第十章表面分析和测试

1、表面分析和测试表面分析的一般概念 通常所说的表面分析是属于表面物理和表面化学的范畴，是对材料表面所进行的原子数量级的信息探测。表面分析技术是研究：材料表面的形貌、化学组成、原子结构、原子态、电子态等信息的一种实验技术。表面（层）检测大致包括以下内容： （1）外观检测（2）镀、涂层或表面处理层厚度的测定（3）镀、涂层或表面处理层结合强度的测定（4）镀、涂层或表面处理层的使用性能和工艺性能的测定（5）表面成分和结构的测定表面分析一、表面形貌和显微组织结构分析二、表面成分分析三、表面原子排列结构分析四、表面原子动态和受激态分析 五、表面的电子结构分析主要应用表面形貌的分析：形貌指表面的“宏观外形”。

2、这主要利用电子显微镜和离子显微镜来进行；当然也可利用一般的金相显微镜来进行，但仅能得到比较宏观的晶粒尺度的形貌。这些分析方法在金相中已经学过。表面的组分：分析包括测定表面的元素组成、表面元素的化学态及元素在表层的分布。表面结构分析分析表面原子的排列特点。包括自身及吸附粒子的二维超点阵类型。表面相分析即对表面组成物质进行分析。这方面主要应用X射线衍射和透射电镜的电子束衍射。 此外，有关表面原子态和电子态分析，在理论基础研究中有时需要采用，但工程中一般不进行这些分析。这些分析主要用于功能材料，特别是电子材料。表面分析方法概述 表面分析还可按用途分类，如组分分析、结构分析、原子态分析和电子态分析。表

3、面分析方法可按探测粒子或发射粒子来分类。如探测粒子和发射粒子之一是电子，则称电子谱；探测粒子和发射粒子都是光子，则称光谱；探测粒子和发射粒子都是离子，则称离子谱；探测粒子是光子，发射粒子是电子，则称光电子谱。这是一种习惯分类方法，不能用于所有表面分析法的分类。 组分分析是经常进行的工作。选用分析方法时应考虑以下因素：能否测氢元素、检测灵敏度对不同元素差别如何、最小可检测的灵敏度、是否能作定量分析、能否判定元素的化学态、谱峰分辨率如何，是否易于辨识、表面探测深度、能否作微区分析、探测时对表面的破坏性等等。 表面结构分析到目前，X射线仍是研究晶体内部结构最常用最有效的方法。实际上当研究的表面是“表

4、面层”的时候，用X射线是非常有效的。但是X射线并不适合表面上原子层的二维结构研究。表面结构的分析方法，目前主要采用低能电子衍射（LEED）和反射型高能电子衍射（RHEED）。表面力学性能测试1. 表面硬度的测试一般采用显微维氏硬度，但载荷的大小应根据表面膜层的厚度和硬度不同来选择，通常，可按下式来选择载荷：m为载荷重量,g；HV为估计硬度；为膜层厚度。显然，如果所计算的载荷小于硬度计的载荷，测示值将是无效的。 除此以外，努氏硬度和维氏硬也可用于膜层硬度的测试。结合强度的测试表面工程中有相当多的技术是覆膜或覆层技术，对于这些工程，人们最关心的是膜层的结合强度如何，因为没有足够的结合强度，就谈不上

5、工程应用。 关于膜层的结合强度的测试，比较定量的方法是：压痕法、拉张法和剥离法。压痕法拉张法拉张法定量测试法在生产中是不常用的，用得更多的是定性测试方法，这些方法种类很多，诸如： 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，因镀层和基体的弹性模量不一样，层间产生分力，考察其剥离情况，可判定结合强度的高低。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，当锉磨力一定时，结合强度好的不脱落，结合强度差的即脱落，很差的可在更小的挫磨力下即脱落。冲击试验法例如槌击表面，镀层和基体受冲击力会有不同程度变形；随结合强度的不同，承受撞击而剥落的能力

6、也不一样。热冲击试验法 加热后骤冷，基体和膜层会有不同的胀缩，结合强度差的会在较少的热冲击次数剥落。对于有机涂料膜层多采用划痕法。 膜层残余应力的测量膜层残余应力的测量主要有悬臂法、衍射法、光干涉法、几何光学和电阻应变片等方法。耐磨性能试验 在许多情况下表面硬度可以反映耐磨性的大小，但是硬度和耐磨性的关系也并不是固定的，表面的耐磨性的准确度量还是要在服役条件下，进行磨损试验而求得，磨擦环境不同，材料配副不同，所受载荷不同，所求磨损量也不同，因此，试验法也是多种多样的。 MM2型磨损试验机 耐磨性能的评定方法主要是采用对比法。如果在相同的摩擦条件下，磨损量愈大，耐磨性愈差。因此，评定的关键是如何准确地测出磨损量的大小。常用方法是：秤重法、磨痕法等，其中多用称重法。膜层脆性测试法膜层的脆性也是重要的一个表面性能指标，