【正文】 蘇州大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 掃描電子顯微鏡技術(shù)應(yīng)用與研究 摘要 :本文從金屬晶體理論和掃描電子顯微鏡的原理出發(fā)，闡述了的定義和性質(zhì)。通過對(duì)金屬模塊和焊條的二次電子成像，論證了 分辨率高，能反映物體更多的層次結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。最后，討論了二次電子在電子制造業(yè)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵 詞 ： 掃描電子顯微鏡 金屬晶體 二次電子成像 電子束 Abstract： This article is based on the theory of metal crystal, configuration and working theory of the scanning electron microscope. It is expounded the definition and nature of secondary electron image. Through the secondary electron image of metal and the welding rod, it is proved the secondary electron resolution to be likely high, could reflect merits and so on object more hierarchical. Finally we discussed the secondary electron in the electronic manufacturing applications. Key words: scanning electron microscope, metal crystal, secondary electron image electron beam 前言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展 ,各種新型材料的不斷涌現(xiàn) .材料的檢測(cè)技術(shù)也正在朝著科學(xué)、先進(jìn)、簡(jiǎn)便、精確、自動(dòng)化的方向發(fā)展 .材料組織結(jié)構(gòu)和性能的檢測(cè)已成為一門多學(xué)科、跨學(xué)科的綜合性技術(shù) .材料性能的檢測(cè)既有傳統(tǒng)的見手段又有高度現(xiàn)代化的研究手段 .面對(duì)新技術(shù)和新材料的快速發(fā)展 ,過去傳統(tǒng)的常規(guī)性能檢測(cè)遇到了極大的挑戰(zhàn) .一方面由于采用現(xiàn)代化的電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、聲學(xué)技術(shù)等新技術(shù)以及隨之發(fā)展的各種高科技的設(shè)備 ,觸進(jìn)了材料檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步 .另外一方面 ,為了適應(yīng)新材料和新技術(shù)的發(fā)展不斷不斷修改檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) ,使常規(guī)檢 驗(yàn)和深入研究緊密的結(jié)合起來 . 而在材料組織的形貌觀察中 ,主要是依靠顯微技術(shù) ,利用二次電子成像來分析材料的組織結(jié)構(gòu) ,已成為當(dāng)今檢測(cè)的主要趨勢(shì) .掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡則把觀察的尺度推廣到亞微米和微米以下的層次 .現(xiàn)代的顯微鏡的分辨率可達(dá)到 甚至更高 .在借助顯微技術(shù)和其他一些分析系統(tǒng)可以把材料組合子形貌比較準(zhǔn)確的分析出來 . 目前有些零件由于某些原因 ,結(jié)構(gòu)發(fā)生及其性能發(fā)生了變化 ,為了收集失效零件的有蘇州大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 關(guān)資料，我們必須先了解金屬材料的結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)），從結(jié)構(gòu)出發(fā)認(rèn)識(shí)金屬材料的性能（力學(xué)性能 和工藝性能），同時(shí)了解這種結(jié)構(gòu)的缺陷，以及由此可能引起的各種問題（斷裂、疲勞等）。這方面的學(xué)習(xí)能幫助我們快速準(zhǔn)確的確定零件失效的原因。 目前我們常用顯微鏡來觀察分析金屬斷口，確定失效的發(fā)源點(diǎn)和失效方式。用能譜儀和波譜儀來定性和定量分析斷口處金屬材料的成分和比例，檢驗(yàn)材料的組織是否正常，成分是否符合要求。從而進(jìn)一步確定失效的具體原因。 本篇論文主要就金屬的晶體結(jié)構(gòu)和掃描電子顯微鏡這兩方面進(jìn)行學(xué)習(xí)探討，結(jié)合一些實(shí)驗(yàn)，目的是讓我們了解金屬材料的結(jié)構(gòu)及其成分 . 第 1 章 金屬晶體結(jié)構(gòu) 第 節(jié) 金屬晶體結(jié) 構(gòu)概述 所謂晶體結(jié)構(gòu)，就是晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 固態(tài)物質(zhì)按其原子（離子、分子）的聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。所謂晶體是指原子（離子、分子）在三維空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物體，其排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)，如天然金剛石、水晶、氯化鈉等。原子（離子、分子）在空間無規(guī)則排列的物體稱為非晶體，如普通玻璃、松香、石蠟等。 一、 晶格 為了研究晶體中原子的排列規(guī)律，假定理想晶體中的原子都是固定不動(dòng)的剛性球體，并用假想的線條將晶體中各原子中心連接起來，便形成了一個(gè)空間格架，這種抽象的、用于描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空 間格架稱為晶格，如圖 311所示。晶格中的每個(gè)點(diǎn)叫做結(jié)點(diǎn) 圖 11 晶格 二、 晶胞 蘇州大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 晶體中原子的排列具有周期性的特點(diǎn)，因此，通常只從晶格中選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子的排列規(guī)律，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞，如圖 312所示。實(shí)際上整個(gè)晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在三維空間重復(fù)堆積排列而成的。 三、 晶格常數(shù) 晶胞的大小和形狀常以晶胞的棱邊長(zhǎng)度 a、 b、 c 及棱邊夾角 α、 β、 γ來表示，如圖 313所示。晶胞的棱邊長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù) ， 當(dāng)棱邊長(zhǎng)度 a＝ b＝ c，棱邊夾角 α＝ β＝ γ 時(shí)，這種晶胞稱為簡(jiǎn)單立方晶胞，由簡(jiǎn)單立方晶胞組成的晶格稱為簡(jiǎn)單立方晶格。 圖 12 晶胞 圖 13 晶格常數(shù) 四、 晶面、晶向和晶體的各向異性 金屬晶體中通過原子中心所構(gòu)成的不同方位上的原子面稱為晶面。通過原子中心所構(gòu)成的不同方向上的原子列，可以代表晶格空間的一定方向，稱為晶向。 由于晶體中不同晶面和晶向上原子排列的緊密程度不同，原子間的結(jié)合力大小也就不同，從而在不同的晶面和晶向上會(huì)顯示 出不同的性能，即晶體的各向異性。晶體的這種特性在力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能上都能表現(xiàn)出來，并在工業(yè)生產(chǎn)中有所應(yīng)用。 第 節(jié) 金屬的幾種典型晶體結(jié)構(gòu) 一、 面心立方、體心立方和密排立方 金屬晶體中的結(jié)合鍵是金屬鍵，由于金屬鍵沒有方向性和飽和性，使大多金屬都具有排列緊密、對(duì)稱性高的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)。最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)由 3 種，它們是面心立方結(jié)構(gòu) (Facecentered cubic)、體心立方結(jié)構(gòu) (Bodycentered cubic)和密排六方結(jié)構(gòu) (Hexagonal closepacked)。若將金屬 原子看作剛性球，這三種晶體結(jié)構(gòu)的晶胞和晶體學(xué)特點(diǎn)分別如圖 蘇州大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 二 、 晶胞中的原子數(shù) 晶體由大量晶胞堆砌而成，從圖 、圖 、圖 可以看出處于晶胞頂角處的原子為幾個(gè)晶胞所共有，而位于晶面上的原子也同時(shí)屬于兩個(gè)相鄰的晶胞，只有在晶胞體積內(nèi)的原子才單獨(dú)為一個(gè)晶胞所有。故三種典型金屬晶體結(jié)中每個(gè)晶胞所占有的原子數(shù) n為： 面心立方結(jié)構(gòu) n=81/8+61/2=4 體心立方結(jié)構(gòu) n=8 1/8+1=2 密排六方結(jié)構(gòu) n=121/6+21/2+3=6 三、 點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑 晶胞的大小一般是由晶胞的棱邊長(zhǎng)度 (a, b, c)即點(diǎn)陣常數(shù)（或稱晶格常數(shù)）衡量的，它是表征晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要基本參數(shù)。點(diǎn)陣常數(shù)主要是通過 X 射線衍射分析求得。不同金屬可以有相同的點(diǎn)陣類型，但各元素由于電子結(jié)構(gòu)及其所決定的原子間結(jié)合情況的不同，因而具有各不相同的點(diǎn)陣常數(shù)，且隨溫度的不同而變化。 如果把金屬原子看作剛球，并設(shè)其半徑為 R，則根據(jù)幾何關(guān)系不難求出三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣常數(shù)與 R 之間的關(guān)系： 面心立方結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣常數(shù)為 a，且 21/2a＝ 4R。 體心立方結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣常數(shù)為 a，且 31/2a＝ 4R。 密排六方結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣常數(shù)為 a 和 c 表示。在理想情況下，即把原子看作等看作徑的剛球，可算的且 c/a＝ ，此時(shí) a＝ 2R；但實(shí)際測(cè)得的軸比常偏離此值，即 c/a≠ ，這時(shí)， (a2/3+c2/4)1/2=2R。 四、 配位數(shù)與致密度 晶體中原子排列的緊密程度是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。為了定量地表示原子排列的緊密程度，通常應(yīng)用配位數(shù)和致密度這倆個(gè)參數(shù)。 配位數(shù) (CN)是指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原 子最近鄰并且等距離的原子數(shù)。 致密度 (K)是晶胞中原子所占的體積分?jǐn)?shù)，即： 蘇州大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 式中： K 為致密度； n 為晶胞原子數(shù)； v 原子體積； V為晶胞體積。 在面心結(jié)構(gòu)中每一個(gè)球接觸到同種球的個(gè)數(shù)為 12，所以配位數(shù)為 12。面心立方結(jié)構(gòu)致密度為 體心立方的體心原子與 8 個(gè)原子最近鄰，配位數(shù)為 8。致密度為 同理可算出理想的密排六方結(jié)構(gòu)（ c/a=）配位數(shù)也是 12，致密度也是 。 以上分析表明，面心立方與密排六方的配位數(shù)與致密度均高于體心立方，故稱為最緊密排列。 五、金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷 實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，總是不可避免地存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域。這些缺陷對(duì)金屬的 物理、化學(xué)和力學(xué)性能影響很大，特別對(duì)塑性、強(qiáng)度、硬度等起著決定性作用。根據(jù)缺陷相對(duì)于晶體的尺寸，或其影響范圍的大小，可將它分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。 （ 1）點(diǎn)缺陷 所謂點(diǎn)缺陷，是指長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的尺寸都很小的一種缺陷，常見的點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子和置換原子三種。 在任何溫度下，位于晶格結(jié)點(diǎn)上的原子并非是靜止不動(dòng)的，而是以其平衡位置為中心，不停地作三維熱振動(dòng)。其振幅大小和晶體的溫度有關(guān)，溫度越高，振幅越大。在一定的溫度下，每個(gè)原子的震動(dòng)能量并不完全相同，在某一瞬間，某些原子的能量可能高些，其振幅就 要大些，同樣另一些原子的能量可能低些，那它的振幅就要小些。這種現(xiàn)象稱之為能量起伏。由于能量起伏，總有一些振動(dòng)能量較大的原子，能克服周圍原子對(duì)它的約束，脫離原來的平衡位置遷移到別處，其結(jié)果是在原來的位置上出現(xiàn)了空結(jié)點(diǎn)，這就是空位。脫離原位的原子一般有三種去