钢中下贝氏体组织的扫描隧道显微镜研究

　　1　前言

　　随着材料科学研究的发展,许多用于合金组织结构分析的现代仪器先后出现。如光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、低能电子衍射(LEED)等。但这些仪器都存在一定的使用范围,有其局限性。如光学显微镜的极限分辨率为可见光波长的一半(约长0.2um);TEM的横向分辨率很高,但纵向分辨率很小。且受电子束穿透能力的限制,只能观察薄膜试样,样品制备困难较大。SEM在利用二次电子成像时分辨率也只有6nm^[1]。低能电子衍射(LEED)等只能提供空间平均的电子结构信息。上述一些仪器还对实验环境的真空度有较高要求,都限制其使用范围。

　　扫描隧道电子显微镜(STM)是八十年代初出现的一种新型表面分析仪器[2]。它的原理是利用探针与样品表面之间的相互作用来探测表面在纳米尺度上表面的物理性质它可以测量材料表面原子尺度的形貌,使得对材料表面的定域表征成为可能。它不仅横向分辨率可达0.1nm,纵向分辨率为0.01nm,远远超过普通扫描电镜,且对工作环境和样品制备的要求比电镜也要少的多^[3]。

　　扫描隧道显微镜直接测量样品表面的高低起伏状态,具有1nm量级的表面分辨率。在研究金属的精细结构、表面浮突等表面状态上具有其他仪器难以替代的优点。在材料科学领域内,STM已经成功的应用于单质金属,半导体材料表面原子结构等的直接观察,并可望在材料、物理、化学、微电子、生物等众多科学领域中获得越来越广泛应用^[2]。

　　本文利用STM在大气环境下研究钢中下贝氏体组织的结构特征及其形貌。

　　2　实验材料及方法

　　本实验采用1#实验钢为Fe-0.9C-6.0Cr-2.0Si(wt%)合金。样品首先在1180℃扩散退火72小时,之后将样品线切割成5毫米厚的薄片,在1100℃奥氏体化20分钟,之后直接投入脱氧盐浴炉中,在300℃进行等温淬火,等温淬火时间为12小时,等温后水冷。

　　1#实验钢成分设计时选用C,Cr的含量,主要目的是降低合金的马氏体点,以抑制等温淬火后的水冷过程中可能发生的马氏体相变,以获得只有奥氏体和贝氏体的简单组织,避免后来的马氏体转变对贝氏体的组织结构,贝氏体与奥氏体界面关系的影响。此合金的马氏体点经公式计算大约为零下10℃左右,因此合金试样在制备过程中不发生马氏体转变。合金中加入Si目的是推迟贝氏体中碳化物的析出,以得到无碳化物的贝氏体铁素体组织,有利于观察。

　　2#实验钢采用的是含碳量为0.25%左右的工业设计用钢,含有Mn、Si和Cr等合金元素,设计这种钢的目的是通过成分和热处理工艺的合理配合实现其低碳超强超韧的性能。将经冶炼轧制的2#合金钢在1100℃真空封管保温72小时,以使成分均匀化。将均匀化的样品用线切割法获得12×12×5mm的试样。将试样在900℃奥氏体化随后在350℃保温处理,其贝氏体组织呈明显片状贝氏体形态。