赵同新;吉见聪;加藤治彦;小野卓男
【摘 要】通过实例介绍了微区分析仪器电子探针(EPMA)在金属材料测试中的表征和应用效果.结果表明:EPMA可直观地显示合金表面渗层元素的含量及分布情况、腐蚀后各元素对应的分布特征、不同热处理工艺下铝合金中锌元素的面分布特征及碲元素在镍基合金表面渗碲过程的扩散形貌;EPMP在产品检测、失效分析、工艺优化、基础研究等方面都能发挥效用. 【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2018(054)007
【总页数】4页(P504-507)
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【关键词】电子探针;成分分析;产品检测;失效分析;工艺制定;基础研究
【作 者】赵同新;吉见聪;加藤治彦;小野卓男
【作者单位】岛津中国分析中心,上海200233;岛津制作所全球应用开发中心,京都604-8511;岛津制作所全球应用开发中心,京都604-8511;岛津制作所全球应用开发中心,京都604-8511
【正文语种】中 文
【中图分类】TB31
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微束分析仪器比较常用且有代表性的是电子探针(EPMA)和扫描电镜(SEM)。它们都是使用聚焦很细的电子束照射被检测试样表面，再使用波谱仪(WDS)或能谱仪(EDS)测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线的波长或能量与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。它们是现代材料显微分析(微区成分、形貌和结构分析)最有用的仪器之一，应用十分广泛[1-2]。
与SEM侧重图像观察不同，EPMA以成分分析为主，采用WDS进行化学成分分析。EPMA进行成分分析时电子束电流更大，通常EPMA的二次电子像分辨率较SEM的略低，为6 nm，而EPMA-1720H配备高亮度CeBix灯丝分辨率达到5 nm，EPMA-8050G场发射型分辨
率可达3 nm。EPMA配有光学显微镜，用于直接观察和寻试样分析区域，使试样分析高度位置处于聚焦圆(罗兰圆)上，以保证成分定量分析的准确度。
笔者选用不同领域、不同类型的材料及其产品，使用EPMA对其进行测试和表征，以说明EPMA的功能和特点及其在金属材料分析与研究中的应用，为广大材料研究工作者提供参考。
1 在产品检测方面的应用
碳素钢或低合金钢通过表面处理，如渗碳处理后，在保持内部具有一定韧性的基础上，可以使表面具有更好的耐磨性。碳素钢或低合金钢经过碳氮共渗后，表面的耐蚀性也得到进一步的加强，这种表面处理工艺在齿轮和轴等机械零部件中应用非常广泛。根据使用目的的不同，表面碳和氮的含量及渗层深度也会有所不同。sce
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钢中微量元素的定量分析使用EPMA的工作曲线法，通过建立工作曲线，可以把面分析和线分析的计数值转换成对应的质量分数[3-4]。张晓菊等[5]利用EPMA及光电直读光谱仪等仪器测试对比，说明EPMA不仅能准确测定渗碳层碳元素的含量,而且能直观地反映出各渗碳工艺条件下试样整个渗碳层碳元素含量的分布状况。
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碳氮共渗处理后表面碳和氮元素的面分布如图1所示，可见碳和氮元素从表面到内部，其含量(质量分数，下同)逐渐变化，反映出其渗透过程。碳和氮元素从表面到基体的线分布特征曲线如图2所示，在曲线上可以读出不同渗透深度下碳、氮元素的相应含量，例如表面层碳元素含量约为0.88%，氮元素含量约为0.40%，硬化层深度约0.85 mm。
图1 碳氮共渗处理后表面碳和氮元素的面分布Fig.1 Morphology of mapping distribution of surface carbonand nitrogen elements after carbonitriding treatment
图2 碳和氮元素从表面到基体的线分布特征曲线Fig.2 Line distribution characteristic curves of carbon and nitrogen elements from surface to base
2 在失效分析方面的应用
AZ91D镁合金具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性。某AZ91D镁合金薄壁件产品在放置一段时候后表面出现了点状腐蚀暗斑。取表面缺陷试样，采用EPMA进行测试分析。该AZ91D镁合金制品表面点状腐蚀区域各元素的面分布如图3所示。其中氯元素和硫元素可导致合金制品的耐腐蚀性能大幅度降低[6]。
影响镁合金耐蚀性能的因素有许多，除腐蚀元素氯和硫外，合金中的夹杂元素铁、镍、钴和铜对镁合金的耐蚀性也有影响；镁合金在海洋气候环境下或酸雨环境中的耐蚀性也会大大降低；耐蚀性能与合金本身的加工工艺、组织状态等也有关系。
EPMA作为微区分析仪器，观察和分析腐蚀位置处的元素分布，可以辅助评估究竟在原材料、工艺、处理状态、运输、仓储等哪一个具体环节不符合规范，最终导致产品出现失效现象或质量问题。
另外，该AZ91D镁合金制品中，用来提高拉伸性能的锌元素和改善耐腐蚀性的锰元素分布相对均匀，符合产品当初设计要求。
3 在工艺制定方面的应用
泥浆固液分离作为汽车空调板外壳材料，铝合金中添加了约5%(质量分数)的锌，为了使锌元素在基体中均匀分布，保持基体的连续和一致性，后续将进行进一步的热处理。使用不同温度、时间和其他条件进行热处理试验，为实际的生产寻合适的工艺条件。每种试验条件下的各元素特别是锌的分布情况都需要测试，以确认工艺的效果，并可藉此优化下次试验的工艺参数。不同热处理温度下铝合金中锌元素的面分布如图4所示。
图3 AZ91D镁合金制品表面点状腐蚀区域各元素的面分布Fig.3 Mapping of distribution of various elements in pitting corrosion area of AZ91D magnesium alloy products surface
图4 不同热处理温度下铝合金中锌元素的面分布Fig.4 Mapping distribution of zinc element in aluminum alloy at different heat treatment temperatures
由图4可知，在相同的保温时间和其他工艺条件一致的情况下，随着热处理温度的增加，锌在整体趋势上由聚集状态逐渐向扩散分布过渡。在低温阶段锌的变化尤为明显，即从400 ℃到420 ℃再到450 ℃的温度变化过程中，锌的扩散尤为迅速，到470 ℃已基本均匀分布，此后随温度的继续升高锌的扩散速率减慢，分布也更加均匀。基于这样的结果，结合实际的需求，即可选择恰当的热处理温度参数。
4 在基础研究方面的应用
新型镍基合金以优秀的耐高温、耐腐蚀性能和更好的高温抗氧化性能受到广泛关注，在核电应用尤其是新一代反应堆材料方面有着良好的应用前景。研究发现核燃料裂变产物碲元素会导致镍基合金产生晶间裂纹，因此作为基础试验，研究碲元素与镍基合金的相互作用
行为就显得非常重要[7]。试验材料为镍基合金，表面电镀碲膜，在真空状态中，通过不同时间、不同温度的热处理，研究碲元素向基体的渗透情况。碲元素在镍基合金中的扩散形貌如图5所示。
图5 碲元素在镍基合金中的扩散形貌Fig.5 Diffusion morphology of tellurium element innickel-base alloy
由图5可知，表层的碲元素在试验中易向晶界偏聚，并沿着晶界向基体渗入，随着渗入深度的不同，碲含量的轻微变化也能够明显地看出来。这是因为EPMA具有更低的元素含量测试能力和更好的灵敏度，使其在微区微量成分的测试中可以得到广泛的应用，特别是在微量元素以及微量元素微小变化的检测方面独具优势。
5 结论
(1) EPMA可直观地显示合金表面渗层元素的含量及分布情况、腐蚀后各元素对应的分布特征、不同热处理工艺下铝合金中锌元素的面分布特征及碲元素在镍基合金中的渗透过程。
(2) EPMA的分析结果具有很强的直观性，其原位分析特征使之在金属材料领域中，不管是
在产品检测、失效分析、工艺优化还是基础研究等方面都能发挥效用。
参考文献：
【相关文献】
[1] 龚沿东. 电子探针(EPMA)简介[J]. 电子显微学报,2010,29(6):578-580.
[2] 王荣. 机械装备的失效分析(续前) 第7讲 电子光学分析技术[J]. 理化检验(物理分册),2017,53(10):691-700.
[3] 厉晓航. 非切割破坏法渗碳层深度在线检测设备及应用[J]. 理化检验(物理分册),2015,51(12):870-873.
[4] 毛允静. 钢中低碳的电子探针定量分析[J]. 冶金分析,2003,23(1):59-62.
[5] 张晓菊,李建龙. 齿轮渗碳层碳含量分布的电子探针定量分析方法探讨[J]. 冶金分析,2016,36(1):67-70.
[6] 刘增才,林乐耘. 实海暴露黄铜脱锌腐蚀行为及抑制脱锌机理研究[J]. 腐蚀科学与防护技术,1999,11(2):78-83.
[7] 贾彦彦,韩汾汾,程宏伟,等. Ni-Te系统的扩散激活能和扩散系数研究[J]. 上海金属,2013,35(4):1-4.
