные окна, расположенные в корпусе микро-

скопа.

В центре флуоресцирующего экрана имеется отверстие, через

которое часть электронных лучей попадает в проекционную линзу;

линза

создает второе увеличенное (окончательное) изображение,

получающееся также на флуоресцирующем экране.

Изображение

может быть рассмотрено с помощью оптического

микроскопа,

установленного против экрана. Если изображение

необходимо зафиксировать, его фотографируют, отводя экран в сто-

рону;

тогда

поток электронов поступает на фотопластинку, после

проявления

и фиксирования которой получается изображение,

соответствующее строению изучавшегося предмета.

Несколько

иначе, чем при исследовании реплик, создается

изображение в

случае

металлических пленок. Точнее говоря, речь

идет об иных закономерностях прохождения электронных волн

через вещество. При прохождении электронных волн через тонкие

пленки

возникает фазовый контраст как

результат

изменения фазы

этих волн благодаря смещению атомов из нормальных положений

решетке в местах расположения дефектов строения (дислокации,

дефекты упаковки и др.).

Для выявления дефектов

существуют

два метода:

1. Метод муаровых картин

дает

увеличенное изображение пло-

скостей решетки в

результате

интерференции электронных лучей.

Однако этот метод применим лишь для кристаллов с большими меж-

плоскостными

расстояниями 5 А, т. е. главным образом для неме-

таллических веществ.

2. Метод дифракционного контраста основан на том, что элек-

тронные лучи, дифрагированные на дефектах, не попадают в отвер-

стие апертурной диафрагмы,

тогда

как прямой пучок проходит через

него.

Это

дает

изображение в светлом поле. Если же в плоскость

изображения попадают только дифрагированные лучи, а прямые

лучи ее не достигают (это достигается смещением апертурной диаф-

рагмы),

то такое изображение называют темнопольным. В

случае

метода дифракционного контраста атомные плоскости в отличие от

первого метода не разрешаются и наблюдаются результаты смещения

атомов, и поэтому дислокации обычно изображаются темными ли-

ниями,

а дефекты укладки и границы зерен

дают

интерференционные

полосы '. Контуры включения избыточных фаз при изучении тонких

пленок

выявляются достаточно четко из-за изменения условий ди-

фракции,

а также из-за интерференционного эффекта и скопления

дефектов на границах.

Если дислокация является краевой, то, поскольку по обе ее стороны кристалл

локально

повернут в различных направлениях по отношению к отражающему по-

ложению,

максимальный контраст появляется только по одну сторону от центра

дислокаций.

В случае винтовой дислокации, когда атомы выше и ниже центра дис-

локации

смещены

друг

относительно

друга,

между электронными волнами, рассеян-

ными

этими атомами, возникает сдвиг фаз. То же наблюдается и на дефектах упаковки.

Работа с электронным микроскопом сложнее, чем с оптическим;

параметры электрической цепи, определяющие оптику микроскопа,

должны выдерживаться строго постоянными, что контролируется

электроизмерительными приборами. Обычно исследования с по-

мощью электронного микроскопа проводят следующим образом.

В специальную камеру устанавливают объект и затем, проверив

герметичность сочленения

всех

элементов микроскопа, включают

вакуумные насосы и по достижении необходимого разрежения

включают накал вольфрамовой спирали электронной пушки. После

этого подают высокое напряжение, создающее электрическое поле

для повышения скорости электронов, затем подмагничивающий

ток,

питающий электромагнитные линзы, и, постепенно передвигая

изучаемый предмет, рассматривают его участки, наиболее интересу-

ющие наблюдателя, и, если необходимо, фотографируют. В микро-

скопах многих конструкций можно изолировать камеру объекта

фотокамеру от остальной части микроскопа и наполнить

воздухом

только эту часть микроскопа, а затем заменить предмет исследования

фотопластинку. В микроскопах

других

конструкций заполняется

воздухом

вся система; это менее удобно, так как требуется большая

затрата времени на последующую откачку

воздуха.

Приготовление

объектов

исследования.

Для электронного микро-

скопа

оно более сложно, чем изготовление микрошлифа. Объект

исследования должен быть прозрачным для электронов и поэтому

весьма тонким. Такими объектами являются тонкие металлические

пленки

или реплики (слепки), полученные с поверхности микро-

шлифа

и отображающие характер этой поверхности, а следовательно,

структуры металла.

Для изготовления тонких металлических объектов — пленок

толщиной

100—2000

А *, строение которых можно изучать «на

просвет», применяют следующие методы: осаждение, деформацию и

растворение. Объекты, полученные методами осаждения и дефор-

мации,

не

могут

характеризовать строение массивных металличе-

ских образцов, которые получают обычно в

других

условиях. По-

этому наиболее широко в металловедении применяют методы раство-

рения

(утонения) массивных образцов после их механической об-

работки в

результате

химической или электрохимической поли-

ровки.

Химическое полирование применимо только для чистых металлов

или

однофазных сплавов, так как в сплавах с гетерогенной

структу-

рой

идет преимущественно растворение одной из фаз. Более часто

применяют метод электролитического полирования. Обычно образец

электролитически полируют до тех пор (при остроконечной форме

катодов), пока в нем не возникнут дыры. Тонкие участки вблизи

краев дыр вполне пригодны для наблюдения.

В ряде случаев путем выбора соответствующего электрода, формы

расположения катода и образца добиваются образования несколь-

Применение

высоковольтных микроскопов (напряжение ~1 МэВ) позволяет

изучать объекты большей толщины при разрешающей способности 7 А.

ких дыр, промежутки (полоски)

между

которыми по толщине при-

годны для исследования «на просвет». Для получения тонких пленок

из

медных сплавов применяют, например, электролит, состоящий

из

33% азотной кислоты и 67% метилового спирта (плотность тока

0,5—0,6

А/см

), а для получения пленок из сплавов железа приме-

няют электролит: 20 частей ледяной уксусной кислоты и 1 часть

хлорной кислоты (плотность тока 0,7 А/см

Слепки,

или реплики, надо изготавливать очень тщательно, так

как

даже

небольшие отклонения их геометрической формы приводят

неправильному представлению о

структуре

металла.

Прежде всего необходимо специально подготовить поверхность

микрошлифа.

Шлиф подвергают электролитическому полированию

специальному травлению, дающему рельефную поверхность при

полном

отсутствии на поверхности продуктов травления, что кон-

тролируется при помощи оптического микроскопа.

Шлиф

можно также подвергнуть травлению методом газового

разряда. В этом

случае

он является катодом в трубке газового раз-

ряда, и травление происходит за счет

ударов

ионов газа (неона),

давление которого

0,5—0,6

мм рт. ст.

Для получения более резкого рельефа на шлиф иногда осаждают

медь, хром или

другие

вещества в вакуумной камере, что усиливает

контрастность изображения. В этом

случае

поверхность шлифа

устанавливают под небольшим

углом

к направлению движения осаж-

дающихся частиц соответствующих веществ. Осаждение происходит

главным образом на выступающие участки шлифа, и поэтому резкость

рельефа возрастает.

приготовленных микрошлифов изготавливают слепки различ-

ными

методами. При этом применяют, например, способ лаковых

слепков или пленок. На поверхность шлифа, расположенную на-

клонно,

наносят каплю

1%-ного

раствора коллодия в амилацетате

или

погружают весь образец в этот раствор и затем вынимают и вы-

сушивают. Лаковая пленка должна быть очень тонкой (до 0,1 мкм);

более толстые пленки сильно поглощают электроны, нагреваются и

изменяют строение, а также проявляют собственную внутреннюю

структуру.

Затем растворяют металлический шлиф в кислотах,

тогда

полученная пленка всплывает и может быть исследована.

других

случаях пленку разрезают так, что для ее отделения до-

статочно лишь небольшого поверхностного растворения металла.

Растворение выполняют обычным химическим или электрохимиче-

ским

методом, при котором микрошлиф включают в качестве анода

цепь низкого напряжения.

Лаковую пленку вылавливают из раствора с помощью металли-

ческих дисков, имеющих в центре небольшие отверстия (диаметром

0,1 мм), или металлических сеточек с отверстиями

0,05x0,06

мм;

они

являются объект-диафрагмами и устанавливаются в камеру

объекта электронного микроскопа.

Удобным методом отделения лаковой пленки является нанесение

на

нее раствора желатина. При высыхании желатиновая пленка

сокращается и снимает лаковый слепок. Затем снятый слой погру-

жают в горячую

воду,

где желатин растворяется, а лаковый слепок

всплывает и его вынимают указанной специальной сеточкой.

При

исследовании лаковых пленок получают негативное изобра-

жение,

так как углублениям шлифа соответствуют выступы на

пленке.

Можно

работать и на позитивном слепке, получаемом после

предварительного изготовления негативного слепка из полистирола,

который

под значительным давлением

350 кгс/см

и при нагреве

(130° С) спрессовывают с металлическим шлифом в прессформе.

Слепок

из полистирола отделяют от микрошлифа и помещают

вакуумную камеру, в которой на негативную поверхность путем

распыления

кварца, нагретого вольфрамовой спиралью, осаждают

тонкую пленку — позитивное изображение микрошлифа. Затем

полистироловый негатив растворяют в бромистом этиле, а отделив-

шуюся кварцевую пленку вынимают с помощью объект-диафрагм.

Кварцевая

пленка является прозрачной для электронов, которые

рассеиваются различным образом в местах выступов или впадин

дают

изображение, соответствующее

структуре

металла.

Этот метод лучше выявляет более тонкие особенности структуры,

т. е. обеспечивает большую «разрешающую способность» слепка,

чем метод лаковых пленок, в котором четкость получаемой струк-

туры

зависит от смачиваемости поверхности шлифа соответствующим

лаком;

кроме того, если микрошлиф имеет неглубокий рельеф (после

травления),

то лаковая пленка не выявляет достаточно четкой кар-

тины

рельефа.

Применяют

также одноступенчатый метод получения кварцевых

более часто угольных слепков. При этом кварц или

уголь

напы-

ляют непосредственно на шлиф. По сравнению с рассмотренным выше

двухступенчатым методом одноступенчатый метод имеет определен-

ные

преимущества. В нем

отсутствует

промежуточное звено — поли-

стироловый отпечаток, который может несколько деформироваться

при

его отделении от поверхности металлического шлифа.

Лаковые, кварцевые или угольные слепки часто для большей

контрастности оттеняют, т. е. напыляют в

вакууме

под определенным

углом

тончайшие слои тяжелых металлов (хром, золото и др.),

которые не обладают определенной структурой. Это создает более

значительное различие в рассеянии электронов разными участками

слепка, повышает контрастность и облегчает расшифровку электрон-

ных изображений (в частности,

легче

отличить впадины рельефа

от выступов).

Кроме

указанных методов, являющихся косвенными, применяют

полупрямой метод (метод Л. М. Утевского). Его применяют для

исследования двухфазных структур, например феррито-карбидных,

сплавах железа. Поверхность металлического шлифа подвергают

электролитическому травлению в условиях, обеспечивающих лишь

растворение основы. При этом частицы избыточной фазы (карбиды)

не

растворяются, но некоторые из них за счет растворения основы

По системе СИ 1 кгс/см

= 981

МН/м