Микроанализ

Лабораторная работа 2. Микроанализ металлов и сплавов

Микроанализ

Цель работы – изучить метод микроанализа и область его применения. Определить особенности микроструктуры чистых металлов и сплавов (твердых растворов и сплавов типа смеси). Изучить устройство металлографического микроскопа и его возможности.

Микроскопический анализ (микроанализ) заключается в изучении строения металлов и сплавов с помощью металлографического микроскопа.

Этот метод широко используется в исследовательских работах, а также для контроля качества металлов и сплавов в промышленности.

Это объясняется тем, что между структурой металлов и сплавов и их свойствами, прежде всего механическими, существует тесная связь.

Например, прочностные свойства металлов зависят от размера зерен и они тем выше, чем меньше размер зерна. Такая же зависимость наблюдается и для сплавов.

Сплав это сложное вещество, получаемое сплавлением простых веществ. В отличие от металлов сплавы имеют более сложное строение. Напомним, что простые вещества это вещества, состоящие из атомов одного сорта. Эти простые вещества, входящие в состав сплава, называют компонентами. В качестве компонентов выбирают элементы Периодической системы Д.И. Менделеева.

В свою очередь компоненты сплава взаимодействуют друг с другом и образуют одну или несколько фаз сплава. Фазой называют однородную часть сплава, имеющую характерные для неё химический состав, кристаллическую решетку и свойства, а также границу (поверхность раздела), отделяющую её от других фаз сплава.

В зависимости от температуры и химического состава сплава (процентного содержания компонентов в сплаве) разные фазы сплава кристаллизуются в той или иной последовательности и формируют, таким образом, структуру сплава. Структура – строение сплава, видимое в микроскоп.

В результате кристаллизации из расплава образуются зёрна (кристаллиты), которые имеют неправильную геометрическую форму в отличие от кристаллов, имеющих правильную внешнюю огранку. Она отражает геометрическую форму, которая соответствует данному типу кристаллической решетки твердой фазы. Зерна (или кристаллиты) этокристаллические вещества неправильной геометрической формы.

Кристаллические решетки зерен одной и той же фазы в объеме сплава расположены относительно друг друга под разными пространственными углами.

Потому между зернами одной и той же фазы существует поверхность раздела, при переходе через которую нарушается периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.

Такую поверхность, являющуюся дефектом кристаллического строения, называют границей зерна.

Структуру металлов и сплавов изучают в отраженном свете, так как они непрозрачны.

В этом заключается принципиальное отличие металлографического микроскопа от биологического, где изучение объектов проводится в проходящем свете.

В связи с этим исследуемая поверхность требует тщательной подготовки, т.к. должна хорошо отражать свет. Микроанализ проводят на специально подготовленных для этой цели образцах – микрошлифах.

Процесс изготовления микрошлифа включает следующие операции:

1) вырезка образца из контролируемого участка заготовки или изделия;

2) шлифование поверхности на шлифовальной бумаге с различной зернистостью абразивного материала (от грубого шлифования к тонкому, как при изготовлении макрошлифа);

3) полирование для получения зеркальной поверхности (используются алмазные пасты, порошок оксида хрома и др. абразивы);

4) травление зеркальной поверхности химическими реактивами с целью выявления зерен и их границ (химическое или электрохимическое травление с использованием кислот и других химических соединений).

Так как зерна разных фаз сплава имеют различные свойства, в том числе химические, то их растворимость в реактивах будет неодинаковой. В результате на поверхности микрошлифа формируется микрорельеф, состоящий из выступов и впадин. Благодаря тому, что пучок света отражается от такой поверхности под разными углами, на микрошлифе образуются, различимые глазом, светлые и темные участки.

Исследование структуры на оптическом (световом) микроскопе проводят при больших увеличениях (до 1500 крат или 1500х). Это позволяет увидеть элементы структуры размером не менее 0,2…0,3мкм.

Схема металлографического микроскопа и ход световых лучей показаны на рис.2.1.

Важнейшими частями микроскопа, позволяющими получить увеличенное изображение, являются объектив (основное увеличение до 100х…150х) и окуляр (увеличение до 10х…20х).

Общее увеличение микроскопа Q равно произведению увеличения объектива qоб. и окуляра qок., которые указываются на них следующим образом: 100х (qоб.) или 10х (qок.). Общее увеличение: Q= qоб. ´ qок.=100 ´10 =1000х.

Рис. 2.1. Схема металлографического микроскопа: 1 – микрошлиф; 2 – предметный столик; 3 – микрометрический винт (грубая наводка); 4 – источник света; 5 – окуляр; 6 – призма; 7 – микрометрический винт (точная наводка); 8 – объектив

Максимальное увеличение светового микроскопа не превышает 1500х, что связано с ограниченной максимальной разрешающей способностью микроскопа d. Разрешающая способность микроскопа оценивается минимальным расстоянием между двумя точками или рисками, которые еще могут быть раздельно различимы, т.е. разрешаются. Максимальная разрешающая способность определяется следующим образом:

, (1)

где λ – длина световой волны (для белого света – λ ~ 0,6 мкм); n – показатель преломления среды между объективом и объектом (для воздуха n = 1); γ – угол апертуры (от лат. apertura – отверстие), т.е. угол, образованный двумя лежащими в одной плоскости с главной оптической осью радиусами, проведенными к краям линзы из её точки фокуса (максимальное значение γ/2=90°).

Подставляя в формулу (1) типичные значения λ, n и γ получим d~0,2…0,3мкм, а для человеческого глаза разрешающая способность ~0,1…0,2мм. Таким образом, максимальное полезное увеличение микроскопа не превышает:

. (2)

Увеличение микроскопа более 1500х будет бесполезным, т.к. при этом невозможно дополнительно разрешить более мелкие элементы структуры, т.е. выявить её новые особенности.

На практике наиболее часто используют увеличения 200х…400х. При таких увеличениях можно отчетливо увидеть следующие основные элементы структуры:

1) границы зерен, а следовательно, определить их размеры и форму;

2) в многофазных сплавах – зерна отдельных фаз (размеры, форму, распределение);

3) микродефекты – микротрещины, микропоры и др.

Границы зерен выглядят темными линиями по контуру зерен (см. рис.2.2).. В «чистом» металле всегда присутствуют примеси. Примеси, как правило, растворяются в жидком металле (например, сурьме) гораздо больше, чем в твердом. Поэтому в процессе затвердевания из жидкости центры кристаллизации металла растут и оттесняют примеси в жидкость.

Таким образом, к концу кристаллизации примеси концентрируются по границам зерен «чистого» металла. В результате травления границы зёрен, обогащенные примесью, и сами зерна растворяются в реактиве с разной скоростью В результате на границе образуются впадины или выступы. Первые поглощают свет, а выступы отбрасывают тень.

Поэтому границы зёрен выделяются на микрошлифов виде тёмных линий (рис 2.3).

Кроме того, сами зерна также травятся неодинаково (с разной скоростью). Это является следствием анизотропии свойств – неодинаковости свойств по разным плоскостям и направлениям кристаллической решетки.

Зерна ориентированы своими кристаллографическими плоскостями по отношению к плоскости микрошлифа произвольным образом, поэтому они протравливаются на разную глубину, и возникает характерный микрорельеф (см. рис.2.3).

Это создает дополнительный световой контраст, позволяющий отличить одно зерно от другого.

В то же время из-за анизотропии оптических свойств каждое зерно неодинаково отражает свет (с разной интенсивностью). Поэтому каждое зерно имеет различную яркость окраски (см. рис.2.2).

Микроструктура металлов и однофазных сплавов принципиально не отличается при микроанализе. Например, структура меди не отличается от структуры однофазной латуни — сплава меди и цинка.

https://www.youtube.com/watch?v=qnaJfE4SyL0

Это связано с тем, что однофазная латунь представляет собой твердый раствор замещения, в кристаллической решетке которого часть атомов меди замещается атомами цинка (до 40% при 20°C).

Поэтому латунь имеет такую же кристаллическую решетку, как и медь. Следовательно, данная латунь, как и медь, представляет собой однофазную структуру.

Поэтому микроанализом отличить медь от латуни затруднительно (это можно сделать с помощью химического анализа или макроанализом их цвета).

В сплавах системы «Pb–Sb» компоненты не взаимодействуют между собой, т.е. не образуют ни твердых растворов, ни химических соединений. Такие сплавы представляют собой смесь двух фаз, в данном случае зерен свинца и сурьмы.

Равновесная структурная диаграмма состояния этих сплавов показана на рис.2.4. Можно видеть, что фазовый состав всех сплавов этой системы при 20°C один и тот же (Pb+Sb). Отличие же состоит в структуре этих сплавов.

Структура эвтектического сплава (13%Sb) образуется в процессе одновременной кристаллизации из жидкости постоянного химического состава пластин Pb и Sb при постоянной и самой низкой температуре. В результате образуется двухфазная смесь, которая называется эвтектикой.

Зерна (или пластины) Pb и Sb, входящие в состав эвтектики, имеют очень малые размеры вследствие одновременного зарождения большого количества центров кристаллизации Pb и Sb и малой скорости их роста при постоянной температуре. Следовательно, эвтектика имеет большую протяженность границ зерен. Поэтому эвтектика при микроанализе с небольшими увеличениями (200х…400х) кажется темной структурной составляющей.

В доэвтектических сплавах (до 13%Sb) как и в заэвтектических (более 13%Sb) наряду с эвтектикой, которая кристаллизуется так же, как и в эвтектических сплавах, видны крупные светлые зерна избыточного компонента. Избыточным называют компонент, концентрация которого в данном сплаве больше, чем в эвтектике. Это Pb – в доэвтектических сплавах и Sb – в заэвтектических.

Зерна избыточного компонента выделяются первыми из жидкости в интервале более высоких температур (между линией ликвидус и солидус), поэтому они успевают укрупниться (коагулировать).

Кристаллизация избыточного компонента приводит к изменению химического состава жидкой фазы сплава.

По мере понижения температуры он стремится к эвтектическому (13%Sb), и на горизонтальной линии диаграммы оставшаяся жидкость затвердевает в эвтектику.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/8_69740_laboratornaya-rabota--mikroanaliz-metallov-i-splavov.html

Микроанализ металлов и сплавов

Микроанализ

Микроанализ металлов и сплавов

Введение

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры металлов с помощью микроскопа. Наблюдаемая в микроскоп структура называется микроструктурой. При помощи микроанализа изучают фазовый состав и структурные составляющие металла или сплава; размер, форму и ориентировку зерен; наличие дефектов, снижающих качество металла (включения, микротрещины и др.).

Результатом микроанализа является заключение о характере обработки материала, о соответствии структуры техническим условиям, нарушении технологии и т.п.

Микроанализ включает две операции: приготовление микрошлифа и изучение его микроструктуры.

1. Приготовление микрошлифа

Микрошлиф представляет собой образец, вырезанный из готовой детали, заготовки или инструмента, специально подготовленный для исследования микроструктуры. Приготовление микрошлифа включает ряд операций.

Шлифование. Исследуемую поверхность шлифуют (на специальном станке или вручную) наждачной бумагой разной зернистости. Последовательно переходят от крупного зерна (№ 100 — 180) к обработке бумагой с мелким зерном (№ 220 — 320).

При переходе от одного номера к другому направление шлифования изменяют на 90 градусов. Шлифование каждый раз ведут до тех пор, пока не исчезнут риски от предыдущей обработки.

После шлифования поверхность промывают водой и сушат фильтровальной бумагой.

Полирование. Механическое полирование проводят на вращающемся круге, обтянутом фетром или тонким сукном. В качестве абразива применяют водные суспензии окиси хрома или алюминия или специальные полировальные пасты. Обработку ведут до зеркального блеска.

Отполированный образец промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и протирают ваткой, смоченной этиловым спиртом (обезжиривают).

Полированный шлиф под микроскопом имеет вид светлого круга (микроструктура не видна). На таком фоне хорошо видны только неметаллические включения (оксиды, нитриды, сульфиды, графит в чугуне и т. п.

), так как они по своим оптическим свойствам отличаются от металлов.

Травление. Цель травления — выявить микроструктуру металла. Погружают полированную поверхность в реактив (травитель) на 3 — 8 секунд.

В результате химического и электрохимического взаимодействия реактива с металлом (сплавом) на поверхности шлифа появляется микрорельеф, повторяющий структуру металла.

Так, например, на границах зерен металл интенсивнее переходит в раствор, и на их месте появляется впадина. Свет на этих участках рассеивается, не попадает в объектив, и контур зерен становится видимым в микроскоп (рисунок 1.1).

а б

Рисунок 1.1 — Схема отражения светового луча: от полированной поверхности (а); от протравленной поверхности (б)

После травления шлиф промывают сильной струей воды, сушат фильтровальной бумагой.

. Краткое описание металлографического микроскопа

Металлографические микроскопы в вертикальном или горизонтальном исполнении (МИМ-7, МИМ-8, ММУ3 и др.) работают на принципе отражения светового луча от исследуемой поверхности. Все они состоят из трех систем.

Оптическаясистема. Она включает объектив, окуляр и ряд вспомогательных оптических элементов (призмы, зеркала и др.), основное назначение которых — изменять ход светового луча. Объектив — это система линз в оправке, обращенная к исследуемому объекту (микрошлифу).

Объективы — сменные, они могут увеличивать изображение от 9 до 95 раз. Окуляр представляет собой систему линз в оправке, обращенную к глазу наблюдателя. Окуляры увеличивают изображение от 7 до 20 раз. Общее линейное увеличение микроскопа можно принять равным произведению увеличений объектива и окуляра.

Для определения увеличения микроскопа пользуются специальными таблицами, прилагаемыми к приборам.

Осветительная система. Источником освещения является лампа накаливания, которая питается от сети переменного тока через понижающий трансформатор.

Механическая система. В механическую систему входят корпус, предметный столик, способный перемещаться в двух перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении, макро- и микровинт и др.

3. Работа с микроскопом

Общее руководство к работе с микроскопом дано для МИМ-7 (рисунок 1.2).

а б

Рисунок 1.2 — Металлографический исследовательский микроскоп МИМ-7.

а — схема хода световых лучей: 1 — лампа; 2 — коллектор; 3, 18 — зеркала; 4 — светофильтр; 5 — апертурная диафрагма; 6 — линза; 7 затвор; 8 — полевая диафрагма; 9 — пентапризма; 10 — линза; 11 — отражательная пластинка; 12 — объектив; 13 — предметный столик ; 14 — линза; 15 окуляр; 16 — зеркало; 17 — матовая пластинка; 18 — призма; 19 — окуляр; 20 — анализатор; 21 — поляризатор; 22 — диафрагма; б — общий вид: 1 — предметный столик; 2 — винты для перемещения предметного столика; 3 — макровинт; 4 — микровинт; 5 — окуляр; 6 — объектив.

Микроскоп является точным прибором, требующим самого аккуратного и осторожного обращения. Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с устройством микроскопа и порядком работы с ним:

)Посмотреть, какие линзы (объектив и окуляр) стоят на микроскопе, по таблице определить увеличение микроскопа.

)Винтами 2 сцентрировать предметный столик 1 микроскопа относительно объектива 6 (см. рисунок 1.2, б).

)Поместить микрошлиф на предметный столик таким образом, чтобы исследуемая поверхность была обращена к объективу.

)Установить риску микрометрического винта 4 на нулевое значение шкалы на барабане.

)Наблюдая в окуляр 5, макровинтом 3 путем перемещения предметного столика навести резкость изображения исследуемой поверхности. При появлении изображения предметный столик закрепить стопорным винтом.

)Микровинтом 4 произвести тонкую наводку резкости.

ВНИМАНИЕ: микровинт 4 не трогать, если в окуляр не видно изображения исследуемой поверхности.

)Перемещая винтами 2 предметный столик 1, изучить микроструктуру образца на площади, ограниченной отверстием вкладыша предметного столика.

4. Изучение микроструктуры

микроскопический металл микрошлиф

Изучение микроструктуры целесообразно начинать с рассмотрения под микроскопом непротравленного шлифа. На светлом фоне будут видны неметаллические включения в виде темных, иногда окрашенных в другие цвета, участков (рисунок 1.3).

а б в

а — включения сернистого железа (сульфид железа FeS)

в виде оторочек по границам зерна;

б — включения хрупких оксидов;

в — включения графита в чугуне.

Рисунок 1.3 — Неметаллические включения в железоуглеродистых сплавах (сталь, чугун)

Изучив чистоту металла или форму включений графита в чугуне, микрошлиф травят и вновь исследуют под микроскопом — теперь уже выявленную микроструктуру. Определяют количество структурных составляющих, их размер, форму, цвет, характер расположения, однородность.

Структурная составляющая — это часть структуры, видимая под микроскопом как однородная. Она может быть одно- и двухфазной, т.е. представлять собой механическую смесь двух фаз. Металлы всегда имеют одну структурную составляющую — кристаллы (зерна) самого металла.

Размер и форма зерен зависит от способа получения металла и характера обработки (рисунок 1.4, а, б). У сплавов структура может быть более сложной. Они, как и металлы, могут иметь одну структурную составляющую, например, латунь Л96 (рисунок 1.4, в) или несколько. В сплаве Д1 (рисунок 1.

4, г) имеются две структурные составляющие — зерна твердого раствора и включения химического соединения CuAl2. Обе составляющие — однофазные. В баббите (рисунок 1.4, д) — три структурных составляющих: α-твердый раствор, включения химического соединения SnSb и включения Cu3Sn.

В силуминах и сталях — по две структурных составляющих, но одна из них (α) — однофазная, другая (эвтектика в силуминах; перлит в сталях) — двухфазная.

Видимое изображение вырисовывают с левой стороны страницы в круге диаметром 30 — 35 мм или в квадрате со стороною 25 — 30 мм. Структурные составляющие указывают стрелочками. Справа от зарисовки идет описание структуры.

Литература

1.Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. — М.: Мир, 2004. — 380 с.

.Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. — М.: Металлургия, 1993. — 448 с.

.Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 622 с.

.Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. — 268 с.

.Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — 96 с.

.Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. — Орел: ОрелГТУ, 2007.

Источник: https://www.studsell.com/view/81990/

Электронно-зондовый микроанализ (PMA)

Микроанализ
5.2.1 Основные принципы

Как мы уже видели (в разд. 4.2.2), обладающее высокой энергией ионизирующее излучение может вызывать перемещение электрона с внутренней оболочки атома, а следующая за этим пространственная перестройка электронов приводит к эмиссии кванта характеристического рентгеновского излучения.

Для данного образца число испускаемых квантов с любой характеристической энергией (или длиной волны) зависит от концентрации присутствующего элемента. В электронном зонде ионизирующее излучение представляет собой пучок электронов с высокой энергией, который генерируется внутри электронной пушки. Во многих отношениях колонна электронного зонда (рис. 5.

1) похожа на колонну просвечивающего электронного микроскопа. Колонна зонда содержит в себе электронную пушку, помещенную в камеру, в которой продуцируются электроны. В колонне прибора электроны фокусируются в узкий пучок с помощью магнитных линз и апертур. Такой пучок, обычно обладающий диаметром около 1 мкм, окончательно фокусируется на образце, расположенном в специальной камере.

Характеристическое рентгеновское излучение, испускаемое образцом, фиксируется и обрабатывается электронным способом.

Рентгеновские лучи — не единственный тип излучения, возникающего при бомбардировке образца электронами. Помимо образования характеристических рентгеновских лучей энергия электронов в пучке рассеивается в виде тепла, света и белого рентгеновского излучения.

Кроме того, при этом возникают обратно отраженные (обратно рассеянные), вторичные и Оже-электроны. Эти эффекты взаимодействия электронного пучка с образцом (рис. 5.2) иногда также используются в аналитических целях.

Обратно отраженные электроны представляют собой электроны первичного пучка, которые при взаимодействии с ядрами атомов теряют лишь незначительную часть энергии. Применяя соответствующий детектор, с их

Рис. 5.

1 Схема эпектронно-зондового микроанализатора Показаны электронная колонна и две возможные аналитические системы слева — дисперсионный спектральный анализ длин волн, справа — энергетический дисперсионный анализ (ЭДС)

помощью можно формировать изображение поверхности образца. Обратное рассеяние связано с атомным номером следующей зависимостью, чем больше электронов содержит атом, тем выше вероятность возникновения обратного рассеяния.

При этом могут быть получены изображения элементов, показывающие локальные вариации их концентраций (рис. 5.3, а). Вторичные электроны обладают слабыми связями и легко выбиваются из близповерхностных атомов образца.

Их также можно использовать для получения изображений поверхности образцов, но в отличие от изображений, полученных в обратно отраженных электронах, они не показывают особенностей состава (рис 5.3, б).

Электронный микроскоп СЭМ (сканирующий электронный микроскоп), у которого электронный пучок сканирует поверхность образца, а не зафиксирован в одной точке, как в электронно-зондовом микроанализаторе, позволяет получать как обратно отраженные, так и вторичные электроны, которые могут использоваться для формирования изображений

Оже-электроны испускаются атомами с энергиями, сопоставимыми с энергиями характеристических рентгеновских лучей Они образуются, когда квант характеристического излучения по-

Рис. 5.

2 Взаимодействие электронного пучка с образцом, при котором генерируются характеристические рентгеновские лучи, непрерывный спектр рентгеновского излучения, обратно отраженные, вторичные и Оже-электроны, световое и тепловое излучения.

Рис. 5.

3 Зональный кристалл эпидот-алланита, отобранный в Хартс-Рэндж, Центральная Австралия.

(о) Контрастное изображение в обратно отраженных электронах, обусловленное различием атомных номеров Белые участки занимает алланит — минерал, богатый торием и редкоземельными элементами и имеющий высокое среднее значение атомного номера Светло- и темно-серые участки представлены эпидотом (более темные участки соответствуют эпидоту, содержащему меньше железа и, следовательно, имеющему меньшее среднее значение Z, чем светло-серые) (б) Изображение того же кристалла, полученное с использованием вторичных электронов Контрастность изображения связана главным образом с вариациями топологии поверхности образца

вторно поглощается атомом, испускающим электрон. Оже-электроны широко используются при анализе поверхностей объектов, так как в отличие от обратно отраженных и вторичных электронов их энергии характеризуют элементы, из которых они испускаются, и в силу этого они несут информацию о химическом составе минералов.

5.2.2 Выполнение анализов на электронном зонде

Химический анализ с помощью электронного зонда не является разновидностью полного анализа, при котором неизвестное вещество определяется в форме составляющих его компонентов.

Его суть состоит в сопоставлении рентгеновского излучения исследуемого образца с набором стандартов.

Другими словами, испускаемые образцами рентгеновские лучи сравниваются с теми, которые получены в тех же экспериментальных условиях от стандартов известного состава.

Одно из главных преимуществ электронно-зондового анализа заключается в том, что образец при нем не повреждается. Обычно образец берется в виде полированного петрографического шлифа или какого-либо полированного фрагмента и после анализа его можно использовать для детальных оптических исследований.

Для получения точных результатов важны следующие моменты:

1. Образец должен быть покрыт тонким слоем электропроводящего углерода, чтобы он не оказался электрически заряженным при взаимодействии с пучком электронов.

2. В идеале образцы должны быть плоскими и тщательно отполированными, так как грубая или неровная поверхность приводит к изменению степени поглощения электронного пучка и к уменьшению угла между поверхностью образца и центром детектора рентгеновских лучей. Величина этого угла также влияет на поглощение рентгеновских лучей при их прохождении через весь образец к его поверхности.

Интенсивность характеристического излучения зависит также от ряда других факторов, которые следует принимать во внимание, чтобы получать точные результаты.

1. Среднее значение атомного номера элементов, составляющих образец, влияет на величину энергии, теряемой первичным электронным пучком на побочные процессы рассеяния (обратно отраженные, вторичные и Оже-электроны). При этом потерянная энергия не используется на ионизацию атомов и возбуждение эмиссии рентгеновского излучения.

2. Поскольку характеристические рентгеновские лучи испускаются атомами, то они должны пройти через образец и, следовательно, часть их может поглощаться.

3. Обладающее высокой энергией характеристическое излучение может приводить к ионизации других атомов в образце, вынуждая их испускать собственное характеристическое излучение. Данный процесс известен как эффект вторичной флуоресценции матрицы.

Например, квант высокой энергии рентгеновского излучения, характеристического для элемента А, может быть поглощен атомом элемента В, вызывая таким образом у него вторичную эмиссию.

Следовательно, присутствие в образце элементов А и В будет увеличивать интенсивность излучения В и уменьшать ее у А.

4. Напряжение, используемое для ускорения электронного пучка, также может влиять на интенсивность характеристического излучения.

Чем выше ускоряющее напряжение, тем большей энергией обладают электроны в пучке и тем глубже они проникают и распространяются в пределах образца. Этот процесс приводит к потере пространственного разрешения, но значительно увеличивает степень возбуждения (рис.

5.4). Влияние ускоряющего напряжения на эффективность возбуждения характеристических рентгеновских линий показано на рис. 5.5.

При проведении анализа перечисленные факторы учитываются путем введения поправки ZAF (где Z — атомный номер, А — поглощение, F —

Рис. 5.

4 Схема, показывающая зависимость между ускоряющим напряжением (V0), средним атомным номером образца и пространственным разрешением испускаемых рентгеновских лучей. Чем выше ускоряющее напряжение, тем больше степень (объем) возбуждения.

Рис. 5.

5 Зависимость эффективности возбуждения характеристических рентгеновских линий от величины ускоряющего напряжения Энергия дисперсионных рентгеновских спектров меди составляет 10 кэВ (о) и 20 кэВ (6). Линии Cu К a и К в (8,05 и 8,90 кэВ соответственно) обладают низкой эффективностью возбуждения при 10 кэВ

наведенная рентгеновскими лучами флуоресценция).

Обычно самые лучшие аналитические результаты получаются, если условия эксперимента тщательно контролируются с помощью стандартов, которые настолько близки к составу образца, насколько это возможно.

Так, при анализе железосодержащих сфалеритов лучшим стандартом был бы железосодержащий сфалерит (Zn,Fe)S, но было бы ошибкой использовать в этом случае в качестве стандарта на Zn и S чистый синтетический сфалерит.

Стандартом на железо мог бы послужить его сульфид.

5.2.3 Энергетический дисперсионный и кристалл-дифракционный анализы1

В электронно-зондовом микроанализе существуют два способа, с помощью которых можно разделить, объединить в пучок и подсчитать кванты рентгеновского излучения. В ходе энергетического дисперсионного спектрального (ЭДС) анализа кванты разделяются в соответствии с их характеристическими энергиями.

Для разделения рентгеновских лучей по их характеристическим длинам волн используются дифракционные свойства кристаллов, и такой вид исследования называется кристалл-дифракционным спектральным (КДС) анализом.

Как ЭДС-, так и КДС-анализы имеют широкое применение, причем оба метода обладают своими преимуществами и недостатками.

https://www.youtube.com/watch?v=5_63GnBNtwc

На рис. 5.6 приведена схема ЭДС-анализатора. Рентгеновское излучение всех элементов регистрируется одновременно кристаллом-полупроводником, который, как правило, состоит из кремния с добавкой небольшого количества лития.

Затем энергия различных рентгеновских квантов разделяется электронным способом с помощью импульсного процессора и многоканального анализатора.

Полученный для исследуемого образца рентгеновский эмиссионный спектр содержит характеристические линии всех присутствующих в нем химических элементов, причем площади, ограниченные отдельными пиками, пропорциональны (хотя и не обязательно в точности прямо пропорциональны) концентрации элементов (рис. 5.7).

В силу того что все элементы регистрируются одновременно, основным преимуществом ЭДС-анализа является его скорость. Если система анализа должным образом налажена и откалибро-вана, то полноценные результаты можно получить за 60 с.

ЭДС-анализ обычно используется для количественного исследования силикатных минералов, и поэтому большинство электронных зондов снабжено автоматической системой для выполнения стандартных силикатных анализов.

ЭДС-анализ является также идеальным методом для качественных определений, так как с его помощью можно установить, какие элементы присутствуют в минеральном зерне, или убедиться в том, что кристалл является гомогенным, либо, напротив, зональным.

ЭДС-детекторы могут быть совмещены со сканирующим или просвечивающим электронным микроскопом, что позволяет проводить полуколичественный ЭДС-анализ на измельченных минеральных зернах или порошках. В общем для точного количественного ЭДС-анализа с использованием ПЭМ или СЭМ нужны очень большие усилия, так как трудно контролировать переменные условия эксперимента, такие, как уменьшение угла выхода рентгеновских лучей, степень их поглощения и толщину образцов. Для ЭДС-анализа предел обнаружения (минимальное количество элемента, которое может быть определено) составляет всего 0,1 мас.%, тогда как относительная точность лежит в интервале 1-5%.

Главным недостатком ЭДС-анализа является сравнительно плохое разрешение энергий, составляющее обычно около 150 эВ (0,15 кэВ). Это обстоятельство может приводить к неверным результатам, когда в ЭДС-спектрах наблюдаются большие перекрытия M-, L- и К-линий.

Например, линия Pb Ma имеет энергию 2,346 кэВ, в то время как энергия линии S Ka составляет 2,308 кэВ, и эти две линии не разрешаются в ходе ЭДС-анализа.

Подобные перекрытия встречаются между P Ka и Zr La (2,014 и 2,024 кэВ соответственно), Ba La и Ti Ka (4,466 и 4,511 кэВ). Чтобы разделить перекрывающиеся линии, применяется рентгеновский дисперсионный анализ длин волн, основанный на дифракционных свойствах кристаллов.

В этом КДС-анализе кванты

Рис. 5.

6 Схематическое изображение системы для энергетического дисперсионного спектрального (ЭДС) анализа.

Рис 5.7 Рентгеновский эмиссионный спектр эпидота из Хартс-Рэндж, Центральная Австралия, содержащий характеристические линии присутствующих в нем элементов — Al, Si, Ca и Fe. Площади, ограниченные разными пиками, пропорциональны (хотя не всегда прямо) концентрации элементов

рентгеновского излучения разделяются в соответствии с длиной волны посредством изменения угла кристалла-детектора (брэгговский угол).

При этом рентгеновские лучи, соответствующие каждой длине волны, учитываются отдельно.

Этот метод обладает гораздо лучшим разрешением, чем ЭДС (обычно порядка 10 эВ), и пределы обнаружения также оказываются гораздо выше — около 0,001%. Поэтому КДС-анализ используется для определения микроэлементов.

Различия в разрешающей способности ЭДС-и КДС-методов иллюстрирует рис. 5.8. Главным недостатком КДС-анализа является длительность его выполнения по сравнению с ЭДС-анализом, так как каждый элемент в этом случае нужно определять отдельно.

Современные электронные зонды обычно включают три-четыре КДС-детектора, и поэтому одновременно можно проанализировать только три или четыре элемента, причем для каждого из них должны быть замерены также фоновые значения и калибровочные стандарты.

Для запуска и калибровки электронного зонда с целью выполнения одной серии анализов обычно требуется один день, и на каждый анализ после этого затрачивается около 10 мин. Конечно, для проведения полного анализа необходимо знать, какие элементы присутствуют, или

Рис. 5.

8 Рентгеновские эмиссионные спектры PbS, иллюстрирующие различие в разрешающей способности ЭДС- и КДС-анализов, выполненных на электронно-зондовом микроанализаторе ЭДС спектр расположен выше и содержит только одну линию, образованную в результате перекрытия S К-линии и Pb М-линии Ниже, под растянутым ЭДС-спектром, находится КДС-спектр, содержащий линии, соответствующие S Ka, Pb Ma, Pb Мв и S Кв

https://www.youtube.com/watch?v=nUU2gAuUxLA

по крайней мере иметь представление о том, каких элементов можно ожидать.

Источник: https://injzashita.com/elektronno-zondoviie-mikroanaliz-pma.html

Refpoeconom
Добавить комментарий