Рыбинская государственная авиационная технологическая академия
имени П.А. Соловьева
Кафедра «Материаловедение, литье и сварка» Методические указания к лабораторной работе «Фрактография. Растровый электронный микроскоп»
Для дисциплины
«Материаловедение»
специальности 151001 «Технология машиностроения»
направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»
Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры МЛС
Протокол № 8 от 25.05.2010 г.
Разработал:
к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.
Рыбинск, 2010
ФРАКТОГРАФИЯ. РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Цель работы. Целью работы является ознакомление с устройством и работой растрового электронного микроскопа и технологией фрактографии, а также получение навыков идентификации микрофрактограмм, оценки комплекса свойств материала и причин разрушения детали по внешнему виду излома.
1 Общие положения
Наука, изучающая строение излома и взаимосвязь морфологии излома с комплексом свойств сплава или неметаллического материала, называется фрактография.
При анализе изломов невооруженным глазом или при небольших увеличениях на бинокулярном микроскопе (до 50) многие тонкие элементы строения изломов остаются невыявленными, и следовательно, невозможно дать исчерпывающее объяснение механизму разрушения сплва и причинам, вызвавшим разрушение. Для выявления тонких деталей строения изломов используется микрофрактография – исследование изломов при увеличениях от 100 до 5000. Наиболее удобным прибором для проведения этих исследований является растровый электронный микроскоп (РЭМ), работающий с непрозрачными объектами и позволяющий осуществить глубокую фокусировку – получение резкого изображения неровной поверхности излома при больших увеличениях. Кроме того, конструкция микроскопа позволяет плавно изменять увеличение в больших пределах при просмотре определенного участка излома. Эти особенности РЭМ делают его очень удобным инструментом для исследования не только изломов, но и обычных микрошлифов, в дополнение к оптическому микроскопу.
2 Устройство и работа растрового электронного микроскопа
Принцип работы РЭМ заключается в том, что электронный луч в виде тонкого пучка электронов диаметром менее 10 нм обегает (сканирует) образец по строчкам и синхронно передает сигнал на кинескоп, на котором формируется изображение объекта. В точке попадания электронного луча на образец (при сканировании каждая строчка состоит из множества последовательных точек) из материала образца происходит выбивание вторичных электронов, а часть электронов отражается. Яркость точки на экране кинескопа зависит от количества вторичных и отраженных электронов: чем больше электронов – тем ярче изображение.
Рассмотрим схему работы РЭМ на рис. 1.
|
Электронный луч (1) – "зонд" формируется в вакуумной колонне (2), которая называется также "электронная пушка". Электроны испускаются раскаленным катодом (3) и ускоряются (разгоняются) электрическим полем, напряжением до 50 кВ. Эта разность потенциалов создается между катодом (3) и анодом (4). Далее электронный луч проходит конденсорные линзы (5), формирующие и фокусирующие пучок электронов. В объективной линзе (6) |
Рис. 1 |
установлена отклоняющая катушка (7), которая управляется отклоняющим устройством (8) типа генератора развертки. (Напомним, что линзы в электронных микроскопах представляют собой катушки с анизотропным магнитным полем). Электронный луч попадает на образец (9), отраженные и вторичные электроны улавливаются детектором (10), сигнал усиливается усилителем (11) и передается на кинескоп (12). Для обеспечения вакуума до 10‑6 мм рт. ст. используется система вакуумных насосов (13).
Здесь описан только принцип работы РЭМ. Но для удобства работы и обеспечения возможности производить регулировку, настройку, съемку и т.п. РЭМ снабжен множеством различных устройств и приборов, в чем вы смогли убедиться, когда наблюдали работу РЭМ в лаборатории.
Как следует из рассмотренной схемы, РЭМ отличается от ПЭМ принципиально иной системой формирования изображения – это создает особые возможности метода растровой электронной микроскопии.
Главное преимущество РЭМ – возможность непосредственного использования металлических образцов в широком диапазоне увеличений от 10 до 30000 при плавной регулировке увеличения! (Напоминаем, что для работы на ПЭМ необходимо предварительно изготовить прозрачный объект – реплику или фольгу). При непосредственном исследовании образцов на РЭМ резко сокращается и упрощается подготовка объекта и устраняется возможность различных искажений.
Вторая важнейшая особенность РЭМ заключается в большой глубине фокуса – в сотни раз превышающей глубину фокуса светового микроскопа или ПЭМ. Это позволяет изучать поверхности с сильно развитым рельефом: например изломы, а образцу придавать наклоны до 45°. В результате удается наблюдать объемное изображение рельефа структуры.
РЭМ часто снабжается специальной приставкой – микроанализатором, которая позволяет производить микрорентгеноспектральный. (Определять химический состав отдельных структурных составляющих сплава или локальных объемов в зерне с площадью несколько квадратных микрометров).
Изображение структуры или излом формируется на телевизионном экране, и может также фотографироваться обычной узкопленочной зеркальной камерой типа "Зенит".
Объектами исследования на РЭМ являются изломы и обычные микрошлифы. Исследование изломов называется фрактографией, а полученные изображения – фрактограммами.