利用FP法对合金的定量分析(简便分析&手动分析)

简介

       合金中所添加元素的种类及浓度是决定材料特性的要素，尽管外观可能相同，但其种类或特性却有差异，合金分析在制造过程及质量管理中起着重要作用。

       X射线荧光光谱仪能提供快速、无损的元素分析，是合金分析的有效方法之一。下面显示两种分析结果：简便分析只需一触按钮就可获得，手动分析是在传统的人工设置条件下进行的。

各种标准样品的测试实例

铝合金(A5083)

不锈钢(SU S316)

铜合金(CDA642)

钛合金(TI16-2-4-2)

简介

       岩石、土壤、玻璃、陶瓷、焚烧灰等的主要组成成分是元素的氧化物。

       进行这些元素分析，对学术研究、材料的功能性和实用性评估非常重要。

       X射线荧光光谱仪能提供快速、无损的元素分析。下面显示两种分析结果:简便分析只需一触按钮就可获得，手动分析是在传统的人工设置条件下进行的。通过简便分析能快速地知道各元素的浓度量级，利用手动分析可以使分析精度更高。

       各种标准样品的测试实例

       钠玻璃(NIST1831)

       火山灰（安山岩）

       火成岩（橄榄石）

简介

       有机材料如塑料等是由碳、氢、氧或氮等组成的，根据不同的特性要求还添加无机元素。

       X射线荧光分析仪能够对有机材料中的无机元素简便地进行定性和定量分析。应用于有机物时，不能直接检测的碳和氢等作为平衡成分计算。下面显示的简便分析只需轻触一下按钮就能自动设定平衡成分并获得分析结果，手动分析是在传统的人工设置条件下进行的。

各种标准样品的测试实例

PE

ABS

PS

简介

       分析产品中混入的或附着的异物是判明混入途径及故障原因的重要信息来源。X射线荧光分析仪(ED -XRF)对任何状态的样品不管是固体、液体或是粉末，都能提供快速、无损的元素分析，因而可以作为预筛选仪器使用。

ED-XRF

       根据ED-XRF元素分析的结果，能够确认存在Sn和Cu。但不存在和FP法简便定量分析结果一致的基底材料。为了具体分析该异物，下面利用SEM-EDS进行了EDS元素面分布。

SEM-EDS

       从SEM-EDS的背散射电子像中能够确认存在两种不同的颗粒。根据每种颗粒的EDS面分布图，判明小颗粒是Cu，大颗粒是Sn。

       ED-XRF能简便、快速地提供有关所含元素的信息，对判断异物很有帮助。对类似这样混合了两种以上元素的合金，利用SEM-EDS元素面分布便是异物分析的有效分析方法。多利用X射线萤光分析能够获得有关异物的元素种类、附着状态等信息，对判明异物附着的原因很有帮助。

简介

       利用薄膜FP法测试膜厚为了提高产品部件的耐腐蚀性、装饰性和功能性，电镀等表面处理技术被广泛地应用于各个行业。由于镀膜的厚度与产品的特性、质量及生产成本有关，因此管理非常重要，对镀层厚度有着多种测试、分析和评定方法。X射线荧光光谱仪可以进行无损、无标样分析，Z多能够测试5层镀膜。

各种标准样品的测试实例

1.金镀层

样品

测试条件

管电压：50 kV

准直器直径：0.9 mm Φ

气氛：大气

测试时间：60秒

谱图

分析结果

 2.镍镀层

样品

测试条件

管电压：50 kV

准直器直径：0.9 mm Φ

气氛：大气

测试时间：60秒

谱图

分析结果

3、锌镀层

样品

测试条件

管电压：50 kV

准直器直径：0.9 mm Φ

气氛：大气

测试时间：60秒

谱图

分析结果

4、银镀层

样品

测试条件

管电压：50 kV

准直器直径：0.9 mm Φ

气氛：大气

测试时间：60秒

谱图

分析结果

使用仪器：JSX-1000S 能量色散型X射线荧光分析仪

材料的分类 

材料可按多种方法进行分类。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

失效分析的意义

失效分析一般是指失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。

各种材料的失效分析案例集

*PART 1*

金属材料失效分析

钕铁硼永磁材料

烧结钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能，广泛应用于电子、电力机械、医疗器械、玩具、包装、五金机械、航天航空等领域，较常见的有永磁电机、扬声器、磁选机、计算机磁盘驱动器、磁共振成像设备仪表等。

钕铁硼烧结缺陷

MLCC 镍电极

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多层陶瓷电容器的英文缩写。是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极）。金属极片内部存在结构缺陷，将有可能导致整个电容器的失效。

镍电极烧结缺陷（镍电极外包了一层氧化镍）

*PART 2*

高分子材料失效分析案例

隐形眼镜

彩色隐形眼镜是一种为了改变佩戴者虹膜颜色而在光学区外围虹膜区增强着色的软性美容接触镜。彩色隐形眼镜成型工艺比普通隐形眼镜复杂，隐形眼镜的彩色移印技术使得美瞳有了更多的色彩，但是转印失效将会影响隐形眼镜的正常使用。

彩色转印失效

*PART 3*

无机非金属材料失效分析案例

陶瓷材料

陶瓷具有优异的绝缘、耐腐蚀、耐高温、硬度高、密度低、耐辐射等诸多优点，已在各领域得到广泛应用。随着高新技术工业的兴起，各种新型特种陶瓷也获得较大发展，陶瓷已日趋成为卓 越的结构材料和功能材料。陶瓷的加工工艺也会影响陶瓷的性能，加工过程中出现问题也会造成陶瓷材料的失效。

陶瓷材料后加工造成裂纹产生

*PART 4*

复合材料失效分析案例

 锂电池负极材料石墨粉体包覆硅酮玻璃胶 

粉体包覆是对粉体材料进行性能改性的重要方式，包覆是否均匀，是否包覆成功等都决定了粉体的性能。对锂电池负极材料石墨粉体包覆硅酮玻璃胶进行性能改性，需要关注包覆是否均匀以及是否存在空包的情况，以进行工艺的改进。

石墨粉体空包和正常包覆对比

*PART 5*

其他失效分析案例

镀镍层失效分析

电镀镍是通过电解在金属或某些非金属表面镀上一层镍。电镀镍时由于镍能迅速生成表面钝化膜，从而抵抗大气等某些酸性气体的腐蚀。电镀镍结晶细小，具有优良抛光性能，镀镍层经过抛光后外表光泽，因此，电镀镍抛光经常被用于装饰加工。镀镍层硬度较高，可提高耐磨性。镀镍层浮起、不均匀以及结晶异常等，都会导致镀层失效。

镀层正常结晶和异常结晶对比

以上案例均使用 Technoorg Linda 离子研磨仪进行制样处理，使用 Phenom 飞纳台式扫描电镜进行拍摄。

线上研讨会直播预告

更多案例分享，敬请关注 2022 年 12 月 13 日“材料失效分析线上研讨会”，资 深扫描电镜 & 离子研磨制样专家朱俊文，将为大家分享经典失效分析实际案例：

• 金属材料失效分析

• 高分子材料失效分析

• 无机非金属材料失效分析

• 复合材料失效分析

• 涂层 / 镀层失效分析

• PCB / PCBA 失效分析

• 电子元器件失效分析

  测量合金晶粒度为何如此重要？

在许多行业，金属合金是构成各种产品的重要材料。当前使用的标准合金多达数千种，而为了满足新的需求，每天都在不断开发性能更出众的新型合金。例如，汽车、卡车、飞机和火车在制造过程中会使用多种钢合金和铝合金。

长期以来，大家都知道随着晶粒度的增大，合金的 :

• 抗张强度 (Rm) 和屈服强度 (Re) 将减小; 

• 断裂延伸率 (A%) 将增大;

韧脆转变温度将增大。

应变 (ε) [%]

此处列举典型钢合金的应力-应变曲线。钢平均晶粒度从曲线 1 增加到 3 (如箭头指示)。随着晶粒度变大，屈服强度 (Re) 和抗张强度 (Rm) 减小，断口延伸率 (A%) 增大。

来源：来自罗马diyi大学的 M. Cavallini 以及来自卡西诺和南拉齐奥大学的 V. Di Cocco 和F.Iacoviello [1]。 

徕卡显微系统的

LAS X Grain Expert（晶粒度专家） 软件

徕卡显微镜使用 LAS X Grain Expert 软件提供实用、准确且可再现的晶粒度和微观结构分析解决方案。晶粒度使用自动应用的传统方法或高级数字方法进行分析。分析方法符合各种国际及国家标准。

LAS X Grain Expert 的优势：工作流程简明，报告可定制

Leica Grain Expert 提供全面的材料研究和冶金学晶粒度分析技术。用户可以确信分析过程符合不同的实验室要求。Leica Grain Expert 涵盖面向金相学晶粒尺寸分析的多个标准，如ASTM E112、 DIN/EN/ISO 643、GOST 5639和JIS G0551。

其采用先进的图像处理技术，可自动增强和准确检测晶界。操作员始终可修改和确认发现的结果。分析结果可用于验证材料是否符合买家与制造商确定的技术规范，识别制造过程中的变动，并提供材料结构和属性的研究数据。

Grain Expert 软件简单易学。LAS X Grain Expert可帮助用户选择最合适的高效晶界检测算法。只需选择与样品最相似的示例图像，便可应用正确的分析算法。

在晶界检测之前，可使用附带的图像分析模块进行二进制或图像处理。这些技术常用于晶界模糊的情形，以便更好地呈现晶界并应用算法。即使腐蚀效果不佳，也不会降低分析质量。针对质量控制和研发目的，还可定制基于 Excel 的报告模板。

使用 Leica Grain Expert 软件

实现详尽的晶粒度分析

LAS X Grain Expert 软件能够用 G (晶粒度号) 表示平均晶粒度，并计算:  

• 晶粒度号分布、平均值、标准偏差和 其他统计值;

• 平均晶粒面积; 

• 最大和最小晶粒度; 

• 置信水平 (p 值); 

• 结果的相对准确度。 

关于使用 Leica LAS X Grain Expert 软件进行晶粒度分析的示例请参见右侧的表格以及下面的图表。

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LAS X Industry软件

2022 年 12 月 13 日，由复纳科学仪器（上海）有限公司主办的【材料失效分析线上研讨会】如期举行。由资 深的电镜专家&离子研磨应用专家朱俊文为大家分享了各类材料的失效案例：

• 金属材料失效分析

• 高分子材料失效分析

• 无机非金属材料失效分析

• 复合材料失效分析

• 涂层 / 镀层失效分析

• PCB / PCBA 失效分析

• 电子元器件失效分析

此次线上研讨会，吸引了各个材料相关领域研究人员的参加，为大家提供了一个材料失效分析的交流平台。同时大家也提出了一些问题进行探讨和交流，小编对于大家的疑问也进行了汇总，并邀请应用专家进行了答疑。   

Q1

对于高分子膜片，如 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），如果希望研究其截面的微小缺陷（微米级），有什么好的办法能够保持其断面的完整性，避免样品处理对其实际结构的影响？

A1

PET 基本上是不太好处理，我们以前做过的 PET 大部分是有一些层与层之间要叠加在一起。想要解决这个问题最重要的就是样品处理的方法，一般会比较建议用离子研磨仪来做样品处理，这样才有办法对于 PET 等高分子的多层复合材料去把它的截面及之间掺杂的状况看得清楚，同时也需要搭配一个性能比较优异的扫描电镜，这样才可以看得到类似的高分子的结构。

Q2

离子研磨仪是什么？

A2

离子研磨仪属于一款制样设备，可以想象成简易版的 FIB，利用离子枪给做样品表面的清洁或者切割，这样可以使得样品的横截面裸露出来，重 点不会有任何热、应力以及破环问题。切割尺寸接近于原子状态，所以研磨出来的效果可以控制在纳米的程度。

Q3

离子研磨表面怎么处理？

A3

离子研磨就是用离子束以很低的角度去轰击样品表面，类似我们在做木工时候，用刨刀去切割，使木材的木纹显露出来，而如果我们用锯子去锯木头的时候，就看不到更加细节的截面。离子束跟一般我们做传统的晶相研磨还是有很大的差异，离子研磨性价比高，但需要很专业的处理经验。

Q4

目前离子研磨的宽度范围有大于 1cm 吗？最 大样品尺寸有多少？

A4

目前离子研磨能够处理的样品宽度可以做到厘米等级，最 大的样品尺寸可以做到 5cm，样品宽度可以做到 1.5cm。如果是对样品进行切割，可以做到接近于厘米的等级，大概可以做到几个毫米的宽度。

Q5

离子研磨 (CP) 与聚焦离子束 (FIB) 分别重 点应用于哪些类材料的处理？

A5

总体而言，各有利弊。聚焦离子束有很多种类，一般而言 FIB 主要做精确的定位切割，对于技术要求很高，而且产品的价位也很高，目前大概都百万美金左右。而离子研磨就便宜很多，处理面积也比较大，唯 一的缺点就是无法做到纳米等级。如果定位要做到微米等级，那么一般还是建议使用离子研磨。离子研磨处理样品会比较快，可以制作截面、或表面抛光，应用的范围比较广泛，操作也比较简单，很容易做失效分析。而如果是 FIB 的话，在设备投资和人员培训上要求都很高。

Q6

为什么有时候在离子束（FIB）成像下能看到的细节，譬如脏污，在电子束（SEM）成像却看不到？

A6

离子束的成像跟电子束的成像完全不一样。因为一个是电子源一个是离子源，捕捉的信号也稍微不太一样。基本上离子束的颗粒是比较大的，通常解析度会比较差，结晶相的选择性也是非常非常高的。电子束成像的时候，解析度会很高，但是对于 ECCI 像会比较差。

Q7

有铝铜复合片，复合面铝铜电腐蚀类的 SEM 效果吗？

A7

我们之前做过异金属结合的，通常我们会去把它切开，直接看结合面的情况，通常都会出现扩散，比如铜会扩散到铝层，铝会扩散到铜层。那一般我们会看这个键合线，通常这个键合线的界面不是很清楚。

Q8

铝球周围一圈氧化物分布，Mapping 通常是一个小范围，怎样看一圈呢？

A8

想要看到一个圈，那么我们必须把样品切开。现在很多粉体的研究，喜欢做表面的改性研究。为了进一步研究改性的状态，此时我们需要用离子研磨去把它直接切开，去做横截面的观察，这样就可以很清楚的看到粉体表面所做的钝化层、氧化成或者一些其他的金属层的详细情况。

Q9

通过 SEM 观察薄膜的截面，对硅片样品要如何预处理？

A9

一般情况，这些硅片都会有些填料，想要破片没有那么容易，所以大部分也要利用离子研磨做直接的切割，这样最快而且效果也最 好。

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