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1、表面质量检测与表面质量控制苟国庆 西南交大工程科学研究院,结构决定性能是自然界永恒的规律，不同类型的材料具有不同的性能。 材料的组织结构又是由其成分和生产工艺决定的，即使同一种材料经不同的工艺处理、也会得到不同的组织结构而具有不同的性能。 应用现代测试仪器对材料的成分、组织结构进行分析测试研究，以达到控制材料的成分和组织结构的目的，使其达到设计或生产要求的性能。其微观组织结构所涉及的内容大致如下：1、显微化学成分不同相的成分，基体与析出相的成分，成分的分布，晶体内部与晶界的成分等；2、晶体结构与晶体缺陷晶体的点阵类型，点阵常数及其变化 规律，晶体结构中的应力、位错、层错等。,3、晶粒的大小与形
2、态（等轴晶、柱状晶、枝晶等）4、相的成分、结构、形态、含量及分布（球状、粒状、片状、棒状、沿晶界聚集或均匀分布等；)5、界面（表面、相界或晶界）的成分与结构；6、位向关系（惯习面、孪生面、新相与母相等的位向关系）；7、夹杂物（夹杂物的类型，形态、分布等）8、内应力（宏观内应力，微观内应力，点阵静畸变）在材料的研制，生产、加工、成形过程中；无论是结构材料、功能材料或复合材料、其成分，组织结构、性能及其相互关系和变化规律；材料的相变、杂质、缺陷、变形、断裂和磨损的宏观规律和微观过程等领域的研究都离不开现代测试技术。下面对材料研究中一些常用的方法作一简介。,二、材料化学成分的分析 1、常规的化学分析
3、常规的化学分析是一种传统的分析方法，也是一般工矿企业和科研机构常用的方法，主要用于测定材料和工件的平均化学成分，不能测定微区成分及其成分的分布。其特点是分析可靠性高，设备简单，投资少。现代的化学分析仪器已用微机控制其操作规程和数据处理，克服了人为操作误差，进一步提高了分析的准确性和分析速度。国内外都有商品化的碳 、硫联合测定 ，S i , Mn , P 等联合测定的自动测试设备。,2、仪器分析方法,仪器分析方法分析速度快，但仪器比较昂贵，分析费用 比较高；视其分析的仪器不同，分析的精度和功能各异。主要仪器有： 1）、电子探针和X射线荧光光谱分析可分析材料的平均成分，但其平均性没有化学分析的 平
4、均性好，主要用于分析材料的微区成分及其成分的分布 ， 如线分布，面分布等。定量分析时，如有标样进行定量分析，精度较高，无标 样而用元素的特征谱线强度进行计算时，其定量的精度较 差，特别是轻元素准确性更差。 2）、离子探针 3 )、俄歇能谱分析 4）、光电子能谱分析等,三、材料形貌结构分析,（一）金相显微分析在材料研究中的应用金相显微分析使用方便，制样简单，主要分析材料中的相组成及其 相的形状，粒度、分布和数量等。金属显微组织的显示化学显示、电解显示、阴极真空浸蚀、恒 电位浸蚀；试样组织的观察与分析 1、定性分析观察分析材料的相组成，这些相的形状大小及分布等； 2、定量分析测量晶粒大小，复相材料
5、中各组织或相的相对含量、界面曲率、第 二相粒子尺寸及分布，枝晶间距等。通过显微组织特征参量的定量测 量，建立组织参数与性能状态间更为本质的定量关系。1）晶粒大小a , 截线法 b , 网格法 c , 晶粒度的测定,尤其是对纳米材料的研究具有较强的实际意义,金相显微镜与数码相机，图相处理器相连，可直接获取理想的金相照片，根据组织中各相的灰度可进行定量金相分析。获取各相的相对含量。其分辨率可1 0.2m 。,A） NiCrMo 250 B） FeNiB 250,(二) 扫描电镜1、扫描电子显微镜是利用电子束在样品表面扫描时击发出来的各种物理信号来调制成像的。分辨率可达3-4nm放大倍数可从数倍放大
6、到20万倍左右。2、扫描电子显微镜景深大，可直接进行金相和断口分析，样品不必复制，已成为断口分析的主要工具。3、现代扫描电子显微镜已和其它分析仪器组合在一起，成为能在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构分析的多功能分析仪器。,扫描电镜（CAMSCAN4-40DV型）,纳米Al2O3-13%TiO2造粒后 200X,纳米Al2O3-13%TiO2造粒后 10,000X,纳米Al2O3-13%TiO2造粒前 30,000X,纳米Al2O3-13%TiO2造粒前 50,000X,g）FeNiB,FeNiB 涂层截面 200X,NiCr/Cr3C2 涂层截面 200X,1、 沿晶
7、断口 2 、 韧窝断口,解理断口,纤维增强复合材料断口,电子探针显微分析,电子探针的主要功能是进行微区成分分析,它是在电 子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效 率分析仪器。其原理是用细聚焦电子束入射到试样表面，激发出 样品原子的特征X射线，分析特征X射线的波长或特征能 量便可知道样品中所含元素的种类，分析特征X射线的强 度，便可知道它们的相对含量。电子探针仪的结构与扫描电子显微镜结构大体相 同，只是检测器是X射线谱仪。因此现代的电子探针是作 为附件安装在扫描电镜和透射电镜上， 以满足对式样进 行形貌、成分、结构三位一体同位分析的需要。,透射电子显微镜在材料研究中的应用透射电镜是以
8、波长极短的电子束为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率，高放大倍数的电子光学仪器,其分辨率为. 0.1 nm 0.201 nm 。 1、形貌分析（金相组织、晶体缺陷、结构像、原子像等）； 2、应用电子衍射进行微区结构分析； 3、可在同一台仪器上进行组织形貌，成分和组织结构等信息的同位分析。 4、可进行位错、层错等晶体缺陷的分析。 5、通过电子衍射可测定晶体的位相关系。,四、X射线衍射,1、晶体结构的测定；点阵常数的精确测定 ，点阵常数随成分，工艺的变化规律等。 2、物相定性分析；） 用X射线进行物相分析准确可靠,但它只能肯定某相的存在而不能 否定某相的存在。因细小弥散的微量相( 0. 1
9、m )，其衍射线条很弱甚 至测不到该相的衍射线条，所以对细小和微量相的分析可用透射电子显 微镜进行分析，根据电子衍射花样确定其物相，还可根据母相和析出相的 电子衍射花样确定其析出相与母相的位向关系）对混合物中微量相的分析对微量相的分析可采用化学分离，用元素定性或电解提取后,再用X射 线衍射分析. 3 ) 对目标相的分析4 ) X射线物相分析的方法-人工检索和计算机检索. 3、物相定量分析 4、宏观应力的测定 5、晶体取向的测定 6、织构的测定,X射线衍射,(单晶或多晶)晶体与x射线所产生的衍射作用衍射斑点或谱图分析晶体结构确定晶体所属的晶系（物相）、晶体的晶胞参数、晶粒尺寸的大小、薄膜的厚度和
10、应力分布等,X射线衍射可以得到的信息,1、物相鉴定 1.1定性 当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己的独特的衍射花样，多种物质以混合物存在时，它的衍射数据d 不会改变（与红外不同） 避免漏确定一些含量较少的物相的衍射峰,衍射峰 的位置2,晶面的 面间距dhkl,衍射峰的 相对强度,对照标准衍射图 谱可以判断该物质,根据布拉 格方程,衍射峰的 数目,高速火焰喷涂FeNiB 涂层,五、 X射线光电子能谱仪,X射线光电子能谱X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy ,简称）即化学分析用电子能谱，是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于表面成分和化学
11、态的分析。用单色射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子作用，光致电离产生了光电子；用能量分析器分析光电子的能量，便可得到射光电子能谱。X射线光电子能谱的定性分析根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态。X射线光电子能谱的定量分析根据具有某种能量的光电子的数量，便可知道某种元素在表面的含量。射线光电子能谱对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。其缺点是射线不易聚焦，照射面积大，不适于微区分析。,常用Mg 和Al做X射线源，其Ka双线可以认为是一条线。不过也要产生其它能量的伴线，而产生相应的X光电子谱峰，干扰光电子谱峰的正确测定。此外，由于X射线源的韧致辐射
12、还会产生连续的背底。所采用的能量分析器主要是带预减速器的半球或接近半球的球偏转分析器SDA，其次是具有减速栅网的双通筒镜分析器CMA，用前者较合适。能量分析器的作用是选取从样品发射出来的具有某种能量的光电子， 滤除其它能量的光子。其选取的能量与加到分析器的某个电压成正比，控制电压就能控制选择的能量；如果加的是扫描电压，便可依次选取不同能量的光电子，从而得到光电子的能量分布，即光电子能谱。扫描方式分为两种：1、固定分析器通过能量方式（CAT） 2、固定减速比方式（CRR）。X射线光电子能谱的背底比俄歇谱低，因此，不用微分法，而是直接测出能谱曲线。其检测极限大约为0.1%,4f 7/2,4f 7/
13、2,4f 5/2,4f 5/2,六、表面机械性能测试,1、表面硬度的测试 执行标准：GB4342-84。 显微硬度的加荷范围98.07103N9.8N。在表面膜层的基体不出现塑性变形的情况下，应尽可能选取比较大的试验力。载荷的大小应根据试样表面膜层的厚度和硬度不同来选择。 通常，可按下式进行选择：m代表载荷重量；HV代表估计硬度；为膜层厚度,2、结合强度的测试 表面工程技术中相当多的技术是 覆膜或覆层技术，因此， 结合强度的研究非常重要。 膜层结合强度的测试， 定量：压痕法、拉张法和剥离法。 对于热喷涂涂层，结合强度不是 很高。一般采用拉张法。 执行标准：GB8642-88。,涂层结合强度测试
14、原理图,定性： 弯曲试验法：对于薄型件、线材、弹簧等产品的镀层，可加外力使其弯曲到一定程度或反复弯曲。 锉磨试验法：对于不易弯曲的试件，可用锉刀或磨轮自基体向镀层方向进行。 冲击试验法 热冲击试验法 有机涂料膜层采用划痕法（GB1720-79）。,3.膜层残余应力的测试 宏观残余应力与构件的疲劳强度，抗应力腐蚀能力和尺寸稳定性等密切相关。 如焊接引起的残余应力能使构件变形，在特殊介质中工作构件表面张应力会造成应力腐蚀； 热处理或磨削产生的残余应力往往是量具尺寸稳定性下降的原因； 某些情况下残余应力是有利的； 承受往复载荷的曲轴在轴颈表面有适当的压应力可提高其疲劳寿命； 测定残余应力对控制各类加
15、工工艺，检查表面强化或消除应力的工艺效果以及进行失效分析等具有重要意义。 测量方法：悬臂法、衍射法、光干涉法、几何光学法,4.耐磨性能试验 耐磨性是衡量材料力学性能的重要指标之一。 表面硬度从一定程度上可以反映耐磨性大小，但不一定成正比关系。 主要可通过测量滑动摩擦、滚动摩擦、滑动滚动复合摩擦的形式进行测量。 常用的方法：失重法、磨痕法。 磨损试验机类型：MM-200、MMU-5G通过磨损实验，我们就可以评定涂层的耐磨性能，损失的质量，以及涂层磨损的机理，从而可以判定在什么条件下涂层会失效，为生产指导。,等离子喷涂NiCr/Cr3C2 涂层磨损面,七、表面物理性能测试,1.表面粗糙度的测试：比
16、较法、光切法、干涉法、针描法等。 2.热膨胀系数的测试：对表面覆膜层的结合强度、抗热震性能、和残余应力有重要影响。需采用专用设备进行测量。 3.热导率的测试：表示材料传热好坏的重要性能，是高温绝缘涂层系统设计的重要依据。需采用专用设备进行测量。 4.厚度：厚度太薄，不能满足使用要求，或没有必要的加工余量，太厚，不仅浪费材料、增加工时，而且会引起应力，削弱结合强度。测试方法：称重法、磁性法、涡流法等。,5.高温性能试验：金属工件在高温下工作，可能引起氧化或起皮，承受反复加热或冷却而导致热疲劳破坏。 抗氧化性能试验 隔热性能试验 热寿命试验 抗热震试验,八、表面化学性能测试,1.孔隙度测试 在覆层覆膜处理中，孔隙的存在对表面的其它性能影响极大。除了极少数情况下希望其孔隙度增大外，大多数情况下都不希望孔隙的存在。 孔隙的测试可采用贴纸法、涂膏法、浸渍法等。也可采用电化学钝化法、显微镜观察法、绝缘法等。 2.耐腐蚀性能测试 大气暴露试验 。主要检查：a、膜层与基体金属腐蚀产物的颜色和状态特征；b、单位面积的腐蚀点个数，或腐蚀面积百分数；c、光泽的变化程度；d、表示膜层的开裂或鼓泡情况；e、按腐蚀情况进行分级。,
