1、材料表面分析技术材料表面分析技术外观检测外观检测成分及组织结构分析成分及组织结构分析物理及力学性能检测物理及力学性能检测耐蚀性检测耐蚀性检测耐磨性检测耐磨性检测一、外观检测（一、外观检测（visual examination）含义：肉眼、样板或放大镜含义：肉眼、样板或放大镜 涂层外观检测要求：涂层外观检测要求：涂层表面保持干净；涂层表面保持干净；检测要全面、细致；检测要全面、细致；依据相关标准（依据相关标准（QJ 990.2-1986）或技术要求。）或技术要求。不平整、不平整、针孔针孔、氧化、脱皮、氧化、脱皮、飞溅飞溅、表面裂纹、表面裂纹、剥落、剥落、麻点麻点、鼓泡鼓泡、缩孔缩孔、疏松疏松、斑
2、点、斑点、毛刺毛刺、擦擦伤伤等等 表面缺陷的种类及特点：表面缺陷的种类及特点：涂层表面缺陷（涂层表面缺陷（surface defects）检测）检测二、表面结构的表征二、表面结构的表征表面成分分析表面成分分析 X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能离子衍射普仪低能离子衍射普仪表面结构测定表面结构测定 X射线衍射、射线衍射、电子衍射、中子衍射等电子衍射、中子衍射等表面形貌观察表面形貌观察 光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等X射线衍射（射线衍射（XRD）n各相物质均具有其独具的各相物质均具有其独具的。n在给定波长的在
3、给定波长的X X射线照射下，每种晶体物质都形成自己特射线照射下，每种晶体物质都形成自己特定的定的。n对于复相物质，其衍射花样是各相物质衍射花样的对于复相物质，其衍射花样是各相物质衍射花样的。n将被测试样的衍射花样与一组将被测试样的衍射花样与一组的衍射花的衍射花样逐一对比，从而判断其相组成。样逐一对比，从而判断其相组成。X射线衍射分析的应用射线衍射分析的应用物相定性分析物相定量分析点阵常数测定应力测定晶体取向测定TiC涂层的XRD的谱线俄歇电子能谱分析（俄歇电子能谱分析（AES）俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES）是用具有一定能量是用具有一定能量的电子束的电子束(或或X射线射线)激发样品激发样品
4、俄歇效应俄歇效应，通，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。法。俄歇分析的选择俄歇分析的选择 对于对于Z14Z14的元素，采用的元素，采用KLLKLL俄歇电子分析；俄歇电子分析；14Z4214Z42Z42时，以采用时，以采用MNNMNN和和MNOMNO俄歇电子为佳。俄歇电子为佳。俄歇跃迁几率及荧光几率与原子序数的关系俄歇跃迁几率及荧光几率与原子序数的关系 Z15的轻元素的的轻元素的K系俄系俄歇电子以及所有元素的歇电子以及所有元素的L系和系和M系俄歇电子产额都系俄歇电子产额都很高。由此
5、可见，很高。由此可见，俄歇电俄歇电子能谱对轻元素的检测特子能谱对轻元素的检测特别敏感和有效。别敏感和有效。主要组成部分：主要组成部分：电子枪电子枪、能量分析器能量分析器、二次电二次电子探测器子探测器、（、（样品）分析室样品）分析室、溅射离子枪溅射离子枪和和信信号处理与记录系统号处理与记录系统等。等。俄歇谱仪示意图俄歇谱仪示意图直接谱与微分谱直接谱与微分谱 直接谱直接谱：俄歇电子强度：俄歇电子强度密度密度(电子数电子数)N(E)对其对其能量能量E的分布的分布N(E)E。微分谱微分谱：由直接谱微分：由直接谱微分而来，是而来，是dN(E)/dE对对E的分布的分布dN(E)/dEE。俄歇电子能谱示例俄
6、歇电子能谱示例(银原子的银原子的俄歇能谱俄歇能谱)AES定性分析定性分析 实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来识别元素的种类。识别元素的种类。AES定量分析定量分析 俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，据此可以进行元素的半定量分析。据此可以进行元素的半定量分析。成分深度分析成分深度分析 AES的深度分析
7、功能是的深度分析功能是AES最有用的分析功能最有用的分析功能,主要分析元素主要分析元素及含量随样品表面深度的变化。及含量随样品表面深度的变化。镀铜钢深度分析曲线镀铜钢深度分析曲线 微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个三个方面。方面。X射线光电子能谱射线光电子能谱(XPS)X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）：）：激发源为激发源为X射射线线，用，用X射线作用于样品表面，产生光电子。射线作用于样品表面，产生光电子。通过分析光电子的能量分布得到光电子能通过分析
8、光电子的能量分布得到光电子能谱。用于研究样品表面组成和结构。谱。用于研究样品表面组成和结构。XPS图谱图谱 如图以如图以Mg 为激发源得到为激发源得到 的的Ag片的片的XPS 谱图。图中有谱图。图中有 Ag3d3/2和和Ag 3d5/2光电子两光电子两 个强特征峰。个强特征峰。用于鉴别银。用于鉴别银。X射线光电子能谱仪射线光电子能谱仪 XPS仪由仪由X射线激发源、样品台、电子能量分析器、射线激发源、样品台、电子能量分析器、检测器系统、超高真空系统等部分组成。检测器系统、超高真空系统等部分组成。X射线光电子能谱仪射线光电子能谱仪 定性分析定性分析 不同元素的原子不同元素的原子，其，其电子结合能不
9、同电子结合能不同，电子结合能是，电子结合能是特征性特征性的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进行行定性分析定性分析。半定量分析半定量分析 经经X射线照射后，从样品表面某原子出射的射线照射后，从样品表面某原子出射的光电子的强度光电子的强度是是与样品中该与样品中该原子的浓度原子的浓度有线性关系，因此，可以利用它进行有线性关系，因此，可以利用它进行元素的元素的半定量分析半定量分析。X射线光电子能谱定性、定量分析射线光电子能谱定性、定量分析硅晶体表面薄膜的物相分析硅晶体表面薄膜的物相分析 对薄膜全扫描分析得下图，含有对薄膜全扫描分析得下
10、图，含有Zn和和S元素但元素但化学态未知。化学态未知。为得知为得知Zn和和S的存在形态，对的存在形态，对Zn的最强峰进行窄扫描，其峰位的最强峰进行窄扫描，其峰位1022eV比纯比纯Zn峰峰1021.4eV更高，说明更高，说明Zn内层电子的结合能内层电子的结合能增加了，即增加了，即Zn的价态变正，根据含有的价态变正，根据含有S元素并查文献中元素并查文献中Zn的的标准谱图，确定薄膜中标准谱图，确定薄膜中Zn是以是以ZnS的形式存在的。的形式存在的。l 宏观形貌：宏观形貌：体视显微镜、（数码）照相机体视显微镜、（数码）照相机手段：手段：光学显微镜、电子显微镜（光学显微镜、电子显微镜（SEMSEM、T
11、EMTEM）目的：目的：涂层微观涂层微观组织结构组织结构过程：过程：取样取样镶嵌镶嵌磨制磨制抛光抛光腐蚀腐蚀金相试样金相试样观察（观察（OMOM、SEMSEM或或TEMTEM）l 显微组织结构分析显微组织结构分析SEM SEMSEM成像原理：成像原理：利用扫描电子束从样品表面激发出各种利用扫描电子束从样品表面激发出各种物理信号物理信号来来调制成象调制成象的。的。物理信号：二次电子、背散射电子物理信号：二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征、俄歇电子、特征X射线等射线等 SEM的特点的特点 分辨本领高、放大倍率可连续变化、景深长、视野大、成像富分辨本领高、放大倍率可连续变化、景深长、视野大、成像富
12、有立体感、试样制备简单有立体感、试样制备简单扫描电镜的构造扫描电镜的构造电子光学系统电子光学系统信号的收集和图像显示系信号的收集和图像显示系统统真空系统真空系统SEM试样的制备一般固体材料的试样制备都比较简单对于导电材料，只有几何尺寸和重量的要求，具体大小因扫描电镜的型号不同而有所差异对于导电性差的材料或绝缘材料，通常要蒸镀一层薄的导电材料，如金、银、碳等SEM的应用二次电子形貌衬度应用断口形貌分析背散射电子原子序数衬度应用背散射电子的信号即可以用来进行成分分析，也可以用于形貌分析，但是他进行形貌分析的分辨率远比二次电子低利用原子序数造成的衬度变化对金属和合金进行定性的成分分析，试样中重元素对
13、应于图像上的亮区，轻元素对应暗区TEM TEM工作原理：工作原理：在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。成像原理：成像原理：成像原理与光学显微镜相同，透视通过透镜聚焦成像。但也有区别：照明光源不同；聚焦透镜不同；透射电镜可形成电子衍射图像；图像显示方式不同 TEM试样制备影响因素：真空的影响、电子损伤的影响、电子束透射能力的影响制备方法：直接透射法、复型法、切片法、离子刻蚀减薄法TEM的应用相分布表面形貌位错、层错、晶界、孪晶界等TiC颗粒TEM形貌透射电镜下观察到的双相钢中的位错线
14、三、物理及力学性能检测三、物理及力学性能检测1.1.厚度的测定厚度的测定l 局部厚度和平均厚度检测局部厚度和平均厚度检测l 非破坏性检测非破坏性检测（无损检测）：（无损检测）：厚度测试仪厚度测试仪l 破坏性检测方法：破坏性检测方法：金相显微镜金相显微镜l 厚度测试仪厚度测试仪过程：过程：制备涂层断面试样，用带有测微目镜的金相显制备涂层断面试样，用带有测微目镜的金相显微镜观察微镜观察特点：特点：准确度高，判别直观准确度高，判别直观l 金相显微镜法金相显微镜法2.2.硬度试验硬度试验l 关系到涂层的关系到涂层的耐磨性耐磨性、强度及寿命等、强度及寿命等l 宏观硬度宏观硬度与与显微硬度显微硬度 宏观硬
15、度（平均硬度）：布氏、洛氏和维氏硬度宏观硬度（平均硬度）：布氏、洛氏和维氏硬度计，以涂层整体大范围压痕为测定对象计，以涂层整体大范围压痕为测定对象 显微硬度（相或颗粒的硬度）：显微硬度计，以涂显微硬度（相或颗粒的硬度）：显微硬度计，以涂层中相或微粒为测定对象层中相或微粒为测定对象 Ni60熔覆层硬度随熔覆温度的变化曲线熔覆层硬度随熔覆温度的变化曲线 3.3.结合强度（附着力）试验结合强度（附着力）试验l 定义：定义：单位表面积的涂层从基体或中间涂层上剥落单位表面积的涂层从基体或中间涂层上剥落下来所需要的力。下来所需要的力。结合力不符合要求，涂层的使用寿命会降低结合力不符合要求，涂层的使用寿命会
16、降低l 测量方法：测量方法：定性检测定性检测，栅格试验、弯曲试验、冲击试验、，栅格试验、弯曲试验、冲击试验、杯突试验杯突试验 定量检测定量检测，抗拉强度试验、剪切强度试验，抗拉强度试验、剪切强度试验l 栅格试验栅格试验原理：用硬质钢针或刀片将涂层切断至基体，使之形成原理：用硬质钢针或刀片将涂层切断至基体，使之形成一定尺寸的方形格子，涂层不应产生剥离一定尺寸的方形格子，涂层不应产生剥离l 弯曲试验弯曲试验原理：矩形试样，在万能实验机上三点或四点弯曲使其原理：矩形试样，在万能实验机上三点或四点弯曲使其形成一定挠度（形成一定挠度（0.1%0.1%）l 冲击试验冲击试验过程：过程：用用锤击锤击或或落球
17、落球对试样表面的涂层反复冲击，涂层对试样表面的涂层反复冲击，涂层在冲击力作用下局部变形、振动、疲劳以至最终剥落在冲击力作用下局部变形、振动、疲劳以至最终剥落评价：评价：以以锤击（或落球）次数锤击（或落球）次数评价涂层与基体结合强度评价涂层与基体结合强度锤击试验：锤击试验：专用振动器，扁平冲击锤专用振动器，扁平冲击锤落球试验：落球试验：5-50mm5-50mm钢球，一定高度、倾斜角钢球，一定高度、倾斜角l 抗拉结合强度试验抗拉结合强度试验定义：定义：涂层与基体结合面承受法涂层与基体结合面承受法线方向拉伸应力的极限能力线方向拉伸应力的极限能力国标：国标：GB/T 8642-2002 GB/T 86
18、42-2002 热喷涂抗拉结热喷涂抗拉结合强度测定合强度测定l 涂层剪切强度试验涂层剪切强度试验定义：定义：涂层与基体结合面承受切线方向剪切应力的极限涂层与基体结合面承受切线方向剪切应力的极限能力能力国标：国标：GB/T 1 3 2 2 2 一一91金属热喷涂剪切强度测试金属热喷涂剪切强度测试四、耐蚀性检测四、耐蚀性检测l目的：目的：检查涂层抵抗环境腐蚀的能力，考察其防护基检查涂层抵抗环境腐蚀的能力，考察其防护基体的寿命。体的寿命。大气暴露（即户内外曝晒）试验大气暴露（即户内外曝晒）试验 目的：目的：评定涂层在大气环境下的耐蚀性评定涂层在大气环境下的耐蚀性使用环境试验使用环境试验 目的：目的：
19、评定涂层在使用环境中的耐蚀性评定涂层在使用环境中的耐蚀性人工模拟和加速腐蚀试验人工模拟和加速腐蚀试验 目的：目的：评定涂层耐蚀的性能评定涂层耐蚀的性能1.1.耐腐蚀性能的评定方法耐腐蚀性能的评定方法重量法（重量法（增重法和失重法增重法和失重法）以试样腐蚀前后的重量差来表征腐蚀速度以试样腐蚀前后的重量差来表征腐蚀速度 表面观察法（宏观观测和显微观测）表面观察法（宏观观测和显微观测）宏观观测：就是对材料在腐蚀前后及去除腐蚀产物前后的宏观观测：就是对材料在腐蚀前后及去除腐蚀产物前后的形态做肉眼分析形态做肉眼分析 显微观测：就是对受腐蚀的试样进行金相检查或断口分析，显微观测：就是对受腐蚀的试样进行金相
20、检查或断口分析，或者用扫描电镜、透射电镜、电子探针等做微观组织结构和相或者用扫描电镜、透射电镜、电子探针等做微观组织结构和相成分的分析成分的分析 电化学测试法。电化学测试法。通过通过SEM背散射模式观察腐蚀试样背散射模式观察腐蚀试样氧化膜界面的形貌氧化膜界面的形貌 A890双相不锈钢的极双相不锈钢的极化曲线化曲线天然环境暴露试验天然环境暴露试验 人工加速模拟盐雾环境试验人工加速模拟盐雾环境试验 中性盐雾（中性盐雾（NSS）试验：）试验：83000h，PH6.57.5，5%NaCl 水溶液，水溶液，35.01.1或或35.01.7 醋酸盐雾（醋酸盐雾（AASS）试验：）试验：140240h，5%
21、NaCl，乙酸乙酸调整调整PH3.13.3，温度同上，温度同上 铜盐加速醋酸盐雾（铜盐加速醋酸盐雾（CASS）试验：）试验：6720h，3.8L 5%NaCl水溶液加水溶液加CuCl2H2O，PH6.57.5，49.01.1或或49.01.7 交变盐雾试验交变盐雾试验：实际上是中性盐雾试验加恒定湿热试验实际上是中性盐雾试验加恒定湿热试验。2.2.盐雾试验盐雾试验l目的：目的：用于考核产品、材料及其防护层抗盐雾腐蚀能力用于考核产品、材料及其防护层抗盐雾腐蚀能力 l 腐蚀膏：腐蚀膏：高岭土中加入高岭土中加入铜、铁等腐蚀盐类铜、铁等腐蚀盐类 三价铁使涂层引起应力腐蚀三价铁使涂层引起应力腐蚀 铜盐使涂
22、层产生点蚀、裂纹和剥落、碎裂等铜盐使涂层产生点蚀、裂纹和剥落、碎裂等 氯化物的存在使涂层腐蚀加速氯化物的存在使涂层腐蚀加速 3.3.腐蚀膏腐蚀试验（腐蚀膏腐蚀试验（CORRCORR）l 国标：国标：GB/T 6465-2008GB/T 6465-2008l 过程：过程：涂覆涂覆自然干燥自然干燥潮湿箱潮湿箱清洗清洗评定评定l 特点：特点：测试简便、试验周期短、重现性好测试简便、试验周期短、重现性好4.SO2工业气体腐蚀试验工业气体腐蚀试验l 以一定浓度的以一定浓度的SOSO2 2气体气体，在一定温度和一定相对湿度，在一定温度和一定相对湿度下对涂层做腐蚀试验下对涂层做腐蚀试验5.5.电化学测试电化
23、学测试M398M398电化学综合测试系统电化学综合测试系统组成：组成：M283M283恒电位恒电位/恒电流仪、恒电流仪、M1025M1025频率相应仪、频率相应仪、腐蚀电池、计算机和打印系统腐蚀电池、计算机和打印系统电化学极化研究电化学极化研究电化学阻抗研究电化学阻抗研究五、耐磨性检测五、耐磨性检测1.1.磨料磨损试验：磨料磨损试验：l 橡胶轮磨料磨损试验橡胶轮磨料磨损试验序号序号试验条件试验条件材料或参数材料或参数1 1橡胶轮材料橡胶轮材料氯丁橡胶氯丁橡胶2 2磨料磨料50-7050-70目石英砂目石英砂3 3轮缘速度轮缘速度140m/min140m/min4 4摩擦行程摩擦行程100010
24、00转，转，550-660m550-660m5 5载荷压力载荷压力130N130N6 6试样尺寸试样尺寸5050757510mm10mm3 3l 销盘式磨料磨损试验销盘式磨料磨损试验 砂纸或砂布装在圆盘上，作砂纸或砂布装在圆盘上，作为试验机的磨料为试验机的磨料 试样为销钉式，压在砂纸上试样为销钉式，压在砂纸上 用试样失重评价涂层的耐磨用试样失重评价涂层的耐磨性性2.2.摩擦磨损试验摩擦磨损试验l 试验原理试验原理 环形或块状试样与配副环形或块状试样与配副件组成摩擦副件组成摩擦副 环对环、块对环环对环、块对环 可干摩擦，也可用润滑可干摩擦，也可用润滑 摩擦速度可自由选取摩擦速度可自由选取评价：评价：试样失重、磨损形貌、磨屑分析试样失重、磨损形貌、磨屑分析MMU-5G屏显式高温端面摩擦磨损试验机屏显式高温端面摩擦磨损试验机 耐磨试验示意图耐磨试验示意图3.3.冲蚀磨损试验冲蚀磨损试验l 试验原理试验原理 试样放入橡胶板上并固试样放入橡胶板上并固定在电磁盘上定在电磁盘上 射吸式喷砂枪，喷砂角射吸式喷砂枪，喷砂角及距离固定及距离固定 刚玉砂，喷砂速度恒定刚玉砂，喷砂速度恒定时间时间1min1min 用试样失重评价涂层的用试样失重评价涂层的耐磨性耐磨性
