“材料分析測試技術”研究型綜合性實驗設計

遲 靜, 吳 杰

(山東科技大學 材料科學與工程學院, 山東 青島 266590)

任何一種材料的宏觀性能都是由其微觀組織結構決定的,對材料的微觀組織進行分析檢測是非常重要的,它是探討材料失效機制和研發新材料的必備基礎[1-2]?！安牧戏治鰷y試技術”是材料類專業的必修課程,主要講授基于電磁輻射及運動粒子束與物質相互作用建立的衍射分析、電子顯微分析和電子能譜分析等。作為一門實踐性極強的課程,針對每種測試方法開設相應的實驗,在真實的測試環境中對材料進行檢測,使學生在掌握理論原理的基礎上,具備儀器使用和數據處理的能力。然而,在進行畢業設計(論文),開展科技創新活動以及考研復試的過程中,卻頻繁出現學生不知如何利用測試結果對材料進行分析的情況。追本溯源,“材料分析測試技術”課程雖開設了X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子探針(EPMA)等實驗,但實驗設計是根據測試儀器的特性,從測試數據利于學生理解的角度,分別選擇合適的材料進行檢測。例如：對A材料進行XRD測試,標定物相組成；對B材料進行SEM測試,分析微觀組織；對C材料進行EPMA測試,獲得微區成分。實驗內容相互獨立,實驗性質為驗證性,由單一的數據即可得到確定的結果。而實際的材料研究是需要多種測試數據建立關聯,相互支撐,進行綜合分析才能獲得結果。因此,為提高學生的分析測試能力,開展研究型綜合性課程實驗十分必要。

1 實驗

1.1 實驗設計

碳化鎢(WC)陶瓷顆粒硬度高,熱膨脹系數小,化學性質穩定,與Ni金屬具有良好的潤濕性[3-5],WC-Ni復合材料將陶瓷顆粒的高強度、優異的耐磨性與金屬粘結相良好的韌性有機結合,在礦物開采、石油鉆探和金屬切削等領域應用廣泛[6-8]。以WC-Ni復合材料為研究對象,設計“材料分析測試技術”課程的研究型綜合性實驗,不預先告知學生材料的相關信息。利用XRD、SEM和EPMA對材料進行測試,使學生熟悉儀器操作和樣品制備要求,掌握X射線衍射物相鑒定原理、電子束與樣品作用的成像原理和X射線能量色散譜儀(EDS)的成分分析原理。對實驗結果進行分析,確定材料的物相組成和微觀組織形貌,并結合制備工藝探究材料形成機理,使學生清晰材料研究思路,學會數據處理方法,具備綜合分析能力。

1.2 實驗內容

樣品經線切割尺寸為10 mm×10 mm×10 mm,對待測表面進行砂紙粗磨和金剛膏拋光。利用RIKAKA D/Max 2500PC 型X射線衍射儀測試物相組成,X射線源為Cu靶發射的K譜線(為0.154 2 nm),測試角度為20～120,掃描速度為6/min。在Nova Nano SEM450場發射高分辨掃描電鏡上觀察微觀組織,以二次電子像和背散射像兩種模式成像。微區成分檢測采用JXA-8230型電子探針,對相關區域分別進行EDS點掃描、線掃描和面掃描。

2 實驗結果與分析

2.1 SEM微觀組織分析

圖1為樣品的SEM顯微組織圖像,圖1(a)為二次電子像,圖1(b)為背散射電子像。從圖1可以看出,相同的微觀組織以不同的成像方式獲得了襯度不同的圖像,這是由成像信號的產生原理決定的。高能量的電子束與樣品表面發生作用,由于樣品原子的核外電子與原子核的結合能較小,因此在入射電子束的作用下,可以離開原子成為自由電子。當這些自由電子從材料逸出到真空中時,稱為二次電子。二次電子的產額隨樣品表面法線與入射電子束的傾角增大而增多,因此以其強度作為亮度調節信號所得的圖像反映了樣品的表面形貌[9]。圖1(a)顯示樣品中有2種襯度不同的組織,亮色組織為矩形或三角形顆粒,暗色組織填充于顆粒之間。樣品在測試前進行了粗磨和拋光,經歷了磨粒磨損過程,硬度高的顆粒磨損程度小,在易磨損組織表面突出,產生的二次電子多,相對應的圖像亮度高。

圖1 樣品的SEM圖像

圖1(b)是背散射電子像,以背散射電子的強度作為信號調制圖像亮度。背散射電子是被樣品原子反彈回去的一部分入射電子,其產額隨樣品原子序數增大而增多,所以背散射像的襯度反映了組織的成分信息[9]。圖1(b)中的亮色組織對應于圖1(a)中的突起顆粒,它的原子序數要高于暗色組織。值得注意的是,圖1(b)的襯度有3種,顏色最暗的呈黑色斑點狀,與圖1(a)對照可以發現,它們是材料中存在的孔洞。被入射電子束激發產生的二次電子或背散射電子從凹坑或孔洞逸出的過程中,會被周圍材料大量吸收,強度減弱,在圖像上亮度最低。通過分析得出,樣品主要由2種組織構成,顆粒狀組織原子序數高,耐磨性好；相對而言,另一組織韌性好,起到粘結耐磨顆粒的作用。

2.2 EDS成分分析

采用EPMA對樣品進行EDS測試,結果如圖2所示。點分析是用電子束轟擊選定微區,激發出所含元素的特征X射線,從而確定微區的元素種類及含量。圖2(a)和圖2 (b)顯示顆粒狀組織由C和W元素組成,周圍粘結相主要成分是Ni,含有少量的W。線分析是電子束在樣品表面沿著給定直線路徑進行掃描,得到元素沿直線的特征X射線強度變化,用于表征元素的濃度分布情況[10],顆粒組織中C和W分布均勻,沒有明顯的濃度變化，見圖2(c)和(d)。圖2(e)和(f)是面分析結果,電子束在樣品表面做二維光柵掃描,以激發出的元素特征X射線的強度調節圖像亮度,所以圖像越亮代表該元素的含量越高[10]。圖2(e)中W元素主要分布在顆粒組織內,周圍粘結相以Ni元素為主，見圖2(f)。

圖2 樣品的EDS成分分析結果

2.3 XRD物相組成分析

樣品在X射線的作用下會產生衍射現象,衍射花樣由物質的晶體結構決定,每種物質都有自己獨特的衍射譜；多晶材料的衍射數據是多物相衍射花樣的機械疊加,因此根據XRD譜圖可以進行多晶材料的物相定性分析[11]。由EDS結果可知,樣品的成分組成為C、W和Ni元素,因此選擇這3種元素作為物相組成的可能元素,利用Jade軟件進行XRD物相標定和Origin繪圖,如圖3所示。

可以看出樣品由WC和Ni 2種物相組成。根據PDF卡片信息,標注了各衍射峰的晶面指數。

XRD譜圖的衍射強度反映了樣品物相的相對含量,衍射強度隨物相含量的增加而提高,但由于物質的吸收系數不同等因素的影響,強度和含量不呈簡單的正比關系,需要根據衍射數據通過實驗方法得出物相含量[11]。以-Al2O3為內標物質,依據參比強度法[9]對樣品中WC和Ni的相對含量進行計算,見式(1)。

(1)

綜合SEM、EDS和XRD的分析結果,可以得出樣品由WC和Ni 2種物相組成,其中WC的相對含量為68.58%；WC呈三角形或矩形顆粒,顆粒內部W、C元素分布均勻,具有良好的耐磨性；Ni為粘結相,韌性高,將彌散分布的WC顆粒連接在一起構成WC-Ni復合材料。

3 實驗拓展

3.1 實驗內容拓展,探討材料形成機理

指導教師把樣品的制備工藝告知學生,引導學生在物相組成和微觀形貌分析的基礎上,結合工藝探討材料的形成機理,明晰材料研究思路。樣品原料粉末為W粉和C粉,按照摩爾比1∶1混合均勻,在75 MPa壓力下壓制成片,尺寸為20 mm10 mm。實驗采用熱爆合成—自發熔滲技術,W-C粉末壓片放在感應線圈中部的坩堝內,壓片上放置Ni塊。實驗時采用氬氣為保護氣,感應功率為2.5 kW,溫度升到1 800 K時保溫90 s,隨后停止加熱,經自然冷卻獲得樣品。

原料粉末為W粉和C粉,樣品的物相為WC(見圖3),這說明W粉和C粉在制備過程中經過原位反應生成了WC,反應式見式(2)。根據熱力學參數[12],計算得出W-C反應的吉布斯自由能與溫度(ΔG-T)關系曲線(見圖4)。Ni的熔點為1 728 K,圖4顯示在較低溫度下W-C反應的ΔG小于零,反應能自發進行,所以在Ni塊熔化前即發生了式(2)反應生成了WC。隨溫度升高,Ni塊熔化滲入壓片,實驗最高溫度為1 800 K,WC熔點(3 143 K)遠高于Ni熔體溫度,因此WC不能熔化,應是溶解在熔體中。加熱停止降溫過程中,溶解的WC從熔體中重新結晶析出,即WC依靠溶解—析出機制[13-15]與Ni形成了WC-Ni復合材料。

W+C=WC

(2)

圖4 W-C反應的ΔG-T關系曲線

3.2 實驗材料拓展,注重研究能力培養

實驗綜合了XRD、SEM和EPMA多種測試技術,以WC-Ni復合材料的研究為例,分析了材料的物相組成、微觀結構和微區成分,并探討了材料的形成機理。本實驗模式適合于材料學科各專業的“材料分析測試技術”課程實驗,實驗材料可根據學生的專業合理選擇。由于實驗所用設備均屬于大型儀器,各自只有1臺(套)供實驗教學,為在有限的實驗條件下更加有效地提高學生的分析能力,實驗以小組形式進行,每組包括5～8名學生,每組選擇不同的測試材料,進行數據共享,實驗報告要求對2種以上材料進行分析,有興趣的學生可以處理多組數據。

該實驗設計滿足了不同層次學生的需求,不僅使學生掌握了分析測試方法,能夠利用課程知識對實驗數據進行合理解釋；更重要的是,這種研究型綜合性的實驗模式與實際的材料科學研究過程相同,使學生更加深入地理解了材料研究方式,激發了學生的創新意識,利于對學生研究能力的培養,為學生進行創新實驗、畢業論文(設計)和“國家大學生創新訓練計劃項目”“‘挑戰杯’全國大學生課外學術科技作品競賽”等課外科技活動提供了必備的能力基礎。

4 結語

本實驗屬于“材料分析測試技術”課程的一個研究型綜合性實驗,實驗設計從課程教學目標出發,選擇學科熱點材料,采用多種現代大型分析測試儀器進行表征,利用理論原理對數據綜合分析,結合制備工藝探討材料形成機制。實驗將課程內容與學科前沿相結合,鞏固了學生對課程基礎知識的掌握,提高了學生的材料分析測試能力,加深了學生對材料研究思路的理解；實驗使學生更好地了解學科研究動態,激發了學生的創新意識,培養了學生的科研素養,為學生開展科技創新活動和畢業論文(設計)奠定了良好基礎。