表面检测分析方法：1.5.1版

各种表面测试技术的研究和分析仪器及计算方法的出现，不仅为揭示表面涂覆层材料性能和发展新的表面技术提供了坚实的基础，而且为生产上合理使用或选择合适的表面技术、分析和防止表面故障、改进工艺设备，提供了有力的手段。随着新型表面涂覆层技术的发展及应用，研究新的表面分析测试方法显得尤为重要。

表面表征与检测分析的基本内容大致可分为表面成分（包括从表面经界面到基体的纵深成分）和原子状态分析、表面结构分析、表面涂覆层性能表征。材料的表面（界面）成分分析包括元素的点分析、线分析、选区分析和面分布分析，以及表面分子中原子的化学状态、化学键和分子结构分析；表面结构分析包括表面形貌分析、表面点阵（晶体）结构分析和表面缺陷分析；表面涂覆层性能表征包括涂覆层表面力学、物理和化学性能及其使用性能如摩擦磨损、腐蚀及疲劳性能的检测计算。涂覆层的力学、物理及化学性能的表征是为了测定这种涂层能否满足材料标准规定的要求，它也是涂层能否达到使用效果的保证，而模拟的实验室试验和现场试验则是为了优选涂层的各种合金材料及工艺以及证实涂层的实际使用效果。

由于在实际使用过程中，涂覆层不完全是一个独立的组元，因而涂覆层的使用性能不仅取决于其本身的特性，而且与基体材料本身的特性以及它们的界面条件和结合机理有关。涂覆层本身的性能、涂覆层与基体的结合强度及其综合特性最终决定了表面涂覆层的使用效果和零件整体的使用寿命。因此，要特别注意涂覆层与基体的结合强度以及它们的综合特性，这些也是选用表面技术和提供质量控制的主要依据。

涂覆层表面的特性不仅取决于它的化学成分、微观结构、表面粗糙度、硬度和韧性（或塑性），而且与涂覆层的厚度、孔隙度、致密度、残余应力以及涂覆层与基体的结合强度有关。有关涂覆层的一些典型的物理、力学性能（包括涂覆层的厚度、致密度、孔隙度、电阻、表面粗糙度、硬度、残余应力以及涂覆层和基体结合强度）的检测，可按照已有的测试方法进行。如用光学法、机械法、电子法、磁性法、电磁法、放射性法及其他方法等测试覆层厚度；用液态称重法测量涂覆层密度；用直接观测以及间接方法测定涂覆层孔隙度；用两点式或四点式探头法测定涂覆层电阻率；用接触型或非接触型轮廓仪来测定涂覆层粗糙度；用硬度计测定涂覆层硬度；用弯曲法、X射线法、电子和中子衍射法等测量涂覆层残余应力；用机械方法测定涂覆层结合强度等。近10年来，随着表面技术的发展，又出现了一些新型涂覆层力学性能测试方法。一些学者用划痕法^[6]、X射线衍射法^[7，8]、纳米压入^[9，10]和划入法^[11，12]、基于压痕或划痕的有限元计算法^[13-16]等思路和手段对薄膜的力学行为进行了深入研究，取得了长足的进步，但要形成相对严密、自成体系的评价方法和技术指标尚有较大差距。有关这方面的内容将在本书第6章中加以详细介绍。

有关表面结构和成分等特性的研究常借助于先进的表面分析仪器等手段。表面分析仪器可分为两大类：一类是通过放大成像以观察表面形貌和结构为主的仪器，统称为显微镜；另一类是通过表面各种发射谱以分析表面成分为主的仪器，统称为分析谱仪。

在表面观察的显微镜中，常用的照明源或激发源有：光束、电子束、离子束、声束和电场5种，相应的显微镜称为：光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、声学显微镜和场发射显微镜5大类。显微镜是一种多功能的仪器，它可以配备适当的谱仪（如电子能谱仪、离子谱仪、波谱仪等），从而能同时进行形貌分析、成分分析和结晶学分析。除了这些方法以外，近代发展起来的核物理分析技术也是当前进行表面分析的重要补充手段。核物理分析技术是利用核反应所伴随的各种物理现象来研究物质结构的一种分析技术。例如，穆斯堡尔谱技术（MOSS法）、正电子湮灭技术（PTA法）和放射性同位素示踪技术等已经用来观察有关表层的物理化学变化、表面相变和表面物质迁移等现象。这些对于研究覆层表面在摩擦磨损和腐蚀过程中的物理本质都是非常重要的。

随着现代科学技术的进步，各种表面分析仪器的类型和用途在不断更新和发展，但其工作原理都是相同的，即都是通过用一束“粒子”或某种手段作为探针激发源来探测样品表面，利用各种微探针激发源同物质表面原子发生相互作用，继而根据从试样表面所发出的各种信息（二次束）的类型、强度、空间分布和能量分布等进行分析处理，从而获得有关各种表面状态的信息和资料。这些探针可以是电子、离子、光子、电场和热，在探针的作用下，从样品表面发射或散射粒子或波，它们可以是电子、离子、中性粒子或光子，这些粒子携带着表面的信息。

现代表面分析技术已发展出数十种，而且新的分析方法仍在不断出现。本章只介绍经常遇到的基本方法，而这些方法对于从事表面分析研究人员来说是必须要掌握的。表1-2列出了一些常用的表面分析方法和它们的使用范围。(www.xing528.com)

表1-2 常用的表面分析方法及使用范围

（续）

注：e—电子；γ—光子；I—离子；E—电场。

表1-2中仅列出了采用电子、光子和离子等探测粒子及电场的常用表面分析方法，此外还有中性粒子、热、声波等各种探测手段。这些方法各有其特点，而没有万能的方法，针对具体情况，可以选择其中一种或综合多种方法来分析，如对纳米材料或结构进行表面分析时，常采用高分辨率电子显微镜和场发射显微镜及光电子谱手段进行联合表征，而有关纳米表面的分析方法可参见本书第3章。