3.5 Рентгеноструктурный метод
Рентгеноструктурный метод позволяет определить фазовый состав и кристаллическую структуру включений. Для рентгеноструктурного исследования можно использовать металлографические шлифы, осадки включений и крупные единичные включения.
Исследование включений на шлифе обычным рентгеноструктурным методом возможно при условии, если площадь, занятая включениями, составляет не менее 5% площади шлифа; при меньшем количестве включений в металле затрудняется получение четкой рентгенограммы. Однако включения в стали обычно содержатся в значительно меньших количествах, кроме случаев грубых скоплений включений. Поэтому чаще всего осуществляют рентгеноструктурный анализ включений, выделенных электролитическим методом. При этом для получения четкой рентгенограммы необходимо, чтобы фазы, подлежащие определению, содержались в осадке в количестве не менее 20%. Осадок должен быть чистым от карбидов, интерметаллидов и аморфных фаз.
Из осадка изготавливают образец цилиндрической формы диаметром 0,2-0,6 мм. Его получают прессованием с использованием связующих веществ (коллодия, лака) или наклеиванием порошка включений на тонкую стеклянную нить. Осадок включений не подвергают измельчению, чтобы исключить возникновение механических напряжений, приводящих к получению размытых, нечетких линий на рентгенограмме. Съемку рентгенограммы включений проводят в специальных камерах. Для повышения углового разрешения линий на рентгенограмме съемку обычно ведут в фильтрованном хромовом излучении. Сначала снимают рентгенограмму включений без вращения образца, вид линий на которой дает информацию о присутствии во включениях двух или более структурных составляющих. Если линии на рентгенограмме состоят из отдельных рефлексов, и точный замер их затруднен, снимают рентгенограмму с вращением образца. Каждому химическому соединению (фазе), входящему в состав осадка, соответствует своя система линий на рентгенограмме. Расчет рентгенограммы позволяет определить отношение d/n, которое дает возможность по справочным таблицам установить структуру и фазовый состав включений. Наибольшей точности определения структуры включений рентгеноструктурным методом достигают при анализе локально изолированных включений или в прицельной камере со шлифа. Для рентгенографических исследований широко применяют аппараты типа УРС, работающие с крупнофокусными рентгеновскими трубками. Большими возможностями обладают дифрактометры ДРОН-2, ДРОН-ЗМ.
3.6 Рентгеновский микроанализ
Особенностью рентгеновского микроанализа при помощи ост-росфокусированного электронного луча является возбуждение характеристического рентгеновского излучения в малом объеме на малой площади. При этом анализируемый участок образца обычно составляет 1-10 мкм, а область возбуждения электронным лучом равна 1-100 мкм3 (от 10-14 до 10-11 г вещества), т. е. в процессе исследования анализируемый образец не разрушается. Микрорентгеноспектральный анализ получил широкое распространение для исследования неметаллических включений без их выделения из металла. Состав включения можно определить, если на это включение направить электронный луч и затем зарегистрировать характеристический рентгеновский спектр атомов элементов, находящихся в возбужденном электронами участке.
Избирательное отражение длин волн характеристического рентгеновского излучения позволяет определить качественный состав включения при сканировании по углам. Количественная оценка состава заключается в сравнении измеренных интенсивностей характеристического рентгеновского излучения определяемого элемента во включении и в чистом эталоне или известном соединении. В первом приближении можно использовать линейное соотношение между относительной интенсивностью и составом:
CA = (I / Is)Cs,
где CA, Cs – соответственно содержание элемента А в образце и в эталоне; I / Is – относительная интенсивность, равная отношению интенсивностей линий элемента А в образце и эталоне.
Наилучшие количественные результаты анализа достигаются при сравнении интенсивности рентгеновского излучения от исследуемого образца и эталона известного химического состава, близкого к исследуемому.
Рентгеновский микроанализатор (микрозонд) включает три основные системы:
1) электроннооптическую, предназначенную для фокусирования пучка электронов на поверхность образца;
2) рентгенооптическую, используемую для анализа возбужденных рентгеновских лучей по длинам волн и интенсивностям и позволяющую проводить качественный и количественный анализ микрообъемов;
3) систему визуального наблюдения, представляющую собой оптический микроскоп, который дает возможность осуществить точный выбор анализируемой фазы.
На рис. 5 представлена принципиальная схема рентгеновского микрозонда.
Рис. 5 Принципиальная схема рентгеновского микрозонда: 1 – электронная пушка; 2 – диафрагма; 3 – конденсорная линза (электромагнитная); 4, 5 – диафрагмы; 6 – объективная линза (электромагнитная); 7 – зеркальный объектив светового микроскопа; 8 – спектрометры рентгеновского излучения с набором кристаллов-анализаторов; 9 – образец; 10 – источник света для освещения образца
Источником электронов служит вольфрамовая нить, нагреваемая проходящим током до 2800°С. Между нитью накала, служащей катодом электронной пушки, и анодом подается регулируемое в широких пределах ускоряющее напряжение (5-50 кВ). Ускоренный поток электронов, вылетающих из электронной пушки, фокусируется электромагнитными линзами в зондирующий пучок диаметром до 0,1 мкм, падающий на поверхность полированного образца. Имеющийся световой микроскоп позволяет направить электронный пучок в заданную точку на поверхности анализируемого образца. Под действием электронной бомбардировки из этой точки испускается характеристическое рентгеновское излучение элементов, содержащихся в микрообъеме образца. При помощи рентгеновских спектрометров измеряют длины волн и соответствующие интенсивности излучения, определяя вид и концентрацию элементов в анализируемом микрообъеме. Очень эффективно применение рентгеновского микрозонда для анализа отдельных включений, отчетливо видимых под оптическим микроскопом. Для анализа при помощи рентгеновского микрозонда особое значение имеет качество поверхности шлифа (она не должна иметь выступов и рисок), так как при этом электроны попадают на различные участки поверхности под разными углами, что изменяет угол выхода рентгеновского излучения.