扫描电镜及能谱分析在钢铁冶金中的应用

徐焕钦

（河钢股份有限公司承德分公司，河北 承德 067002）

阐述了设备能谱仪的扫描电子显微镜的工作原理和特点。介绍了扫描电镜在钢铁企业中的主要应用。从样品制备过程、样品研磨、生产过程、样品标记等方面，分析总结了影响能谱分析结果的几个样品制备因素。

1 扫描电子显微镜和能谱仪的原理与特征

扫描电镜是由电子枪发射电子束，通过电子束轰击试样，使试样表面激发出各种物理信号，通过收集这些物理信号而获得图像。扫描电镜观察样品尺寸范围较大，本公司配备的是直径为10cm的样品台，样品制备比较简单，经清洗即可；样品在样品室内可以做三维空间平移及90°内旋转，可进行多角度观察，有利于分析断裂形状不规则的样品；景深大，图像立体感强；图像放大范围大，分辨率高；电子束对样品的损伤和污染较小；另外，新型扫描电镜配备相应附件还能够进行动态观察（如动态拉伸、压缩、弯曲、升降温）等。能谱仪是通过高能量电子束照射样品，样品原子受激发产生特征X射线，通过收集X射线的特征能量确定元素类型的仪器。能谱仪可以同时探测多种元素，分析速度快，能在几分钟内对“Z＞11”的元素进行定量和定性分析。配备能谱的扫描电镜结合了两者的优点，具有分析速度快，微区定点分析准确，可进行线、面扫描等特点。钢铁冶金行业样品较大，且检验量大，扫描电镜的这些特点都有利于其应用。

2 扫描电镜与能谱分析在钢铁冶金中的实际应用

（1）成分分析。扫描电镜配备能谱仪，可以实现对钢铁中夹杂物或夹渣的成分分析、偏析带的成分分析等。显微技术和电子微区分析技术应用于夹杂物的鉴定，使夹杂物鉴定分析得到一个飞跃发展。透射电子显微镜有极高的分辨率（0.2nm～0.3nm），但是它不能直接观察材料本身，而是制成薄膜复型来观察，只用于观察细小颗粒的夹杂物，且制样复杂，对于钢铁行业适用性有限，虽然扫描电子显微镜的分辨率不及透射电镜，但是可以直接观察试样，得到立体感很强的图像，借助样品上激发出的X射线能谱，得出样品中各元素的相对量。能谱仪可以对微区成分进行定点、线、面分析。点分析是将电子束固定在试样感兴趣的点进行分析，点分析准确度高，是显微结构成分分析常用的方法，例如对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相等分析。线分析是电子束沿一条分析线进行扫描，和试样形貌对照，可以直观地获得元素在不同相或区域内的分布，沿感兴趣的线可以获得沿线的成分变化曲线，例如对镀层的分析。面分析是电子束在试样表面扫描，元素在试样表面的分布能在屏幕上以亮度分布显示出来，面分析常用于研究材料中的杂质、相的分布和元素的偏析。我们可以根据试样的特点和分析目的合理选择分析方法。

（2）扫描电子显微镜与能谱仪不同测试条件对定量分析的影响。扫描电子显微镜与X射线能谱仪在进行定量分析时构成了一个不可分割的整体，不同的测试条件会影响定量分析结果。以Cr23Ni18光谱标样为参照，分析了主要测试条件对定量结果的影响，主要测试条件包括：扫描电子显微镜的加速电压、束斑直径、工作距离、采集时间。①加速电压的影响。加速电压是进行定量分析的基础，特征X射线的产生和强度都与其相关。在进行定量分析时，要根据样品的性质选择加速电压的大小，加速电压越大，电子束能量越大，当样品导电性较好、不容易被电子束损伤时，一般选用较高的加速电压，但加速电压又不能过高，过高的加速电压会导致电子束对样品的穿透能力过大而降低分辨率。固定除加速电压以外的测试条件为：采集时间100s、电流500PA、工作距离15mm。扫描电子显微镜加速电压范围是1kV～30kV，在常用的电压范围内选择15kV、18kV、20kV、23kV、25kV进行定量分析，加速电压与定量分析结果并没有线性关系。计算这4种元素的相对误差，根据GB/T 17359—1998《电子探针和扫描电子显微镜X射线能谱定量分析通则》的要求，质量分数大于20%，允许的相对误差不大于5%，质量分数在3%～20%的元素，允许的相对误差不大于10%，质量分数在1%～3%的元素，允许的相对误差不大于30%，质量分数在0.5%～1%的元素，允许的相对误差不大于50%。由试验结果可知，不同加速电压下4种元素的相对误差均满足标准要求，综合比较，加速电压在20kV时结果比较接近真实值，此时相对误差最小。②工作距离的影响。在进行定量分析时，扫描电镜的工作距离一般选择厂家提供的最佳工作距离，但实际最佳工作距离与厂家提供的标准最佳工作距离存在差距，一般通过微调扫描电镜z轴数值，可调整样品台高度改变工作距离。固定其他测试条件：加速电压20kV、采谱时间100s、电流500PA、选择不同的工作距离为：10mm、12mm、15mm、18mm、20mm。工作距离的大小对定量结果影响较大，工作距离过大或过小都影响测量结果。根据GB/T 17359—1998《电子探针和扫描电子显微镜X射线能谱定量分析通则》的要求，不同工作距离下测得的结果均满足相对误差的要求，但相差较大。当工作距离为10mm、18mm、20mm时，测定不出锰元素。综合比较，工作距离在15mm时，测得的相对误差较小，测得的结果最接近真实值。③探针电流和束斑直径的影响。

探针电流直接影响到束斑直径、信号强度、分辨率和图像清晰程度。照射到样品上的电子束斑尺寸越小可以获得的分辨率越高，但电流和束斑又不能无限的小，电流过小会使信号强度变弱，图像分辨率下降，图像不清晰。电流也不能过大，对于一些导电性不好的样品，过大的电流会使样品产生的电荷不能及时扩散而形成电荷积累，产生放电现象。因此，要选择合适的电流大小和束斑直径尺寸。固定其他测试条件如下：加速电压20kV、采谱时间100s、工作距离15mm，选择不同的电流为300PA、500PA、800PA、1000PA、1200PA，对应的束斑直径为452µm、480µm、507µm、520µm、530µm，电流和束斑直径大小对低含量元素的结果影响较大，对高含量元素影响较小。根据GB/T 17359—1998《电子探针和扫描电子显微镜X射线能谱定量分析通则》的要求，当电流和束斑直径较小时（300PA），由于信号较弱，未能检测出含量较低的锰元素，电子束电流越大，检测结果越接近于真实值，但电子束电流过大时，图像不清晰、分辨率降低、能谱死时间延长、造成计数损失。因此，综合考虑，当满足标准要求时，电子束电流选择500PA比较合适。④采集时间的影响。采集时间是活时间和死时间的总和，通常以活时间为准。为了分析采集时间对定量结果的影响，固定其他测试条件：加速电压20kV、工作距离15mm，电流500PA。选择不同的采集时间为30s、50s、80s、100s、120s、150s。采集时间和定量分析结果没有明显的线性关系。4种元素的测量结果均满足GB/T 17359《电子探针和扫描电子显微镜X射线能谱定量分析通则》中对于相对误差的要求。采集时间较短时，低含量元素锰的测量结果相对误差较大。采谱时间为100s时，4种元素均可以检测出结果，并且测量值的相对误差较小。扫描电子显微镜的加速电压、束斑直径、工作距离、采集时间不同，所得到的元素的定量分析结果不同，通过对光谱标样Cr23Ni18的分析，最佳工作条件为：加速电压20kV、工作距离15mm、电流500PA、束斑直径480µm、采谱时间100s。在做分析时，应根据不同样品选择合适的工作条件，才能得到最佳的定量分析结果。

（3）钢铁产品质量和缺陷分析。钢铁产品生产过程中，由于炼钢及轧制过程中的一些原因，造成钢材会出现各种各样的缺陷，扫描电镜对钢材质量的提高和缺陷分析起着不可替代的作用，如连铸坯裂纹、气泡；中心缩孔；翘皮；异金属夹杂；白点；轴心晶间裂纹；钢坯过烧导致的晶界氧化；轧制过程造成的机械划伤、折叠、氧化皮压入；过酸洗导致的腐蚀坑；涂层剥落；晶界碳化物、中心疏松及其他缺陷。

（4）分析软件功能。扫描电镜自带的分析软件具有强大的测量分析功能，可以直接对样品测量或直接在图片上进行任何距离、面积的测定，例如可以测量夹杂物长度、宽度，晶粒的大小，相与相之间的距离等。

总之。随着扫描电镜分析功能的强大，增加了材料分析方法的多样性，而我们利用扫描电镜分析问题的最终目的是使研究结果更准确，这就要求使用人员在利用扫描电镜及能谱分析样品时，要充分考虑影响样品制备的一些影响因素，精细的制取样品，避免假象等不利因素影响技术人分析缺陷原因，充分发挥扫描电镜的最大使用潜能，未来，扫描电子显微镜等检测技术的结合将推动钢铁冶金的研究向更深、更广的方向发展。