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1、苏州大学本科生毕业设计(论文)1扫描电子显微镜技术应用与研究摘要:本文从金属晶体理论和扫描电子显微镜的原理出发，阐述了的定义和性质。通过对金属模块和焊条的二次电子成像，论证了分辨率高，能反映物体更多的层次结构等优点。最后，讨论了二次电子在电子制造业中的应用。关键词：扫描电子显微镜 金属晶体 二次电子成像 电子束Abstract：This article is based on the theory of metal crystal, configuration and working theory of the scanning electron microscope. It is expou
2、nded 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
3、 electronic manufacturing applications.Key words: scanning electron microscope, metal crystal, secondary electron image electron beam前言随着现代科学技术的飞跃发展,各种新型材料的不断涌现.材料的检测技术也正在朝着科学、先进、简便、精确、自动化的方向发展.材料组织结构和性能的检测已成为一门多学科、跨学科的综合性技术.材料性能的检测既有传统的见手段又有高度现代化的研究手段.面对新技术和新材料的快速发展,过去传统的常规性能检测遇到了极大的挑战.一方面由于采用现代化的电
4、子技术、光学技术、声学技术等新技术以及随之发展的各种高科技的设备,触进了材料检测技术的不断进步.另外一方面,为了适应新材料和新技术的发展不断不断修改检测标准,使常规检验和深入研究紧密的结合起来.而在材料组织的形貌观察中,主要是依靠显微技术,利用二次电子成像来分析材料的组织结构,已成为当今检测的主要趋势.扫描电子显微镜和透射电子显微镜则把观察的尺度推广到亚微米和微米以下的层次.现代的显微镜的分辨率可达到 0.2nm 甚至更高.在借助显微技术和其他一些分析系统可以把材料组合子形貌比较准确的分析出来.目前有些零件由于某些原因,结构发生及其性能发生了变化,为了收集失效零件的有苏州大学本科生毕业设计(论
5、文)2关资料，我们必须先了解金属材料的结构（晶体结构） ，从结构出发认识金属材料的性能（力学性能和工艺性能） ，同时了解这种结构的缺陷，以及由此可能引起的各种问题（断裂、疲劳等） 。这方面的学习能帮助我们快速准确的确定零件失效的原因。目前我们常用显微镜来观察分析金属断口，确定失效的发源点和失效方式。用能谱仪和波谱仪来定性和定量分析断口处金属材料的成分和比例，检验材料的组织是否正常，成分是否符合要求。从而进一步确定失效的具体原因。本篇论文主要就金属的晶体结构和扫描电子显微镜这两方面进行学习探讨，结合一些实验，目的是让我们了解金属材料的结构及其成分.第 1 章 金属晶体结构第 1.1 节 金属晶体
6、结构概述所谓晶体结构，就是晶体的内部结构。固态物质按其原子（离子、分子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。所谓晶体是指原子（离子、分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，其排列的方式称为晶体结构，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。原子（离子、分子）在空间无规则排列的物体称为非晶体，如普通玻璃、松香、石蜡等。一、晶格为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格架称为晶格，如图 3-1-1 所示。晶格中的每个点叫做结点图 1-1 晶格苏州大学本科生毕
7、业设计(论文)3二、晶胞晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图 3-1-2 所示。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。三、晶格常数晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度 a、b、c 及棱边夹角 、 来表示，如图 3-1-3 所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，当棱边长度 abc ，棱边夹角 时，这种晶胞称为简单立方晶胞，由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。图 1-2 晶胞 图 1-3 晶格常数四、晶面、晶向和晶体的各向异性金属晶体
8、中通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面。通过原子中心所构成的不同方向上的原子列，可以代表晶格空间的一定方向，称为晶向。由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上会显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能表现出来，并在工业生产中有所应用。第 1.2 节 金属的几种典型晶体结构一、面心立方、体心立方和密排立方金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多金属都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的金属晶体结构由 3 种，它们是面心立方结构(Face-cent
9、ered cubic)、体心立方结构(Body-centered cubic)和密排六方结构(Hexagonal close-packed)。若将金属原子看作刚性球，这三种晶体结构的晶胞和晶体学特点分别如图苏州大学本科生毕业设计(论文)4二、晶胞中的原子数晶体由大量晶胞堆砌而成，从图 1.2.1、图 1.2.2、图 1.2.3 可以看出处于晶胞顶角处的原子为几个晶胞所共有，而位于晶面上的原子也同时属于两个相邻的晶胞，只有在晶胞体积内的原子才单独为一个晶胞所有。故三种典型金属晶体结中每个晶胞所占有的原子数 n 为：面心立方结构 n=81/8+61/2=4体心立方结构 n=81/8+1=2密排六方
10、结构 n=121/6+21/2+3=6三、点阵常数与原子半径晶胞的大小一般是由晶胞的棱边长度(a, b, c)即点阵常数（或称晶格常数）衡量的，它是表征晶体结构的一个重要基本参数。点阵常数主要是通过 X 射线衍射分析求得。不同金属可以有相同的点阵类型，但各元素由于电子结构及其所决定的原子间结合情况的不同，因而具有各不相同的点阵常数，且随温度的不同而变化。如果把金属原子看作刚球，并设其半径为 R，则根据几何关系不难求出三种典型金属晶体结构的点阵常数与 R 之间的关系：面心立方结构：点阵常数为 a，且 21/2a4R;体心立方结构：点阵常数为 a，且 31/2a4R;密排六方结构：点阵常数为 a
11、和 c 表示。在理想情况下，即把原子看作等看作径的刚球，可算的且 c/a1.633，此时 a2R；但实际测得的轴比常偏离此值，即c/a1.633，这时，(a 2/3+c2/4)1/2=2R。四、配位数与致密度晶体中原子排列的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素。为了定量地表示原子排列的紧密程度，通常应用配位数和致密度这俩个参数。配位数(CN)是指晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距离的原子数。苏州大学本科生毕业设计(论文)5致密度(K) 是晶胞中原子所占的体积分数，即：式中：K 为致密度；n 为晶胞原子数；v 原子体积； V 为晶胞体积。在面心结构中每一个球接触到同种球的个数为 12，所以
12、配位数为 12。面心立方结构致密度为体心立方的体心原子与 8 个原子最近邻，配位数为 8。致密度为同理可算出理想的密排六方结构（c/a=1.633）配位数也是 12，致密度也是 0.74。以上分析表明，面心立方与密排六方的配位数与致密度均高于体心立方，故称为最紧密排列。五、金属晶体结构的缺陷实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域。这些缺陷对金属的物理、化学和力学性能影响很大，特别对塑性、强度、硬度等起着决定性作用。根据缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。（1）点缺陷所谓点缺陷，
13、是指长、宽、高三个方向的尺寸都很小的一种缺陷，常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子三种。在任何温度下，位于晶格结点上的原子并非是静止不动的，而是以其平衡位置为中心，不停地作三维热振动。其振幅大小和晶体的温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的震动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些，同样另一些原子的能量可能低些，那它的振幅就要小些。这种现象称之为能量起伏。由于能量起伏，总有一些振动能量较大的原子，能克服周围原子对它的约束，脱离原来的平衡位置迁移到别处，其结果是在原来的位置上出现了空结点，这就是空位。脱离原位的原子一般有三种去向：一是跑到晶体表面
14、，这样所产生的空位称为肖脱基空位；二是跑到点阵间隙中，所产生的空位称为弗兰克空位；三是跑到其他空位中，这当然不会增加新空位，但可使空位变换位置。产生空位后，其相邻原子由于失去了平衡，都会向着空位做一定程度的松弛，从而在其周围出现一个波及到一定范围的畸变区，或弹性应变区。晶格畸变将导致能量升高，从而使金属的强度、硬度和电阻增加，这就导致了晶体的不稳定性。但另一方面，它们苏州大学本科生毕业设计(论文)6的出现会引起晶体熵植的显著增大，而熵值越大晶体应该越稳定，这两个相互矛盾的因素使得晶体中的空位或间隙原子在每一温度都有一个相应的平衡浓度。温度越高其平衡浓度也将越大，当浓度高到过饱和程度时，过饱和的
15、空位，或凝聚为空位对或空位群，或与其他缺陷相互作用而消失，或组成较稳定的复合体。（2）线缺陷所谓线缺陷，就是指在晶体的某一平面上，沿着某一方向伸展呈线状分布的缺陷。这种缺陷的特征是，在某一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。这种缺陷的基本形式是各种类型的错位。错位是指晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。错位的基本类型有刃型位错和螺型位错。刃型位错是指在一个完整晶体的某一个晶面上，多出了一个半原子面，这个多余半原子面的边缘就像刀刃一样将晶体切开，将刃口处的原子列称之为刃型位错线。刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错。反之，若额外
16、半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错。螺型位错就好象是把晶体的前半部用刀劈开，然后沿劈开面，并以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方面发生一个原子间距的相对切变，这样在晶体切变部分的上下表面各出现一个台阶，但在晶体内部大部分原子仍相吻合。在实际晶体中常有大量位错存在，位错数量常用位错密度 表示LV其中 V晶体的体积L体积为 V 的晶体中，位错线的总长度。位错密度对金属强度有重要影响，当金属中位错密度很高或很低时，金属的强度反而会升高。（3）面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状分布的缺陷。面缺陷通常指晶界和亚晶界。1）晶界由于工业上使用的金属材料，大都是由很多晶粒组成的多晶体，而且各晶粒间的位向不同，故各晶粒之间存在着晶界。由于晶界上的原子同时受到位向不同的相邻晶粒的影响，为了能同时适应两晶粒的位向，必须从一种位向逐步过度到另一种位向，成为不同位向晶粒间的过渡层。面缺陷的第三方向尺寸虽然很小，但仍
