1.2. Электронография

Электронография относится к числу дифракционных методов анализа структуры вещества; анализ проводится в условиях вакуума не выше 5  10^-4 мм рт. ст. Сущность метода заключается в следующем. Пучок электронов, ускоренных в электрическом поле (Е ~ 60 – 100 кВ), проходит через систему фокусирующих линз Л1, Л2 и попадает на металлический или неметаллический образец, установленный в объектодержатель, рис. 1.2, б. Источником электронов служит вольфрамовая нить (Н) диаметром 0,10 – 0,15 мм, расположенная внутри фокусирующего электрода (Э) с отверстием 0,1 – 0,2 мм. После ускорения электронов на выходе отверстия в аноде (А) получается расходящийся поток электронов. С помощью магнитных линз он фокусируется на экран или фотопластину (Ф). При этом образец (О) находится в слабо сходящемся потоке электронов. В результате взаимодействия электронов с атомной структурой вещества на экране получается отчетливая дифракционная картина (электронограмма). Она может иметь вид колец, дужек или пятен; ее анализ позволяет получить информацию о размерах и симметрии элементарной ячейки исследуемого вещества, об атомной структуре кристалла, о взаимном расположении кристаллитов или их ориентации, о фазовом составе образца, о размерах кристаллитов и наличии в них механических напряжений и дефектов структуры.

Электронограф может работать в двух режимах: на просвет и отражение. При исследовании на просвет поток электронов должен пройти через тончайший слой исследуемого вещества (до 500 – 1000 Ǻ), который подготовлен либо утонением массивной пластики, либо напылением. При работе во втором режиме пучок электронов отражается от поверхности образца и, достигая плоскости экрана, формирует дифракционную картину.

Межплоскостные расстояния d_hkl рассчитывают на основе анализа электронограммы по следующему уравнению:

, (1.3)

где 2r – диаметр кольца на электронограмме;

λL – постоянная прибора, определяется по электронограмме какого-либо стандартного вещества с известными значениями d_hkl;

L – расстояние от образца до экрана.

При съемке на просвет точность определения d_hkl составляет 0,01 А. После определения d_hkl производят их сравнение с табличными значениями и индицирование, т.е. приписывают каждому отражению соответствующие индексы. Если анализируется вещество, структура которого неизвестна, то по набору d_hkl определяют элементарную ячейку.

Для определения фазового состава вещества необходимо определить d_hkl и интенсивность рефлексов (пятен или колец). Идентификация фаз производится путем сравнения d_расп с d_табл, а их процентное содержание – путем сопоставления интенсивностей отражений; для фазового анализа гетерофазного образца необходимо, чтобы количество фазы было не менее 5 %.

Наличие механических напряжений в кристаллитах определяется по уширению дифракционных колец.

1.3. Методы электронной микроскопии

Электронная микроскопия является наиболее эффективным средством для проведения анализа структуры сложнолегированных гетерофазных стареющих сплавов, в исследовании тонкого строения границ зерен, фазового состава, распределения фаз в объеме и на поверхности металла. Анализируемые объекты располагаются в вакуумируемой камере, вакуум не выше 2 ∙ 10^-4 рт. ст.

Просвечивающий электронный микроскоп ПЭМ предназначен для визуального и фотографического анализа тонких объектов толщиной 1000 – 1500 Ǻ. Он позволяет анализировать структуру материалов на просвет в широком диапазоне увеличений (от 300 до 200000 раз) в режиме получения светло- и темнопольного изображений; производить дифракционные и микродифракционные исследования с локальных участков объекта диаметром 1 – 2 мкм. Электроннооптическая система состоит из электронной пушки (источник электронов), магнитных линз (конденсорной, объективной, промежуточной и проекционной), системы сменных диафрагм, объектодержателя. Конденсорная линза (их может быть две) обеспечивает требуемую освещенность объекта; промежуточная и проекционная - плавное изменение увеличения; общее увеличение определяется как произведение увеличений объективной, промежуточной и проекционной линз. Ход электронных лучей в двухконденсорном микроскопе с тремя ступенями увеличения показан на рис. 1.3, а. При формировании изображения действуют два основных механизма образования контраста. Если прошедший и дифрагированный пучки могут быть сведены в изображение, сохраняя при этом амплитудно-фазовые соотношения, то можно получить непосредственное разрешение плоскостей решетки или даже изображение отдельных атомов. Изображение зерен, их границ формируется за счет амплитудного контраста, который создается при преднамеренном исключении определенных дифрагированных пучков с помощью диафрагмы, помещенной в задней фокальной плоскости объективной линзы. Такое изображение является светлопольным.

Схема получения темнополъного изображения показана на рис. 1.3, б, в, г. Основным достоинством ПЭМ является высокая разрешающая способность, которая определяет размер (R) разрешаемых деталей объекта (R ~ 3 Ǻ); его можно оценить по формуле

, (1.4)

где α – эффективная диафрагма объективной линзы.

С помощью ПЭМ можно помимо прямого исследования структуры проводить косвенное, которое основано на специальной технике приготовления тонких слепков – пленок (реплик) с поверхности химически протравленного шлифа или с поверхности излома (при фрактографическом анализе). Используя метод копирования поверхности, с помощью реплик можно наблюдать в электронном микроскопе (в режиме «напросвет») детали структуры с минимальным размером 20 – 50 Ǻ.

Процесс приготовления реплик состоит из следующих операций: подготовка поверхности шлифа полированием; выявление структуры сплава травлением; нанесение реплики на поверхность и отделение ее. Наилучшим способом подготовки поверхности шлифа является электролитическое или химическое полирование в специальном реактиве. Применят лаковые, кварцевые, оксидные, титановые, углеродные и другие реплики. При их выборе исходят из того, что они являются «бесструктурными» и способны точно, повторить рельеф поверхности.

Рис.1.3. Схема формирования изображения структуры

в электронном микроскопе при амплитудном контрасте:

ход лучей

Наибольшее распространение получили углеродные реплики; т.к. они аморфны, химически инертны, обладают большой прозрачностью (при толщине слоя до 1000 Ǻ) для электронов, прочны и не разрушаются под электронным лучом. Имеются два основных метода изготовления углеродных реплик: одноступенчатый и двухступенчатый. Техника получения одноступенчатых реплик заключается в следующем. В вакууме не выше, чем 10^-4 мм рт. ст. между двумя заточенными углеродными стержнями при подведении напряжения 10 В, в месте их соприкосновения образуется дуга. Происходит распыление углерода, который конденсируется на поверхности шлифа в виде тонкой пленки. Для повышения контрастности (отношения ∆ I/I, рис. 1.4) производят косое напыление угля (самооттенение) или вместе с углем одновременно распыляют тяжелые металлы, например, платину, иридий. После подтравливания поверхности шлифа углеродная пленка отделяется, подлавливается на специальную опорную сеточку и переносится в электронный микроскоп. Минимальный разрешимый контраст составляет около 5 %.

Рис. 1.4. Схемы:

а – напыление одноступенчатой реплики с самооттенением;

б – распределение толщины пленки (t); в – распределение интенсивности прошедших через пленку электронов (I)

и контраста (∆ I/I)

Для оценки качества литого металла после его кристаллизация в литейной форме, после его – термической и химико-термической обработки, после эксплуатации в сложных условиях нагружения крайне важно иметь информацию о механизмах излома. Анализ поверхности излома позволяет определить такие особенности процесса разрушения, как характер разрушения (хрупкое, пластичное, внутри- или межзеренное), относительную скорость процесса, изменение этих характеристик по мере развития трещины. Если поверхность излома не очень огрублена, то удобно копировать ее с помощью углеродных одноступенчатых реплик. При грубом изломе лучше использовать методику двухступенчатого процесса получения реплик; сначала получают негативный оттиск, на поверхность которого после его отделения от излома наносят углеродную пленку. Оттиск растворяют, а свободную пленку анализируют в электронном микроскопе при увеличении до 15 – 20 тыс. крат.

Для прямого разрешения структуры металлов и сплавов в электронном микроскопе с ускоряющим напряжением

Е = 100 кВ пригодными являются образцы при толщине порядка несколько тысяч ангстрем. Их изготовление из массивных материалов можно осуществить следующими методами: химическая или электрохимическая полировка, ионная бомбардировка, расщепление и др. Наибольшее применение в практике (электронной микроскопии) изготовления тонких прозрачных для электронов слоев из металлов и сплавов получил метод электрохимического полирования. Применение метода таких фольг позволяет выявить дислокации, линии скольжения дислокаций, наблюдать изменение в структуре после рекристаллизации, радиационных воздействий, изучить мартенситные превращения и т.д.