Файл: Утевский, Л. М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении.pdf

3. Необходимо принять все меры для предотвраще­ ния перераспределения дислокаций в утоняемой фольге.

В каждом конкретном случае, вероятно, можно раз­ работать приемы, хотя бы сводящие к минимуму эффек­ ты перераспределения дислокаций. Так, иногда удается во время электрополировки создать окисный слой, кото­ рый закрепляет на поверхности фольги концы дислока­ ций, препятствуя их перераспределению [28]. Однако общее и безусловное требование к образцам, просматри­ ваемым в электронном микроскопе, — отсутствие слу­ чайных повреждений при вырезке заготовок и манипу­ ляциях с готовыми фольгами, способных исказить исход­ ное распределение дефектов, и ложных эффектов, возни­ кающих при электрополировке. Поэтому приготовление образцов, не будучи самым сложным, является тем не менее весьма ответственным этапом электронномикроскопического исследования.

Для приготовления тонких фольг используют методы механического утонения (расщепления или среза), ион­ ного травления, химической и электролитической поли­ ровки, применяя которые многие исследователи на луч­ ших образцах получают участки площадью ~ 103 мкм2, прозрачные для электронов с энергией выше 80 кэв.

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ

Многократное расщепление по плоскости спайности позволяет получить весьма однородные по толщине об­ разцы слоистых минералов — слюды, сульфида молиб­ дена и др. Заготовки помещают между двумя полосками клейкой пластмассы (например, изоляционной ленты). После разделения полосок на их клейкой поверхности остаются кусочки расщепляемого образца, которые от­ деляют от клея в растворителе. При таком способе при­ готовления неизбежна пластическая деформация образ­ цов, поэтому расщепление можно использовать только для получения менее массивных заготовок для их после­ дующего утонения. Например, при отделении реплик с извлечением от поверхности шлифов серого чугуна мо­ жет произойти расщепление по плоскости спайности пло­ ских выделений графита и некоторые из включений мо­ гут оказаться прозрачными для электронов, что позво­ ляет изучать их структуру [30].

50

Одним из универсальных способов приготовления крайне тонких срезов любых материалов является уль-

ния этого способа — приготовление образцов для изуче­

тодное распыление) широко используется для обработ­ ки поверхности, например для выявления структуры или удаления поверхностного слоя при подготовке образца. Этот метод может быть применен и для утонения заго­ товок до необходимой в электронной микроскопии тол­

Скорость ионного травления прямо пропорциональна соотношению масс ионов рабочего газа и травящегося образца, а также ускоряющему напряжению и обратно пропорциональна углу падения ионов на поверхность образца и температуре последнего (с учетом эффектов

51

испарения самого образца). Однако если во время трав­ ления химически активных веществ (например, алюми­ ния и цинка) из-за плохого вакуума образуются окисные пленки, то скорость травления, и без того не высо­ кая, резко снижается [38]. Практически скорость травления равна примерно 0,1 мкм/мин [37].

Ионным травлением можно очищать поверхность го­ товых образцов, загрязненную продуктами электролити­ ческой полировки или сажистым осадком на облученных электронами участках [39]. Некоторые микроскопы (на­ пример, JEM-150) снабжены приспособлениями, позво­ ляющими очищать образец пучком ионов непосредствен­ но в колонне. Для этого требуются небольшие ионные

скорость процесса становится преимуществом, когда ион­ ное травление используют как заключительный этап приготовления образцов, особенно из химически актив­ ных материалов или образцов с крупными включениями, около которых повышена травимость матрицы. Важно, что во время приготовления образцов ионным травлени­ ем внутренние полости не меняют форму, поэтому толь­ ко этот метод позволяет получать образцы для изучения распределения пор или микротрещин. Грубые включения карбидов, окислов и других неметаллических включе­ ний, которые обычно вытравливаются при электролити­ ческой или химической полировке, полностью сохраня­ ются в фольге, изготовленной ионным травлением.

Метод ионного травления не свободен от недостат­ ков, и из них главный — повышение температуры в про­ цессе утонения. Исследователи отмечают трудности в на­ ладке установок для ионного травления.

3. ХИМИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ПОЛИРОВКА (ЭЛЕКТРОПОЛИРОВКА)

Эти методы утонения металлических образцов наи­ более распространены и универсальны. В процессе по­ лировки сглаживаются грубые неровности поверхности и мелкие (до 0,01 мкм) шероховатости на ней. При по­ лировке, как и при ионном травлении, удаляется поверх­ ностный слой, поврежденный механически (шлифовкой, резкой и т.д.). Хотя химическая и электролитическая по-

52

лировки известны сравнительно давно и оба процесса довольно широко используются в промышленности вме­ сто механической полировки, до сих пор не создана тео­ рия, которая позволила бы обоснованно выбирать соста­ вы реактивов и режим полировки. Считают только, что

Реактивы, используемые для химической полировки, как правило, являются смесью сильных кислот: плавико­ вой, азотной, соляной и ортофосфорной. Очень часто блестящая поверхность образуется на образце только после подогрева реактива до 70—100° С. Качество поли­ ровки очень чувствительно к чистоте реактивов [40]. Химическая полировка обычно не требует никакого спе­ циального оборудования, но тогда контроль за ходом утонения образца и температурой ванны в процессе ее выполнения затруднителен. Иногда во время полировки появляются пузырьки газа. Их необходимо удалять энергичным перемешиванием реактива, которое способ­ ствует, кроме того, отводу тепла от образца и улучшает глянцевание.

Струевая химическая полировка позволяет контроли­ ровать температуру реактива и образца, а также ско­ рость утонения. Аппаратура для термостатирования струи, циркуляции реактива, регистрации окончания утонения, подробно разработанная для электролитичес­ кой струевой полировки, может быть без каких-либо из­ менений использована и для химической струевой поли­ ровки и ниже подробно описана.

Чаще всего химическую полировку применяют для предварительного утонения заготовок. В настоящее вре­ мя известны реактивы для химической полировки мно­ гих металлов и сплавов, в том числе сталей [6, 9] .

Электрополировка — это процесс анодного растворе­ ния металлов, сопровождающийся выравниванием их по­ верхности. Реактивы, используемые для электрополиров­ ки, могут быть сравнительно слабо реакционно способ­ ны. Во всяком случае лучше, если реактив не взаимодей­ ствует с образцом в отсутствие электрического поля. Ре­ жим электрополировки, электролит, а также анодные и катодные процессы достаточно полно характеризуются вольтамперной кривой в координатах плотность тока—

53

полировки»; de — электролитиче­

ровки

напряжение на клеммах электролитической ячейки (рис. 13). Особенность кривых такого рода — появление пре­ дельного тока в некотором интервале напряжений. По­ следовательность процессов при электролитической по­ лировке на разных участках вольтамперной кривой из­

с дальнейшим возрастанием плотности тока становится все более интенсивной. Оптимальный режим электропо­ лировки — горизонтальный участок кривой be, так назы­ ваемое «плато».

Скорость растворения анода на плато (если подавле­ но выделение пузырьков газа) подчиняется закону Фарадея и, следовательно, зависит как от состава электро­ лита, так и от материала анода. Практически она состав­ ляет 10~4—1 мкм/сек [41]. Для образования газовых пузырьков необходимо превысить критическое напряже­ ние на клеммах ячейки. При этом на аноде возникают новые реакции. Образовавшиеся пузырьки газа прили­ пают к поверхности анода и способствуют ее точечному

* Пересчет данных, приведенных в работах [39; 42; 29; 43—46].

54

катода много больше поверхности анода, то катодный процесс (образование свободного водорода) не влияет на форму кривой. Следовательно, необычный ход кривой связан только с анодными процессами. Сопротивление всей ячейки также определяется не только проводимо­ стью электролита, но и анодными процессами.

Строение прианодного слоя электролита, который оп­ ределяет качество электрополировки, известно лишь в общих чертах. Исследователи [41—42] отмечают нали-

о

чие сплошной пленки толщиной примерно 100А, примы­ кающей непосредственно к аноду. Пленка образуется уже на начальном участке (ab) вольтамперной кривой1 . Между электролитом и тонким слоем имеется промежу­ точный внешний слой, для которого характерно высокое электросопротивление и повышенная концентрация раст­ воряющихся ионов образца. Его толщина составляет примерно 1 мкм. Считают, что внутренний тонкий слой ответственен за глянцевание, внешний слой — за вырав­ нивание поверхности. Все факторы, которые способству­ ют сохранению или росту прианодных слоев (горизон­ тальное расположение анода, низкая температура элект­ ролита, высокая концентрация окисляющей компоненты электролита, отсутствие перемешивания) способствуют и успешной полировке. Многочисленные варианты элект­ рополировки сводятся по существу к попыткам воздей­ ствовать на размеры (толщину, сплошность), механиче­ ские (вязкость, плотность) или физические (электропро­ водность, температуру, интенсивность диффузии метал­ лических ионов в электролит) свойства этого слоя.

Наиболее проста электрополировка тонких (до 0,3 мм) листовых заготовок металлов и их сплавов. Разновид­ ности методов полировки «окна», по Боллману, в «одно­ родном поле», в «кольцах» с точечными или плоскими катодами подробно изложены в работах [9; 10; 43]. При их осуществлении из листа или ленты вырезают заготов­ ку размерами примерно 2X2 см2 и утоняют ее в подхо­ дящем электролите, сохраняя вертикальное положение заготовки относительно вертикальных катодов. При этом тяжелый вязкий слой стекает по образцу, увеличивая электросопротивление прианодного слоя его нижней по­ ловины; в результате заготовка утоняется неоднородно.

1 Эта тонкая пленка должна образоваться сразу после погруже­ ния образца в электролит.

55