徐煥欽

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067002）

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

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，通過收集這些物理信號而獲得圖像。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，樣品制備比較簡單，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；圖像放大范圍大，分辨率高；電子束對樣品的損傷和污染較小；另外，新型掃描電鏡配備相應附件還能夠進行動態(tài)觀察（如動態(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。能譜儀可以同時探測多種元素，分析速度快，能在幾分鐘內(nèi)對“Z＞11”的元素進行定量和定性分析。配備能譜的掃描電鏡結合了兩者的優(yōu)點，具有分析速度快，微區(qū)定點分析準確，可進行線、面掃描等特點。鋼鐵冶金行業(yè)樣品較大，且檢驗量大，掃描電鏡的這些特點都有利于其應用。

2 掃描電鏡與能譜分析在鋼鐵冶金中的實際應用

（1）成分分析。掃描電鏡配備能譜儀，可以實現(xiàn)對鋼鐵中夾雜物或夾渣的成分分析、偏析帶的成分分析等。顯微技術和電子微區(qū)分析技術應用于夾雜物的鑒定，使夾雜物鑒定分析得到一個飛躍發(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，而是制成薄膜復型來觀察，只用于觀察細小顆粒的夾雜物，且制樣復雜，對于鋼鐵行業(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量。能譜儀可以對微區(qū)成分進行定點、線、面分析。點分析是將電子束固定在試樣感興趣的點進行分析，點分析準確度高，是顯微結構成分分析常用的方法，例如對材料晶界、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行掃描，和試樣形貌對照，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試條件對定量分析的影響。掃描電子顯微鏡與X射線能譜儀在進行定量分析時構成了一個不可分割的整體，不同的測試條件會影響定量分析結果。以Cr23Ni18光譜標樣為參照，分析了主要測試條件對定量結果的影響，主要測試條件包括：掃描電子顯微鏡的加速電壓、束斑直徑、工作距離、采集時間。①加速電壓的影響。加速電壓是進行定量分析的基礎，特征X射線的產(chǎn)生和強度都與其相關。在進行定量分析時，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，當樣品導電性較好、不容易被電子束損傷時，一般選用較高的加速電壓，但加速電壓又不能過高，過高的加速電壓會導致電子束對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試條件為：采集時間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進行定量分析，加速電壓與定量分析結果并沒有線性關系。計算這4種元素的相對誤差，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)量分數(shù)大于20%，允許的相對誤差不大于5%，質(zhì)量分數(shù)在3%～20%的元素，允許的相對誤差不大于10%，質(zhì)量分數(shù)在1%～3%的元素，允許的相對誤差不大于30%，質(zhì)量分數(shù)在0.5%～1%的元素，允許的相對誤差不大于50%。由試驗結果可知，不同加速電壓下4種元素的相對誤差均滿足標準要求，綜合比較，加速電壓在20kV時結果比較接近真實值，此時相對誤差最小。②工作距離的影響。在進行定量分析時，掃描電鏡的工作距離一般選擇廠家提供的最佳工作距離，但實際最佳工作距離與廠家提供的標準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)整樣品臺高度改變工作距離。固定其他測試條件：加速電壓20kV、采譜時間100s、電流500PA、選擇不同的工作距離為：10mm、12mm、15mm、18mm、20mm。工作距離的大小對定量結果影響較大，工作距離過大或過小都影響測量結果。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，不同工作距離下測得的結果均滿足相對誤差的要求，但相差較大。當工作距離為10mm、18mm、20mm時，測定不出錳元素。綜合比較，工作距離在15mm時，測得的相對誤差較小，測得的結果最接近真實值。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、信號強度、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限的小，電流過小會使信號強度變?nèi)酰瑘D像分辨率下降，圖像不清晰。電流也不能過大，對于一些導電性不好的樣品，過大的電流會使樣品產(chǎn)生的電荷不能及時擴散而形成電荷積累，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。固定其他測試條件如下：加速電壓20kV、采譜時間100s、工作距離15mm，選擇不同的電流為300PA、500PA、800PA、1000PA、1200PA，對應的束斑直徑為452μm、480μm、507μm、520μm、530μm，電流和束斑直徑大小對低含量元素的結果影響較大，對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，當電流和束斑直徑較小時（300PA），由于信號較弱，未能檢測出含量較低的錳元素，電子束電流越大，檢測結果越接近于真實值，但電子束電流過大時，圖像不清晰、分辨率降低、能譜死時間延長、造成計數(shù)損失。因此，綜合考慮，當滿足標準要求時，電子束電流選擇500PA比較合適。④采集時間的影響。采集時間是活時間和死時間的總和，通常以活時間為準。為了分析采集時間對定量結果的影響，固定其他測試條件：加速電壓20kV、工作距離15mm，電流500PA。選擇不同的采集時間為30s、50s、80s、100s、120s、150s。采集時間和定量分析結果沒有明顯的線性關系。4種元素的測量結果均滿足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》中對于相對誤差的要求。采集時間較短時，低含量元素錳的測量結果相對誤差較大。采譜時間為100s時，4種元素均可以檢測出結果，并且測量值的相對誤差較小。掃描電子顯微鏡的加速電壓、束斑直徑、工作距離、采集時間不同，所得到的元素的定量分析結果不同，通過對光譜標樣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、采譜時間100s。在做分析時，應根據(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，造成鋼材會出現(xiàn)各種各樣的缺陷，掃描電鏡對鋼材質(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；軸心晶間裂紋；鋼坯過燒導致的晶界氧化；軋制過程造成的機械劃傷、折疊、氧化皮壓入；過酸洗導致的腐蝕坑；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大的測量分析功能，可以直接對樣品測量或直接在圖片上進行任何距離、面積的測定，例如可以測量夾雜物長度、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果更準確，這就要求使用人員在利用掃描電鏡及能譜分析樣品時，要充分考慮影響樣品制備的一些影響因素，精細的制取樣品，避免假象等不利因素影響技術人分析缺陷原因，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技術的結合將推動鋼鐵冶金的研究向更深、更廣的方向發(fā)展。