目录

简介​

一、TEM 基本知识

1. 核心原理（理解图像本质）​

2. 关键结构与成像模式（对应图像类型）​

二、TEM 数据处理

1. 预处理（通用步骤）​

2. 衍射花样（SAED）处理（金属材料核心）​

3. HRTEM 图像处理​

4. STEM 图像处理​

三、金属材料 TEM 内容分析

1. 显微组织分析​

2. 晶体结构分析​

3. 界面 / 析出相分析​

四、必备工具与注意事项​

1. 核心软件（操作要点）​

2. 避坑指南​

参考学习链接

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简介​

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）在材料学研究中是不可或缺的 “利器”，它能帮助我们窥探材料的微观世界，了解其组织结构与性能的关联。但对于刚接触 TEM 的材料学新手来说，往往会被其复杂的原理和操作所困扰。别担心，本篇博客将为你梳理 TEM 的核心知识，帮助你快速上手 TEM 图像的数据处理和内容分析，轻松迈入 TEM 研究的大门。​

一、TEM 基本知识

1. 核心原理（理解图像本质）​

电子束就像一把 “探针”，当它与材料相互作用时，会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射是成像和衍射的关键，就好比光线遇到镜面反射一样，电子束的方向改变但能量不变，这让我们能得到清晰的图像和衍射花样；非弹性散射则会产生衬度和 EDS 信号，衬度能让我们区分材料的不同区域，EDS 信号就像材料的 “身份证”，能告诉我们材料里含有哪些元素。​

在分辨率方面，空间分辨率在金属材料中大概是 0.1-0.2nm，这取决于设备的性能，它决定了我们能看到多小的细节；衍射分辨率则关系到晶面间距测量的精度，这对于分析晶体结构很重要。​

2. 关键结构与成像模式（对应图像类型）​

TEM 的结构就像一条精密的 “电子通道”：电子枪是电子的 “发源地”，产生电子束；聚光镜负责把电子束聚焦，让它更集中；样品室是放置金属薄片样品的地方，我们要研究的材料就在这里接受电子束的 “探测”；物镜是成像的核心，它的性能直接决定了图像的分辨率；中间镜和投影镜则起到放大作用，把微小的结构放大到我们能看清的程度；最后由探测器记录下图像和衍射花样。​

对于金属材料，常用的成像模式有以下几种：​

• 明场像（BF）：能呈现质厚衬度和衍射衬度，就像我们用普通相机拍照一样，能看到晶粒、缺陷等结构。​

• 暗场像（DF）：可以强化特定的相或缺陷，比如析出相、位错等，让它们在图像中更明显。​

• 选区电子衍射（SAED）：这是分析晶体结构和取向的核心，它能产生独特的衍射斑点，就像晶体的 “指纹”。​

• 高分辨 TEM（HRTEM）：能看到原子排列和晶格条纹，让我们能观察到界面、纳米相等细微结构。​

• STEM（扫描透射）：其 HAADF 像具有原子序数衬度，重元素在图像中会更亮，就像用不同颜色标记了不同元素。​

从左往右依次是明场像、暗场像、中心暗场像的成像原理图

二、TEM 数据处理

1. 预处理（通用步骤）​

• 降噪：高斯滤波就像给图像 “磨皮”，能模糊噪声但保留大结构；中值滤波则擅长去除斑点噪声，对于有颗粒、缺陷的图像很适用。​

• 衬度调整：直方图均衡化能增强弱衬度，比如一些不明显的界面，经过调整后能看得更清晰。​

• 畸变校正：校准标尺很重要，我们可以用标样如金颗粒、硅单晶的衍射来标定，确保测量数据的准确性。​

2. 衍射花样（SAED）处理（金属材料核心）​

• 标定步骤：​

        ① 先测量衍射斑点间距（R），然后根据公式 d=K/R（K 为相机常数，设备会提供）计算晶面间距。​

        ② 测量斑点之间的夹角，再对应查找晶面夹角，可以查 PDF 卡片或用晶体学公式计算。​

        ③ 结合金属相结构，比如面心立方（FCC）、体心立方（BCC），来确定物相。​

TEM衍射花样标定流程图

• 软件：Digital Micrograph（DM）能自动测量 R 和角度，非常方便；JEMS 可以模拟衍射花样，我们可以把模拟结果和实验结果对比，辅助确定物相。​

3. HRTEM 图像处理​

傅里叶变换（FFT）能把晶格条纹转化为衍射斑点，让我们快速判断晶面间距；逆傅里叶变换（IFFT）则可以过滤噪声，保留特定的晶面条纹，比如界面处的匹配晶格。​

4. STEM 图像处理​

在 HAADF 像中，我们可以用 ImageJ 测量颗粒尺寸，做粒径分布统计；通过衬度分析还能判断成分差异，比如富 Cr 析出相通常会更亮。​

三、金属材料 TEM 内容分析

1. 显微组织分析​

• 晶粒：用 ImageJ 测量晶粒尺寸，一般用等效圆直径来表示，还可以做统计分布，画出柱状图；通过 BF/DF 像能判断晶粒形态，是等轴的还是柱状的。​

• 相鉴定：结合 SAED 标定结果和 EDS 成分分析，能确定析出相，比如钢中的 Fe3C、铝合金中的 Mg2Si。​

• 缺陷识别：​
  • 位错在 BF 像中是暗线，有刃型和螺型之分，用 DF 像可以让它更明显；在 SAED 中，菊池线弯曲说明存在应变场。​
  • 孪晶在 HRTEM 中呈现交替的晶格条纹，比如 FCC 金属孪晶界会有镜像对称的特征。​
     

2. 晶体结构分析​

• 晶格常数：通过测量 HRTEM 条纹间距（d 值），再根据公式计算，比如 FCC 中 a=d√(h²+k²+l²)。​
• 取向关系：SAED 花样中如果有两组衍射斑点，分别对应基体和析出相，我们可以计算它们的取向差，比如 [111] 基体 //[111] 析出相。​

3. 界面 / 析出相分析​

• 界面结构：用 HRTEM 观察原子排列，能判断界面是共格、半共格还是非共格的，比如铝合金中 GP 区与基体就是共格的。​
• 析出相：STEM-HAADF 像能确定析出相的分布，包括尺寸和密度；SAED 能确定其结构；EDS 则能确定其成分。​

四、必备工具与注意事项​

1. 核心软件（操作要点）​

• DigitalMicrograph（DM）：能进行基础处理，如裁剪、测量、FFT 等，在 SAED 标定方面，它自带标尺和角度工具，很好用。​

• ImageJ：用于颗粒尺寸统计，操作是 “分析→测量”；还能进行衬度调整，在 “图像→调整” 里操作。​

• JEMS：输入晶体结构参数后，能模拟衍射花样，方便我们和实验结果对比。​

2. 避坑指南​

• 样品影响：金属薄片厚度过厚会导致衍射斑点模糊，所以要把薄片减薄到 100nm 以下。​
• 成像条件：HRTEM 如果欠焦或过焦，条纹衬度会反转，所以要校准聚焦，以无衬度线为准。​

• 多手段验证：用 SAED 鉴定物相时，要结合 EDS 成分，比如在 Fe-Ni 合金中，FCC 结构可能是奥氏体或 Ni3Fe，这时候就需要 EDS 确认 Ni 的含量来区分。​

参考学习链接

一文了解透射电镜（TEM）知识重点（动图演示）

你要掌握的透射电镜(TEM)的基础知识 - 知乎

TEM数据处理的基本原理与应用 - 素雅技术服务

本系列后续会持续更新TEM图像分析及数据处理软件的常规操作哦！