Растрова електронна мікроскопія. Руйнування

Будова металів.

1.1. Кристалічна структура.

Більшість технічних металічних матеріалів є полікристалічними, тобто складаються з багатьох окремих кристалів, що примикають одне до одного без зазорів.

Кристали в полікристалах, на відміну від вільно вирощених, не мають правильної геометричної форми і називаються полікристалітами, або зернами. Їх спостерігають на спеціально підготованому і протравленому шлифі за допомогою оптичного мікроскопу. Діаметри зерен можуть мати розміри від декількох мікрометрів до декількох міліметрів; границі між ними називають границями зерен. Всередині кожного зерна атоми розміщуються в правильному геометричному порядку, який можна ілюструвати на моделях просторових граток (елементарних комірок). На схемі мал. 1 розміри гратки в порівнянні з розмірами зерна надто великі; в дійсності період гратки складає близько 0,00001 діаметра зерна.

В зернах завжди є дефекти кристалічної будови, основними з яких є дислокації. Розрізняють крайові та гвинтові дислокації. Метали можуть розчиняти домішкові атоми, які як би “вбудовуються” в гратку металу. Коли домішковий атом займає місце атома основного металу у вузлі гратки, утворюється твердий розчин заміщення. Коли домішковий атом вбудовується між основними атомами гратки, відбувається створення твердого розчину занурення. В обох випадках виникають локальні спотворення у будові гратки. Незайняті місця у кристалічній гратці носять назву вакансій.

1.2. Фази і виділення.

Під фазою розуміють кристаліти з однаковим хімічним составом та кристалічною структурою. Чисті метали завжди є однофазними. Сплави також можуть бути однофазними, але в більшості випадків вони складаються з декількох фаз. Різні фази утворюються в процесі охолодження із розплаву чи в результаті наступної термічної обробки внаслідок зміни розчинності елементів зі зміною температури. Якщо гратка металу вміщує більше домішкових атомів, ніж може розчинитися при даній температурі, то з такого пересиченого твердого розчину виділяються різного ступеня дисперсності частинки, що називаються фазами виділень. Когерентні виділення характеризуються спряженням їх гратки з граткою основного металу - матриці. Некогерентні виділення утворюють з матрицею міжфазні границі.

Переважним місцем утворення фаз виділень є границі зерен. Виделення по границях зерен можуть або утворювати суцільні оболонки навкруги зерен, або розміщуватися в цих місцях уривками. Тугоплапвкі фази, які у вигляді твердих частинок знаходяться в металічному розплаві, в зернистій структурі, що утворюється при затвердінні , розподілені хаотично.

1.3. Пластична деформація.

Металічні матеріали здатні піддаватись пластичній деформації, тобто можуть при зовнішній дії змінювати свою форму. При цьому в зернах виникає взаємний зсув окремих їх об”ємів чи шарів вздовж визначених напрямів, площин кристалічної гратки (мал. 2, а). Проте атоми в зсунутих атомних рядах зміщуються не одночасно, а послідовно. Цей процес і визначає виникнення і проходження крайових і гвинтових дислокайій крізь гратку.

За допомогою оптичного мікроскопу та РЕМ результати ковзання можна спостерігати у вигляді ліній ковзання та сходинок на полірованій поверхні зразка. Ці ліній та сходинки обмежують зсунуті одна відносно одної зони всередині зерен. В кожному даному кристаліті розвиток ковзання знаходиться в залежності від характеру ковзання в сусідньому. Різниця в орієнтації окремих зерен проявлюється у зміні напрямку ліній ковзання в сусідніх кристалитах.

Інша можливість пластичної деформації (окрім ковзання) за рахунок утворення двійнків показана на мал.2.б. При двійникуванні кристаліт ділиться площиною двійникування на дві частини, причому кристалічна гратка однієї його частини стає дзеркальним відображенням гратки другої частини.

Методи дослідження.

2.1. Растрова електронна мікроскопія.

Принцип

Електронний промінь у вигляді тонкого пучка електронів (зонд, діаметр пучка<10 нм) сканує зразок по рядках точку за точкою та синхронно передає сигнал на кінескоп. При попаданні електронного променя у якусь точку зразка відбувається вібивання з його матеріалу вторинних електронів та відбитих електронів. Яскравість зображення точки на екрані кінескопу залежить від кількості “виходу” електронів.Високий “вихід” електронів із зразка дає світлу точку зображення на екрані, малий “вихід” відповідає темній точці. В інтервалі між цими значеннями “виходів” електронів спостерігаються сірі точки різніх відтінків.

Електронній зонд являє собою тонкий пучок електронів приблизно циліндричної форми, при дії його на зразок збуджуються однаково малі плями електронного збудження. Це пояснює добру глибину різкості зображення при растровій електронній мікроскопії.

Мал.3. Схема растрового електронного електронного

мікроскопа.

1-

денсорна лінза I; 5- конденсорна лінза II; 6- остання

конденсорна лінза; 7- відхиляючі котушки; 8- блок

регулювання збільшення; 9- фотопомножувач; 10-

апертурна діафрагма; 11- зразок; 12- сцинтилятор;

13- світловод; 14- відхиляючі пристрої; 15- пристрої

для спостереження; 16- зйомка; 17- посилювач сиг-

налу; 18- вакуумна система.

Первинний електронний промінь (зонд) виникає в вакуумній колoні (електронна пушка) растрого електронного мікроскопу (РЕМ). Елнктрони вилітають з катода, що накопичує, і прискорюються електричним полем з напругою 1-50 кВ; промінь фокусується трьома електромагнітними конденсорними лінзами та за допомогою відхиляючих котушок скануються по зразку.

Електрони, що випромінюються зразком, викликають в сцинтиляторі світові спалахи (фотони). Швидкі пружньорозсіянні (відбиті) електрони з високою енергією без додаткового підводу енергії потрапляють в сцинтилятор; вторинні електрони з нізькою енергією при русі до сцинтилятора отримують прискорення від приложення електричного поля. Світлові спалахи залишають вакуумну колонку крізь світловод і у фотопомножувачі, що примикає до нього, перетворюються в електричні імпульси. За допомогою останніх після подальшого посилення можна регулювати яскравість екрану електронної трубки (мал.3). Отримане таким чином зображення поверхні є об”ємним і може бути пояснене так, наче об”єкт освітлюється сцинтилятором, що встановлений на боці об”єкту, а спостереження ведеться