材料腐蚀作为国民经济建设与工业装备长期服役过程中的核心问题之一，其引发的结构失效、性能衰减与经济损失具有显著的长期性与累积性。因此，深入阐明腐蚀发生的微观机制，尤其是腐蚀初期阶段的表面化学反应与结构演化规律，对于有效实施腐蚀防护、维持材料组织结构的完整性与力学性能具有重要意义。然而，当前针对腐蚀早期行为的研究仍存在诸多瓶颈：一方面，腐蚀初期的表面变化极其微弱，常规表征手段的表面灵敏度与化学分辨能力难以满足精准识别需求；另一方面，腐蚀位点通常呈纳米级局域化特征，传统方法的空间分辨率不足，难以实现对活性缺陷、夹杂物或界面区域的精细解析。
在众多表面分析技术中，俄歇电子能谱（AES）因其对表面元素的高灵敏度和微区化学成像能力而备受关注。本文利用PHI 710扫描俄歇纳米探针系统，对含有未知成分夹杂物缺陷的碳钢样品进行系统表征。该设备具备快速定位微区缺陷、超高横向分辨率化学成像以及原位深度剖析的综合优势，能够在纳米尺度上实现夹杂物成分识别、元素成像分析及深度分析。
样品测试：
本实验采用PHI 710扫描俄歇纳米探针系统，对碳钢中诱发腐蚀的未知成分夹杂物开展了多维度表征：通过俄歇电子能谱（AES）依次获得表面全元素总谱、二维成像分布及深度剖析信息；同时结合该平台选配的能量色散X射线谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）联用技术，实现了对腐蚀起始位点形貌、成分、物相及微区结构的全方位精准分析。
测试结果：
首先，利用 PHI 710扫描俄歇纳米探针系统采集的二次电子（SEM）形貌图（图 1a）在碳钢表面精准定位目标夹杂物，并对其进行EDS成分表征与AES 表面全谱分析。EDS 结果显示，该夹杂物中心区域主要由Mn、S 和Fe元素构成（图 1b）；与之形成鲜明对比的是，AES在检出 Mn、S、Fe 的基础上，还观测到相对原子质量约6% 的Cu元素（图 1c）。本研究首次利用AES在MnS型夹杂物中发现Cu元素的存在，这一结果在常规EDS测试中并未显现，超出了前期预期。
值得强调的是，AES的信息采集深度仅为样品表面约10 nm的极表层，而 EDS 的探测深度可达数微米至数十微米，二者在分析深度上存在数量级差异。这既是EDS未能直接识别出Cu元素的主要原因，也凸显出相较于EDS，AES 更适用于纳米尺度下真实表面微区的成分表征。由此可以判断，Cu 元素并非均匀分布于夹杂物整体，而是存在于MnS夹杂物的表面区域。
图1.缺陷颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（a图）以及从颗粒（黄色框）选取的感兴趣区域的能量色散谱（EDS，b图）和俄歇电子谱（AES，c图）
其次，我们对目标夹杂物开展了俄歇电子能谱元素 Mapping分析，如图2所示，Mn、S、Cu三种元素均仅分布于夹杂物颗粒，在周边铁基体区域无明显信号分布。
图2. 缺陷颗粒的AES中Fe/Mn/S/Cu元素分布图视野范围为1 μm X 1μm
最后，为了进一步验证Cu元素的分布及来源，我们对该夹杂物进行了AES 深度剖析。深度剖析（图3）结果显示，Cu层厚度大约5 nm，且Cu可能以CuS形式存在于MnS颗粒表面。
图 3. MnS 夹杂物的 AES 深度曲线深度分析数据来自颗粒的黄色框区域
为了研究其腐蚀机理，我们挑选了第二个MnS夹杂物，并通过SEM/EDS 快速定位后开展AES成像，结果如图4所示。AES俄歇成像结果说明，S元素从夹杂物处发生一定程度的扩散，Mn元素则无扩散现象；我们同时在该区域进行了原位EBSD成像。EBSD结果显示了同一区域的Fe晶粒和应变场的方向，并有助于预测当表面暴露于腐蚀环境时，局部腐蚀将发生在哪里。
图 4. 夹杂物位置的 SEM 图像（上）及相应的 AES、EDS 和 EBSD 图像（下）
结论：
本研究表明，多技术联用俄歇电子能谱仪可高效开展腐蚀分析工作，可在单一超高真空系统中整合SEM、AES、EDS与EBSD技术，快速实现冶金样品中缺陷颗粒与夹杂物的精准分析。其中SEM/EDS可对碳钢表面的硫化锰颗粒进行快速定位，AES则能进一步探明硫化锰颗粒表面存在约 5 nm 的硫化铜层；针对不同缺陷位点，AES可检测到S元素在样品表面的分布特征，与EDS探测的体相硫信号存在明显差异，而EBSD可在不破真空的条件下，识别出夹杂物位点的晶界与应变分布，为腐蚀机理的深入研究提供关键数据支撑。
References:
[1] Renner, F., Stierle, A., Dosch, H. et al. Initial corrosion observed on the atomic scale. Nature 439,
707–710 (2006).
[2] Dwivedi, D. and Lepková, K. and Becker, T. 2017. Carbon steel corrosion: a review of key surface properties and characterization methods. RSC Advances. 7 (8): pp. 4580-4610.
