分析與評估方法導覽

在研磨並腐蝕後的斷面上，觀察晶粒大小、相的分布、夾雜物與層的厚度。是調查組織時的第一步。

原理 金屬以反射光觀察。用腐蝕液使晶界與各相的溶解程度產生差異，形成明暗對比。

使用目的 斷面組織 晶粒大小與方位、織構 膜與層的厚度 析出物 破斷面觀察 內部缺陷 表面形狀與粗糙度 相的鑑定與晶體結構

數值的參考

橫向解析度

約 0.2 µm（由光的波長決定的極限）

深度解析度、資訊深度

研磨面的影像（沒有深度方向的資訊）

偵測極限

—（不測元素）

分析深度、體積

研磨斷面的表面

可量測的元素

無法測量（只能從顏色、形狀與被腐蝕的方式推測相）

定量精度

面積分率與晶粒度可藉影像分析量化

試樣與工夫

大小

以樹脂鑲埋後，粉末與小片也能觀察。大型零件需切取

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

切取、研磨 需切斷、研磨，該部分會被破壞

準備與工夫

一般 切斷 → 樹脂鑲埋 → 研磨 → 腐蝕。半天〜1 天（依材料與腐蝕液而定）

時間

短 準備好後，觀察只需數分鐘〜數十分鐘

費用

便宜 多半可用校內設備便宜地量測

常見陷阱

• 研磨刮痕與塗抹層（表面被拖曳形成的層）會因腐蝕而被突顯，看起來像組織。前一道工序留下的損傷不會因腐蝕而消失
• 解析度約 0.2 µm，因此看不到細微的析出物或麻田散鐵板條的內部（改用 SEM、TEM）
• 斷面是二維的切口，晶粒的形狀與大小會因切割方向而看起來不同。軋延材等需決定方向，觀察多個斷面

搭配使用的方法 SEM · EBSD · HV/HR/HBW

標準 ASTM E3（金相試樣製備指引） / ASTM E407（金屬與合金的顯微組織腐蝕） / JIS G 0551、ASTM E112（晶粒度的測定方法） / ISO 3887（鋼的脫碳層深度測定方法）

組織圖譜 肥粒鐵＋波來鐵（亞共析鋼） 板條麻田散鐵（低碳的淬火組織） 晶粒度（晶粒度號數與平均粒徑）計算工具 鋼的熱處理實驗室公式集 晶粒度號數（ASTM E112） 霍爾-佩奇關係

名詞 波來鐵 麻田散鐵 霍爾-佩奇關係

出處: MyScope SEM; Metkon（ASTM E407）; ISO 3887

以比光學顯微鏡更高的解析度與更深的景深，觀察表面的凹凸（SE 像）與平均原子序的差異（BSE 像）。是觀察破斷面與細微組織的主力。

原理 以聚焦得很細的電子束掃描表面，將射出的二次電子（SE）與背向散射電子（BSE）的數量轉為影像的亮度。

使用目的 表面形狀與粗糙度 破斷面觀察 斷面組織 膜與層的厚度 析出物 內部缺陷 晶粒大小與方位、織構

數值的參考

橫向解析度

約 1〜5 nm（場發射式約 1 nm，一般設備約 5 nm）

深度解析度、資訊深度

SE 來自表面約 15 nm 以內，BSE 來自更深處（隨加速電壓而變）

偵測極限

—（組成用 EDS 測）

分析深度、體積

SE 為最表面，BSE 為電子擴散體積的上部

可量測的元素

無法從影像得知（BSE 的明暗只是平均原子序的參考）

定量精度

若要量測尺寸，需以標準試樣校正倍率

試樣與工夫

大小

能放進樣品室的大小（依設備而定）。大型零件需切取

導電性

絕緣體需鍍上約 10 nm 的導電膜，或以低真空觀察

真空

通常為真空。含水的試樣需乾燥或以低真空觀察

是否破壞

非破壞 直接觀察表面時不破壞。觀察斷面時需切割並研磨

準備與工夫

幾乎不需要 觀察表面時幾乎不需要。斷面需研磨，絕緣體需鍍膜

時間

短 每個試樣數十分鐘〜數小時

費用

便宜 多半可用校內的共用設備便宜地使用

常見陷阱

• 把 BSE 像的明暗直接當成組成的差異。凹凸與晶體方向（通道效應）也會改變明暗，因此要在研磨平整的面上，配合 EDS 確認
• 把絕緣體的帶電（明亮且拖影的影像）或鍍膜的顆粒誤認為組織
• 直接相信畫面上的尺寸刻度。若要量測尺寸，需以標準試樣校正倍率

搭配使用的方法 EDS（EDX） · EBSD · FIB

組織圖譜 析出物（沿晶界排列的析出與晶粒內的顆粒）破損分析 疲勞 氫脆 延性破壞（過負荷） 脆性破壞

名詞 SEM（掃描式電子顯微鏡） 疲勞紋

出處: MyScope SEM; EAG 方法一覽表

把每個晶粒的方位做成分布圖，求出晶粒尺寸、織構、晶界方位差、相的分布（依晶體結構的差異）以及局部應變的參考值。

原理 在 SEM 中對傾斜 70° 的試樣照射電子束，拍攝繞射後的背向散射電子花樣（菊池花樣），逐點決定晶體方位。

使用目的 晶粒大小與方位、織構 相的鑑定與晶體結構 斷面組織

數值的參考

橫向解析度

20〜80 nm（依材料而定）。不擅長小於 50 nm 的晶粒（薄膜試樣的 TKD 可達 2〜20 nm）

深度解析度、資訊深度

表面約 10 nm

偵測極限

—（不測元素）

分析深度、體積

表面約 10 nm 的層

可量測的元素

無法測量（與 EDS 同時量測以區分相）

定量精度

方位精度約 0.2°（以互相關分析觀察應變時約 0.001°）

試樣與工夫

大小

能放進 SEM 樣品室的大小

導電性

對絕緣體鍍膜會使花樣變弱，最好避免。改用低真空觀察

真空

通常為真空（也有低真空的設備）

是否破壞

切取、研磨 需要研磨平整的面，因此該部分要切割並研磨

準備與工夫

費工 機械研磨後，再以不殘留應變的方式完成（化學拋光、電解拋光等）。費工

時間

中等 每張分布圖數十分鐘〜數小時（高速偵測器有每秒超過 3000 點的例子）

費用

中等 （附 EBSD 的 SEM 有限）

常見陷阱

• 表面殘留研磨應變時花樣不會出現，無法解析的點會增加。只靠機械研磨往往不夠
• 晶粒尺寸會隨「方位差幾度以上視為晶界」與量測點的間距而改變。比較時要寫明條件
• 可量測的範圍很小（邊長數百 µm〜mm）。整片板材的織構要搭配 XRD 的極圖確認

搭配使用的方法 SEM · XRD（sin²ψ 法、極圖） · OM

組織圖譜 晶粒度（晶粒度號數與平均粒徑）公式集 晶粒度號數（ASTM E112） 霍爾-佩奇關係

名詞 再結晶 霍爾-佩奇關係

出處: DTU Nanolab EBSD; SERC（卡爾頓學院）; EAG 方法一覽表; ASM EDFAS（EBSD 偵測器）

以穿透薄化至 100 nm 以下試樣的電子，觀察從差排、析出物、界面到原子排列。搭配電子繞射與 EDS、EELS，可在原處同時得知結構與組成。

原理 明視野、暗視野像的明暗來自繞射強度的差異，HRTEM 則由穿透波與繞射波的干涉形成晶格像。STEM-HAADF 利用散射到高角度的電子，形成原子序越大越亮的影像（Z 對比）。

使用目的 析出物 斷面組織 相的鑑定與晶體結構 膜與層的厚度 局部組成與元素分布 內部缺陷 晶粒大小與方位、織構 化學狀態（氧化數、鍵結）

數值的參考

橫向解析度

0.1〜0.3 nm（TEM 的點解析度 0.14 nm，附像差校正的 STEM 有 0.1 nm 的例子。未校正的設備約 0.2〜0.25 nm）

深度解析度、資訊深度

整個試樣厚度（小於 100 nm）疊加的影像

偵測極限

EDS 約 0.5 wt%（依條件可達 0.01〜0.1 wt%）

分析深度、體積

厚度小於 100 nm 的薄片中，邊長 µm 級以下的範圍

可量測的元素

EDS 為 B 以上（輕元素靈敏度低），EELS 可到 Li

定量精度

EDS 為數 % 程度的半定量

試樣與工夫

大小

直徑約 3 mm 的薄片，或放在載網上的顆粒、FIB 薄片

導電性

不特別需要（需要的是薄化）

真空

必須（乾燥且耐電子束的試樣）

是否破壞

切取、研磨 需製作薄片，該部分會被破壞

準備與工夫

費工 以電解拋光、離子研磨、FIB、超薄切片機薄化。需要熟練與時間

時間

長 含試樣製作數天〜數週

費用

高 （多委外）

常見陷阱

• 觀察的體積非常小（厚度小於 100 nm、邊長 µm 級）。一個視野不一定能代表整個試樣，要先用 SEM 等看過全體再選位置
• 把試樣製作造成的損傷誤認為組織。FIB 製作的薄片兩面都有被 Ga 離子破壞的層，只用 30 kV 加工時，Si 每面約 20 nm
• 明視野、暗視野的明暗主要來自繞射強度。是否為組成差異，要用 HAADF（亮度由原子序決定）或 EDS 確認

搭配使用的方法 FIB · SAED/CBED · APT

組織圖譜 析出物（沿晶界排列的析出與晶粒內的顆粒）公式集 布格向量的大小 結構因子與繞射強度

名詞 差排 布格向量 析出硬化

出處: 杜伊斯堡-埃森大學 ICAN; Microscopy Australia TechFi; EAG 方法一覽表; MyScope EDS

在指定的位置以 µm 級的精度削出斷面，製作 TEM 薄片或 APT 針狀試樣。與 SEM 結合的設備可反覆「削一層、拍一張」，取得三維組織。

原理 把 Ga 離子聚焦到 10 nm 以下照射，濺射出表面的原子來削切。削出的面以電子束（SEM）觀察。

使用目的 膜與層的厚度 斷面組織 內部缺陷

數值的參考

橫向解析度

束徑小於 10 nm。觀察為 SEM 的解析度（約 1 nm）

深度解析度、資訊深度

連續切削可得三維資料（100 nm〜10 µm 大小的區域）

偵測極限

—（組成需併用 EDS 等）

分析深度、體積

邊長 µm〜數十 µm 的局部

可量測的元素

—

定量精度

—

試樣與工夫

大小

能放進 SEM 樣品室的大小

導電性

絕緣體會帶電，需鍍膜

真空

必須

是否破壞

切取、研磨 被削切的地方會被破壞（局部）

準備與工夫

一般 先決定好觀察位置。鍍上保護膜後再削切

時間

中等 每處斷面數小時，TEM 薄片半天〜1 天

費用

中等 〜高（設備機時昂貴）

常見陷阱

• 削出的面殘留被 Ga 離子破壞的層（Si 在 30 kV 時每面約 20 nm）。TEM 薄片最後要以低電壓（2 kV 時 3〜7 nm）修整
• 可觀察的範圍很小，選位置前先用 SEM 或光學顯微鏡找出目標

搭配使用的方法 SEM · TEM/STEM · APT

出處: Microscopy Australia TechFi; 特文特大學 NanoLab; EAG 方法一覽表

以尖銳的探針描過表面，繪出 nm 級的高度分布圖。粗糙度、段差與顆粒高度都能在不抽真空的情況下量測，絕緣體也可以。

原理 以雷射讀取裝有探針的懸臂樑的撓曲，追蹤高度使探針與表面間的力保持一定。

使用目的 表面形狀與粗糙度 膜與層的厚度

數值的參考

橫向解析度

2〜150 nm（由探針尖端的大小決定）

深度解析度、資訊深度

高度解析度 0.01 nm

偵測極限

—

分析深度、體積

只有表面（掃描範圍最大約 90 µm × 90 µm、高度約 5 µm）

可量測的元素

無法測量

定量精度

高度值會隨探針形狀與掃描條件而變

試樣與工夫

大小

小片〜晶圓（也有可放 300 mm 的設備）

導電性

不需要（絕緣體也能測）

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要 （保持表面清潔）

時間

短 每處數分鐘〜數十分鐘

費用

便宜 多半可用校內設備便宜地量測

常見陷阱

• 探針的形狀會反映在影像中。尖端較粗時，細溝與孔看起來較淺較窄，突起看起來較粗
• 一次可看的範圍很小（最大約 90 µm × 90 µm）。先用光學顯微鏡看過全體，再選有代表性的位置
• 不擅長超過數 µm 的段差或粗糙的面（改用雷射共軛焦顯微鏡、白光干涉儀）

搭配使用的方法 雷射共軛焦顯微鏡、白光干涉儀 · SEM · 奈米壓痕

出處: EAG AFM; EAG 方法一覽表; 賓州州立大學 AFM

用光以非接觸方式量測表面的三維形狀，將粗糙度、段差、磨耗痕深度與壓痕形狀量化。

原理 雷射共軛焦顯微鏡以只接收對焦點光線的共軛焦光學系統求高度，白光干涉儀則以干涉條紋最強的位置求表面高度。

使用目的 表面形狀與粗糙度 膜與層的厚度 破斷面觀察

數值的參考

橫向解析度

約 0.3〜0.5 µm（橫向由光的繞射決定，為 0.61λ/NA。405 nm、NA 0.95 時約 0.26 µm，白光干涉儀的例子為 0.5 µm）

深度解析度、資訊深度

白光干涉儀為 0.1 nm（利用相位的方式）〜6 nm（掃描的方式）

偵測極限

—

分析深度、體積

只有表面（單一視野邊長為 mm 級，拼接可達數 cm）

可量測的元素

無法測量

定量精度

在陡坡或透明膜上，數值會缺漏或出錯

試樣與工夫

大小

小片〜數十 cm 的零件（依載台大小而定）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要

時間

短 每處數分鐘

費用

便宜 多半可用校內設備便宜地量測

常見陷阱

• 在陡坡或粗糙的面上光線不會返回，資料會缺漏或變成雜訊
• 在透明膜上，膜的表面與下方的面都會反射光，使形狀出錯。能測膜厚的只有已知折射率的透明膜
• 粗糙度的數值會隨量測長度、範圍與濾波（截止值）條件而變。比較時要統一條件

搭配使用的方法 AFM · OM · HV/HR/HBW

出處: Evident 雷射顯微鏡的原理; EAG 光學式表面形貌量測

以鑽石觸針描過表面，量測段差（膜厚）與表面粗糙度。一次可量測很長的距離（設備的例子可達 150 mm）。

原理 以很小的力壓住觸針並橫向移動，記錄觸針的上下移動，描出表面的斷面形狀。

使用目的 表面形狀與粗糙度 膜與層的厚度

數值的參考

橫向解析度

由觸針尖端的半徑決定（標準觸針為 2 µm）

深度解析度、資訊深度

高度可到 Å 的等級（設備的例子）

偵測極限

—

分析深度、體積

觸針描過的線

可量測的元素

—

定量精度

比觸針更細的谷或陡坡，會因觸針形狀而被量成圓滑的形狀

試樣與工夫

大小

小片〜可放上載台的板。攜帶型可直接在大型零件上量測（單次掃描在設備的例子中可達 150 mm）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 觸針會接觸表面（壓力可設定得很小）

準備與工夫

幾乎不需要 （膜厚需製作段差來量測）

時間

短

費用

便宜

常見陷阱

• 比觸針尖端（例如 2 µm）更細的凹凸無法量測，谷會量得較淺、峰會量得較粗
• 只量測線上的部分，因此位置間的差異要量測多條線來確認
• 膜厚是以段差來量測，因此需要去除部分的膜做出段差

搭配使用的方法 雷射共軛焦顯微鏡、白光干涉儀 · AFM · 光譜式橢圓偏光儀

出處: 羅徹斯特大學 段差計

以掠角將 X光照射在平坦基板上的薄膜，從反射率隨角度的變化求出膜厚、密度與界面寬度（粗糙度）。適用於約 1 nm〜1 µm 的單層、多層膜。

原理 從全反射臨界角附近改變角度量測反射率，與以膜的模型計算的曲線擬合，求出厚度、密度與界面寬度。

使用目的 膜與層的厚度 表面形狀與粗糙度

數值的參考

橫向解析度

—（X光照射範圍的平均。前提是該範圍內橫向均勻）

深度解析度、資訊深度

厚度約 1 nm〜1 µm 的膜

偵測極限

—

分析深度、體積

X光照射範圍 × 膜

可量測的元素

不直接量測元素（沒有化學資訊）

定量精度

需假設膜的模型（層數、順序）來擬合，模型不同數值也不同

試樣與工夫

大小

平坦基板上的膜（晶圓、板）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 （膜在量測期間不能變化）

準備與工夫

幾乎不需要 （不要弄髒表面）

時間

中等 量測與以模型擬合的分析都很費時

費用

中等

常見陷阱

• 基板不平坦，或膜在 X光照射範圍內橫向不均勻時無法解析
• 表面的汙染或反應層也會當成一層而產生影響。量測前不要弄髒表面
• 只靠 XRR 無法得知元素與化學狀態。組成要搭配 XPS 等

搭配使用的方法 光譜式橢圓偏光儀 · XRD · XPS（ESCA）

標準 ISO 16413（以 X光反射率法評估薄膜的厚度、密度與界面寬度）

出處: ISO 16413; Diamond Light Source XRR

逐波長量測反射光偏振的變化（Ψ 與 Δ），在不接觸、不破壞的情況下求出薄膜的厚度與折射率等光學常數。從比單分子層更薄的變化，到透明膜的數十 µm 都能量測。

原理 將偏振光斜向照射，量測反射光偏振的變化。量測值不會直接變成厚度，需與以層的模型及光學常數公式計算的值擬合來求得。

使用目的 膜與層的厚度

數值的參考

橫向解析度

—（光照射範圍的平均）

深度解析度、資訊深度

對比單分子層更薄的變化也很敏感。透明膜約 0.5 nm〜20 µm（設備的例子）

偵測極限

—

分析深度、體積

光照射範圍 × 膜

可量測的元素

不測元素（看的是光學常數）

定量精度

需假設層的模型與光學常數公式來擬合，模型不同數值也不同

試樣與工夫

大小

表面平坦且會反射光的試樣（晶圓、玻璃板等）

導電性

不需要（介電體、有機物、半導體與金屬的膜）

真空

不需要

是否破壞

非破壞 （不接觸）

準備與工夫

幾乎不需要 清潔表面並乾燥

時間

短 單點量測很短，但以模型擬合的分析有時很費時

費用

中等

常見陷阱

• 厚度是以模型擬合量測到的 Ψ、Δ 得出，因此層數或光學常數的假設不同，數值也不同
• 表面不平坦或不反射光時無法量測
• 與 XRR 或斷面觀察比較，確認模型是否合理

搭配使用的方法 XRR · 觸針式表面粗糙度計、段差計 · SEM

出處: 范德堡大學 橢圓偏光儀; J.C. Bose 大學 橢圓偏光儀

一邊旋轉試樣一邊拍攝 X光穿透影像，不切割就能以三維觀察內部的空孔、裂縫、夾雜物與纖維方向。

原理 從許多方向的穿透影像，以計算重建各點的 X光吸收（由密度與原子序決定）。

使用目的 內部缺陷 斷面組織 膜與層的厚度 密度與氣孔率

數值的參考

橫向解析度

約為試樣粗細的 1/1000〜1/2000（試樣越小越細。mm 級的試樣可達 µm 級，也有 0.1 µm 的設備例子）

深度解析度、資訊深度

與橫向相同（三維像素）

偵測極限

—（密度差小時難以分辨）

分析深度、體積

整個試樣（數 mm〜數十 cm。到 X光能穿透的厚度為止）

可量測的元素

無法得知（只有吸收的差異）

定量精度

孔隙率與缺陷的體積會隨影像閾值的設定方式而變

試樣與工夫

大小

粉末壓塊〜大型零件（越大解析度越低）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要

時間

中等 拍攝與重建需數小時〜1 天

費用

中等 （設備有限）

常見陷阱

• 解析度由試樣大小決定。大型零件直接拍攝時拍不到細微的裂縫，必要時要切取成小塊
• 把射束硬化（邊緣亮、中心暗）等假影誤認為密度的差異
• 閉合的裂縫，或密度相近的相彼此之間難以分辨

搭配使用的方法 RT · UT · SEM

出處: SERC（卡爾頓學院）; EAG 方法一覽表

在 SEM、TEM 電子束照射的點、線、面上，短時間內一次調查有哪些元素、各有多少。適合觀察元素的分布。

原理 以電子束擊出原子內殼層的電子，用半導體偵測器依能量區分並計數射出的特性 X光。

使用目的 局部組成與元素分布 平均組成 析出物 膜與層的厚度 深度方向的組成

數值的參考

橫向解析度

SEM 中為 1〜數 µm（由電子擴散的體積決定）。TEM 的薄試樣為數 nm

深度解析度、資訊深度

SEM 中為 1〜數 µm

偵測極限

0.1〜0.5 wt%（條件良好時有 0.02〜0.05 wt% 的報告）

分析深度、體積

µm 級的體積

可量測的元素

Be〜U（Be〜F 即使能偵測也難以定量。H、He、Li 無法量測）

定量精度

在平整的研磨面上與標準試樣比較時，主成分為相對數 %。不使用標準的計算誤差大，屬半定量

試樣與工夫

大小

能放進 SEM 樣品室的大小

導電性

絕緣體需鍍碳等導電膜，或使用低真空（低真空時為半定量）

真空

通常為真空

是否破壞

非破壞 可直接量測表面（定量需研磨面。深度方向或層的厚度需切出斷面量測）

準備與工夫

一般 定性時幾乎不需要。定量需平整的研磨面

時間

短 點分析數秒〜數分鐘，分布圖數十分鐘〜數小時

費用

便宜 多半附在 SEM 上，便宜

常見陷阱

• 相信 C、N、O 的定量值。輕元素的 X光容易被吸收，峰形也會隨化合物而變。鍍碳的試樣無法量測 C，O 也常是以計算得出
• 因峰重疊（S、Mo、Pb 在 2.3 keV 附近，Ti 與 Ba，Ti 與 V），把不存在的元素判讀為「有」
• 以點量測小於 1〜2 µm 的顆粒或薄層時，周圍或底材的元素也會一起出現
• 在凹凸不平的破斷面或直接量測粉末時，定量值會不準（定量要在平整的研磨面上）

搭配使用的方法 WDS/EPMA · SEM · XPS（ESCA）

標準 ISO 22309（以 EDS 定量分析 Na 以上的元素）

名詞 EDS（能量散布式X光能譜法）

出處: MyScope EDS; Newbury & Ritchie 2013; Microscopy Australia TechFi; Oxford Instruments（EDS 與 WDS）

光譜解析度比 EDS 高約 10 倍，可與標準試樣比較，精確定量約 100 ppm 的微量元素或峰重疊的元素。也用於滲碳層 C 分布等的線分析。

原理 以分光晶體使特性 X光產生布拉格反射，逐波長計數。一台分光器一次只能量測一個波長。

使用目的 局部組成與元素分布 平均組成 微量元素與雜質 析出物 膜與層的厚度 深度方向的組成

數值的參考

橫向解析度

1〜數 µm（由電子的擴散決定）

深度解析度、資訊深度

1〜數 µm

偵測極限

100〜300 ppm（條件良好時數 ppm）

分析深度、體積

µm 級的體積

可量測的元素

Be（依設備為 B）〜U。H、He、Li 無法量測。Be〜O 的誤差較大

定量精度

主成分（超過 1 wt%）為相對 0.5〜1.5%（必須使用標準試樣）

試樣與工夫

大小

數百 µm〜約 50 mm 的平坦試樣（設施的例子）

導電性

絕緣體需鍍碳膜

真空

必須

是否破壞

切取、研磨 需要研磨平整的面

準備與工夫

一般 研磨成平整的鏡面，並鍍上碳膜

時間

中等 每點數分鐘。量測的元素多時會變長

費用

中等 （設備有限）

常見陷阱

• 沒有標準試樣就得不到精度。要以組成相近的標準校正
• 無法得知 Fe²⁺ 與 Fe³⁺ 這類價數
• 需依序移動分光器量測，元素多時很費時。先用 EDS 縮小元素範圍

搭配使用的方法 EDS（EDX） · XRF · XPS（ESCA）

標準 ISO 3887（鋼的脫碳層深度測定方法）

計算工具 擴散與表面處理模擬器公式集 誤差函數解（滲碳、擴散偶）

名詞 滲碳

出處: SERC（卡爾頓學院）; 亞利桑那大學 EPMA; Oxford Instruments（EDS 與 WDS）; ISO 3887

從照射 X光後射出的螢光 X光，在不破壞的情況下短時間內一次調查 Na〜U 的元素。用於合金判別、鍍層的成分與厚度，以及粉末或液體的組成。

原理 以一次 X光擊出內殼層的電子，將電子回填時射出的元素固有螢光 X光，依能量（ED）或波長（WD）區分。

使用目的 平均組成 微量元素與雜質 膜與層的厚度 局部組成與元素分布

數值的參考

橫向解析度

通常為 mm 級面積的平均（微區設備為數十 µm）

深度解析度、資訊深度

數 µm〜數 mm（隨元素 X光的能量與母材而大幅改變）

偵測極限

約 ppm（依設備與元素而定。輕元素較差）

分析深度、體積

照射面積 × 資訊深度

可量測的元素

通常為 Na〜U。WDXRF 使用多層膜分光晶體也能量測 Be〜O（含 C、N、O），但比 Na 輕的元素靈敏度與精度會下降（H、Li 無法量測。攜帶型無法量測比 Mg 輕的元素）

定量精度

以組成相近的標準試樣校正即可準確。不使用標準的 FP 法簡便，但依母材不同誤差可能很大

試樣與工夫

大小

粉末、液體〜大型零件（大型零件用攜帶型在現場量測）

導電性

不需要

真空

不需要（輕元素在真空或氦氣中量測靈敏度較高）

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要 可直接量測。若要提高精度，將粉末製成玻璃熔珠或壓錠

時間

短 數分鐘

費用

便宜

常見陷阱

• 把表面鍍層、氧化膜、塗裝或汙垢的組成，誤認為母材的組成。資訊深度依元素不同，從數 µm 到數 mm 不等
• 強度會因母材的差異（基質效應）而改變，不以組成相近的標準校正，數值就不準
• 輕元素（比 Na 輕）即使用 WDXRF 靈敏度與精度也會下降，ED 與攜帶型則無法量測。鋼中的 C 用燃燒法等量測

搭配使用的方法 ICP-OES/ICP-MS · EDS（EDX） · GD-OES

標準 ISO 3497（以 X光光譜法量測金屬鍍層厚度）

出處: SERC（卡爾頓學院）; HORIBA XRF; Evident 攜帶型 XRF; EAG 方法一覽表; Rigaku 多層膜分光晶體

將以酸溶解試樣後的溶液導入高溫電漿，定量約 70 種元素。在固體中 ICP-OES 可達 ppm、ICP-MS 可達 ppb 的等級。是平均組成與微量雜質的標準方法。

原理 以高溫的氬電漿使原子激發與游離，依發光波長（OES）或離子質量（MS）區分元素並計數。

使用目的 平均組成 微量元素與雜質

數值的參考

橫向解析度

—（溶解試樣整體的平均）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

固體中 ICP-OES 約 1 ppm、ICP-MS 約 10 ppb（溶液中的極限乘上溶解與稀釋的倍率所得的值。有干擾時會差 1 個數量級以上）

分析深度、體積

溶解量的全體（設施的例子為固體 1 g 以上）

可量測的元素

約 70 種元素。ICP-OES 無法量測 C、N、O、鹵素、惰性氣體與 H（設施的例子）

定量精度

不確定度 5% 以下（偵測極限附近為 20% 以下）的例子

試樣與工夫

大小

粉末、切屑、小片（大型零件需切取）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 需溶解，試樣會消耗掉

準備與工夫

費工 以酸完全溶解（難溶的以氫氟酸或熔融處理）。費工

時間

中等 溶解需數小時〜1 天，委外需數週〜1 個月

費用

中等 （也多委外）

常見陷阱

• 因溶解殘渣或揮發而損失元素。前提是要完全溶解
• 光譜重疊（OES）或多原子離子（MS）的干擾，會出現不存在的元素或使數值偏高
• 把溶液中的偵測極限直接當成固體中的值（要乘上溶解與稀釋的倍率）
• 無法得知各位置的分布（偏析、表面的層）

搭配使用的方法 XRF · 燃燒法、惰性氣體熔融法（C、S、O、N、H） · GD-OES

出處: PSI ICP-OES; EAG ICP; EAG 方法一覽表

快速定量金屬中的 C、S（燃燒法）與 O、N、H（惰性氣體熔融法），可達 ppm 的等級。用於鋼的碳含量、鈦的氧與氫、焊道金屬的氫等。

原理 燃燒法是在氧氣中燃燒試樣，以紅外線吸收量測產生的 CO₂、SO₂。惰性氣體熔融法是在石墨坩堝中熔化試樣，以紅外線吸收或熱導度量測產生的 CO（來自 O）、N₂、H₂。

使用目的 平均組成 微量元素與雜質

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體的平均）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

約 0.1 ppm 起（依元素與設備而定）

分析深度、體積

燃燒、熔化的試樣全體

可量測的元素

只有 C、S、O、N、H

定量精度

以標準物質校正後量測

試樣與工夫

大小

切屑、小片（大型零件需切取）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 需燃燒、熔化，試樣會消耗掉

準備與工夫

一般 切成規定大小的小片，並去除表面汙垢

時間

短 每個試樣數分鐘

費用

中等 （設備有限，但分析快速）

常見陷阱

• 擴散性氫在室溫下也會很快逸出。焊道金屬從取樣到量測的時間越長，數值越低（有報告指出放入液態氮前 20 秒與 300 秒相差約 2 成），因此要冷卻保存
• 全部的氫（熔融法）與加熱時釋出的擴散性氫是不同的量。要寫明量測的是哪一種
• 無法得知各位置的分布（偏析、脫碳層、滲碳層）。要以斷面的 EPMA、GD-OES 或硬度分布觀察

搭配使用的方法 Spark OES · ICP-OES/ICP-MS · GD-OES

標準 ASTM E1019（鋼、鐵、Ni 合金、Co 合金中的 C、S、N、O） / ASTM E1447（Ti、Zr 等活性金屬中的 H） / ISO 3690（焊道金屬中的擴散性氫）

破損分析 氫脆

出處: ASTM E1019; ASTM E1447; Klett 等 2020; EAG 方法一覽表

在金屬試樣與電極之間產生火花，從射出的光同時求出含 C、N、P、S、B 在內多種元素的含量。用於鋼、鑄件與非鐵金屬的成分管理。

原理 在氬氣中產生火花放電，使試樣表面蒸發並激發，量測各元素發射譜線的強度。C、N、P、S 等的光位於會被空氣吸收的真空紫外區，因此分光器要抽真空。

使用目的 平均組成 微量元素與雜質

數值的參考

橫向解析度

—（放電痕範圍的平均）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

依元素可低於 10 ppm（B、Pb 等低於 10 ppm，Zn 低於 1 ppm 的設備例子）

分析深度、體積

放電痕的範圍 × 表面的層

可量測的元素

金屬中的多種元素（含 C、N、P、S、B）。N 需使用對應的設備。O、H 用氣體分析（也有能量測銅中 O、Ti 合金中 H 的設備例子）

定量精度

以組成相近的標準試樣校正（標準試樣也以相同方式研削）

試樣與工夫

大小

可研削平整的金屬塊（能蓋住放電台開口的大小）

導電性

只限導電的金屬（試樣本身就是電極）

真空

不需要（試樣在氬氣中。分光器為真空）

是否破壞

切取、研磨 會留下放電痕。需研削表面

準備與工夫

一般 研削表面使其平整，並保持清潔。在沒有縮孔或凹陷的位置放電

時間

短 單次量測很短

費用

便宜

常見陷阱

• 在有縮孔或凹陷的位置放電時，放電的型態會改變而使數值失準。要研削健全的部位來量測
• 觸摸或弄髒研削後的面會改變數值。研削後要保持表面清潔
• 若不以與標準試樣相同的方法研削，校正會對不上

搭配使用的方法 燃燒法、惰性氣體熔融法（C、S、O、N、H） · XRF · ICP-OES/ICP-MS

標準 ASTM E415（碳鋼、低合金鋼的火花放電發射光譜分析）

出處: ASTM E415; Hitachi High-Tech OES

一邊以輝光放電削去表面一邊量測發光，在短時間內以含 H 在內的幾乎所有元素，求出從表面 nm 到約 100 µm 的深度方向組成（鍍層、氮化層、氧化膜、塗膜）。

原理 以試樣為陰極的氬氣輝光放電濺射出表面的原子，將其在電漿中的發光分光，依元素隨時間（= 深度）記錄。

使用目的 深度方向的組成 膜與層的厚度 平均組成 微量元素與雜質

數值的參考

橫向解析度

—（直徑數 mm 圓形範圍的平均。無法觀察各位置的分布）

深度解析度、資訊深度

約為深度的 10%（厚度超過 10 nm 的層）

偵測極限

1〜100 ppm（依元素與母材而定）

分析深度、體積

被削去的圓形範圍 × 深度（nm〜約 100 µm，也有超過 150 µm 的例子）

可量測的元素

含 H、C、N、O 在內的幾乎所有元素

定量精度

以標準試樣校正（可使用不依母材的校正）

試樣與工夫

大小

有直徑大於 4 mm 平坦面的小片〜板

導電性

不需要（絕緣體使用射頻放電）

真空

不需要高真空，但試樣表面會暴露在低壓的氬氣中

是否破壞

切取、研磨 會留下削去的痕跡（凹坑）

準備與工夫

幾乎不需要 有平坦的面就可直接量測

時間

短 單次量測數分鐘

費用

中等 （設備有限）

常見陷阱

• 深度解析度約為深度的 10%，因此越深的界面看起來越平緩。不要把界面的寬度誤認為擴散的寬度
• 橫向會被平均。島狀的局部析出或不均勻的層看不到（前提是層在橫向均勻）
• 從時間換算成深度，要以削去的速度（依材料而異）與實測的凹坑深度來決定

搭配使用的方法 XPS（ESCA） · SIMS · ICP-OES/ICP-MS

標準 ISO 3887（鋼的脫碳層深度測定方法）

計算工具 擴散與表面處理模擬器公式集 誤差函數解（滲碳、擴散偶） 擴散距離與溫度、時間的換算

名詞 氮化處理 滲碳

出處: IFW 德勒斯登 GD-OES; HORIBA GD-OES; ISO 3887

以一定的速率加熱試樣，依溫度量測釋出的氫量。用於調查鋼中的氫含量，以及氫被捕捉在什麼樣的位置（陷阱）。

原理 加熱試樣並量測釋出的氫。有在真空中以質譜儀量測的方式（TDS），與以氬氣為載氣、用氣相層析儀量測的方式（TDA）。改變加熱速率時釋放峰的溫度會偏移，從偏移量求出陷阱捕捉氫的強度（結合能）。

使用目的 平均組成

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

有可在鋼中量測約 1 wt ppm（約 50 原子 ppm）的設備例子

分析深度、體積

試樣整體

可量測的元素

氫

定量精度

從依溫度的釋放曲線（峰），區分被捕捉方式不同的氫

試樣與工夫

大小

小片（需切取）

導電性

不需要

真空

依方式而定（TDS 在真空中。氣相層析儀的 TDA 在通氬氣的爐中）

是否破壞

切取、研磨 需切取。加熱會使氫逸出

準備與工夫

費工 充氫後的試樣，在量測前要以液態氮冷卻，使氫不會逸出

時間

中等 （緩慢加熱時會變長）

費用

中等 （設備有限）

常見陷阱

• 表面附著的水也會變成氫的峰（有報告指出只暴露在大氣中約 1 分鐘，就在約 350 ℃ 出現峰）。要事先決定試樣的處理方式
• 擴散性氫在室溫下也會逸出。從充氫到量測之間要冷卻保存
• 薄切的試樣，峰的溫度會隨表面的加工與狀態而改變（也有切取使氫量減少的報告）

搭配使用的方法 燃燒法、惰性氣體熔融法（C、S、O、N、H） · SIMS · SEM

破損分析 氫脆

出處: Tapia-Bastidas 等（TDS）; 日本產業技術總合研究所 HYDROGENIUS（TDS）; Enomoto、Hirakami 2015（ISIJ Int.）

調查表面數 nm 內的元素及其化學狀態（是金屬還是氧化物、與什麼結合）。是追查鈍態膜、汙染與鍍層附著不良原因的標準方法。

原理 從受 X光激發而射出的光電子動能求出結合能。結合能由元素決定，並隨化學狀態稍微偏移（化學位移）。

使用目的 化學狀態（氧化數、鍵結） 深度方向的組成 膜與層的厚度 有機物、高分子與汙染的鑑定

數值的參考

橫向解析度

10 µm〜2 mm（依設備而定。最小分析區域約 30 µm〜100 µm 的例子）

深度解析度、資訊深度

表面 1〜10 nm

偵測極限

約 0.1 at%（0.1〜1 at%）

分析深度、體積

邊長數十 µm〜mm × 數 nm

可量測的元素

Li〜U（H、He 無法量測）

定量精度

多為使用靈敏度因子的半定量。以離子削切的深度分析，可能因削切而改變化學狀態

試樣與工夫

大小

能放進設備的小片（也有可放晶圓的設備）

導電性

不需要（絕緣體也能量測）

真空

必須（能耐超高真空的試樣）

是否破壞

非破壞 表面分析不破壞。深度分析需削切

準備與工夫

幾乎不需要 （不要觸摸或弄髒表面）

時間

中等 每個試樣數小時

費用

中等 （設備有限）

常見陷阱

• 只看最表面的數 nm，容易把在大氣中附著的碳汙染或自然氧化膜，誤認為材料本身的組成
• 以離子削切進行深度分析時，削切會改變化學狀態（還原等）。不要過度相信深處的狀態
• 看不到少於 0.1 at% 的元素

搭配使用的方法 AES · SIMS · GD-OES

名詞 XPS（X光光電子能譜法） 鈍態

出處: EAG XPS; VUB SURF XPS

以聚焦到 10〜20 nm 的電子束選定位置，調查表面數 nm 內的元素。用於微小異物、晶界偏析與薄膜的深度方向組成。

原理 以受電子束激發的原子所射出的歐傑電子能量來辨別元素。歐傑電子只能從表面數 nm 內逸出。

使用目的 深度方向的組成 局部組成與元素分布 析出物

數值的參考

橫向解析度

10 nm 以上（可聚焦到 10〜20 nm）

深度解析度、資訊深度

表面 3〜10 nm，深度分析時為 2〜20 nm

偵測極限

0.1〜5 at%（依元素與設備而定）

分析深度、體積

約 10 nm 的點 × 數 nm

可量測的元素

H、He 以外

定量精度

以靈敏度因子進行半定量（與已知組成的試樣比較可提高精度）

試樣與工夫

大小

能放進設備的小片（也有可放 300 mm 晶圓的設備）

導電性

絕緣體會帶電而難以量測

真空

必須

是否破壞

非破壞 表面分析不破壞。深度分析需削切

準備與工夫

幾乎不需要

時間

中等 每個試樣數小時

費用

中等 （設備有限）

常見陷阱

• 絕緣體容易帶電而難以量測（絕緣體表面的化學狀態用 XPS）
• 化學狀態的資訊少（想知道狀態就用 XPS）
• 看不到少於 0.1〜1 at% 的元素

搭配使用的方法 XPS（ESCA） · SEM · SIMS

出處: EAG AES; KIT KNMFi AES

一邊以離子削切表面，一邊量測射出的二次離子質量，求出摻雜物與雜質在深度方向上的分布，可達 ppm 以下（10¹⁰〜10¹⁶ atoms/cm³）。

原理 以一次離子（O₂⁺、Cs⁺ 等）削切試樣，用質譜儀依同位素計數被濺射出的離子。

使用目的 深度方向的組成 微量元素與雜質 局部組成與元素分布

數值的參考

橫向解析度

深度分析為 10 µm 以上的範圍，影像約 1 µm

深度解析度、資訊深度

約 0.5 nm 起（數 Å〜）

偵測極限

10¹⁰〜10¹⁶ atoms/cm³（ppm 以下）

分析深度、體積

邊長 µm〜數百 µm × 深度（數 Å〜數十 µm）

可量測的元素

H〜U 與同位素（H 會以樣品室中的水與碳氫化合物為背景，需以超高真空與冷阱抑制）

定量精度

沒有標準試樣（離子佈植的試樣等）就無法換算成濃度

試樣與工夫

大小

能放進設備的小片

導電性

絕緣體表面會帶電，需照射電子束中和帶電（依設備而定）

真空

必須（能耐真空的固體）

是否破壞

切取、研磨 會留下削出的凹坑（破壞性分析）

準備與工夫

幾乎不需要

時間

中等 每個試樣數小時

費用

高 （多委外）

常見陷阱

• 沒有標準試樣就無法換算成濃度。要以相同母材的標準（離子佈植的試樣等）校正
• 會留下削出的凹坑，屬破壞性分析。量測過的位置無法再使用
• 沒有化學鍵結的資訊（鍵結用 XPS）

搭配使用的方法 XPS（ESCA） · APT · GD-OES

公式集 由表面一定量的擴散（高斯分布） 誤差函數解（滲碳、擴散偶）

名詞 SIMS（二次離子質譜法）

出處: EAG SIMS; CAMECA 絕緣膜的 SIMS; CAMECA SIMS 的氫

以電場使原子從針狀試樣一個一個蒸發，以三維重建哪個原子原本在哪裡。用於 nm 級析出物、團簇與晶界偏析的組成。

原理 對冷卻到 25〜80 K 的針施加高電壓，以電壓或雷射脈衝使表面原子離子化並飛出，以飛行時間決定質量，以偵測器上的位置決定原本的位置。

使用目的 析出物 局部組成與元素分布 微量元素與雜質

數值的參考

橫向解析度

金屬中橫向 0.5 nm、深度 0.3 nm（半導體、絕緣體約 1 nm）

深度解析度、資訊深度

0.3 nm

偵測極限

約 10 ppm

分析深度、體積

約 50 nm × 50 nm × 深度 100〜500 nm

可量測的元素

H〜U（分析室殘留氣體中的 H 會成為背景，有時以導入氘來區分）

定量精度

質量峰重疊的元素精度會下降

試樣與工夫

大小

尖端半徑小於 100 nm 的針（以 FIB 等製作）

導電性

導體用電壓脈衝，半導體、絕緣體用雷射脈衝

真空

必須（極低溫、超高真空）

是否破壞

切取、研磨 需製作針狀試樣，該部分會被破壞

準備與工夫

費工 以 FIB 等製作針狀試樣（每支數小時）。需要熟練

時間

長 含試樣製作數天〜數週

費用

高 （設備很少）

常見陷阱

• 觀察的體積非常小（50 nm × 50 nm × 數百 nm）。要先以 TEM 或 SEM 決定目標位置再製作針狀試樣
• 針可能在強電場中途斷裂而無法量測（依材料而定）
• 在界面或形狀複雜的位置，位置與組成的精度會下降

搭配使用的方法 TEM/STEM · FIB · SIMS

組織圖譜 析出物（沿晶界排列的析出與晶粒內的顆粒）

名詞 析出硬化

出處: EAG APT; Khanchandani 等（APT 的氫）

直接以粉末、板材或薄膜的狀態，在短時間內鑑定結晶相，並調查晶格常數、微晶尺寸、應變與結晶度。

原理 照射 X光，將滿足布拉格條件（2d sinθ = λ）的角度上出現的繞射線位置與強度，與資料庫（ICDD）的圖譜比對。

使用目的 相的鑑定與晶體結構 晶粒大小與方位、織構 析出物

數值的參考

橫向解析度

通常為 0.1〜數 mm 面積的平均（微區設備為 20〜25 µm）

深度解析度、資訊深度

X光（Cu Kα）強度變為 1/e 的深度，鐵中約 4 µm、Al 中約 70 µm、聚乙烯中約 3 mm（由 NIST 的衰減係數計算）。掠角入射可從數 nm 起

偵測極限

其他相中的少量相約從 1% 起

分析深度、體積

照射面積 × X光穿入的深度（依材料而有很大差異）

可量測的元素

不直接量測元素（以結晶相來看）

定量精度

相的比例是參考值（會漏看少於約 1% 的相）

試樣與工夫

大小

不到 mg 的粉末〜板材、零件（能放上載台的大小）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要 （粉末要平整地填充）

時間

短 每個試樣數分鐘〜1 小時

費用

便宜 （校內多半有設備）

常見陷阱

• 把謝樂公式的「微晶尺寸」誤認為粒徑（晶粒或顆粒的大小）。一個顆粒可能由許多微晶組成。超過 100 nm 就不可靠，且需要修正儀器造成的寬化，並與應變造成的寬化分離
• 非晶相不會出現峰，因此無法鑑定
• 會漏看少於 1% 的相
• 粉末的填充方式或軋延板的織構會改變強度比，有時會與資料庫對不上

搭配使用的方法 XRD（sin²ψ 法、極圖） · SAED/CBED · TEM/STEM

計算工具 XRD解析工作台 XRD解析工作台公式集 布拉格定律 晶面間距（立方晶） 謝樂公式 Williamson–Hall 公式 Vegard定律

名詞 XRD（X光繞射） 布拉格定律 謝樂公式 消光規則

出處: EAG XRD; Rigaku 微晶尺寸; NIST X光衰減係數

一邊傾斜試樣一邊量測繞射線位置（晶面間距）的變化，求出表面附近的殘留應力；一邊改變方向一邊量測繞射強度，求出織構（極圖）。

原理 sin²ψ 法是改變傾角 ψ 量測晶面間距 d，由 d 對 sin²ψ 直線的斜率與所測晶面的彈性常數求出應力。

使用目的 殘留應力 晶粒大小與方位、織構

數值的參考

橫向解析度

照射面積（0.1〜數 mm）的平均

深度解析度、資訊深度

表面起數〜數十 µm 的平均（多數材料為 5〜50 µm。鋼使用 Cr Kα）。較深處以電解拋光去除表層後量測

偵測極限

—

分析深度、體積

照射面積 × 數〜數十 µm

可量測的元素

—

定量精度

晶粒粗大時參與繞射的晶粒少，精度會下降（10〜100 µm 的晶粒容易量測）

試樣與工夫

大小

能放上載台的小片〜零件（攜帶型設備也可量測大型結構物）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 （沿深度方向量測時，以電解拋光去除表層）

準備與工夫

幾乎不需要 以收到時的表面直接量測。不研削、不研磨

時間

中等 每點數十分鐘〜數小時

費用

中等

常見陷阱

• 研削、機械加工或鋼絲刷會在表面加入應力。要以收到時的表面量測，去除表層時用電解拋光或化學溶解
• 量到的是表面起數〜數十 µm 的應力，不是內部的應力（內部用中子繞射）
• 有織構或粗大晶粒時，d 與 sin²ψ 不成直線。直接取斜率會出錯
• 彈性常數不用塊材的值，而要用所測晶面的值（X光彈性常數）

搭配使用的方法 ND · XRD · EBSD

標準 ASTM E2860（以 X光繞射量測軸承鋼的殘留應力） / ASTM E81（定量極圖的製作方法）

破損分析 疲勞 應力腐蝕破裂計算工具 XRD解析工作台公式集 繞射峰位移與晶格應變 應力、應變與虎克定律 Stoney 公式

出處: NPL GPG 52; EAG XRD

在 TEM 中選定 nm〜數百 nm 的區域，決定晶體結構、方位與方位關係。用於鑑定單一析出物的相。

原理 拍攝穿透試樣的電子的繞射圖形。選區繞射（SAED）以光圈選定區域，收斂束電子繞射（CBED）則從聚焦得很細的電子束照射的點取得圖形。

使用目的 相的鑑定與晶體結構 析出物 晶粒大小與方位、織構

數值的參考

橫向解析度

SAED 約 250 nm（由光圈決定），CBED 為數 nm

深度解析度、資訊深度

整個試樣厚度（小於 100 nm）

偵測極限

—

分析深度、體積

薄片中的小區域

可量測的元素

—（組成用 EDS、EELS 測）

定量精度

晶面間距的精度通常為 1〜3%（仔細校正可達 0.1%），不如 XRD

試樣與工夫

大小

TEM 薄片

導電性

不特別需要（需要的是薄化）

真空

必須

是否破壞

切取、研磨 需製作薄片，會被破壞

準備與工夫

費工 與 TEM 相同（製作薄片）

時間

長 含試樣製作數天〜數週

費用

高 （多委外）

常見陷阱

• 晶面間距的精度約 1〜3%。晶格常數的精確值用 XRD 測
• 相機長度（隨試樣高度而變）的誤差會使 d 偏移。要以標準試樣校正
• 選定的區域很小，因此無法得知整個試樣中各相的比例

搭配使用的方法 TEM/STEM · XRD · EBSD

公式集 結構因子與繞射強度 晶面間距（立方晶）

名詞 消光規則

出處: 杜伊斯堡-埃森大學 ICAN; Czigány & Kis 2023

利用中子能深入金屬內部的特性，調查零件內部的殘留應力分布、含 H、Li 等輕元素的晶體結構，以及磁結構。

原理 量測被原子核散射的中子的繞射。散射強度不依原子序的順序，因此能分辨 X光難以看見的輕元素，以及同一元素的同位素。

使用目的 殘留應力 相的鑑定與晶體結構 晶粒大小與方位、織構

數值的參考

橫向解析度

量測體積（量規體積）約 1〜10 mm³

深度解析度、資訊深度

相同（mm 級）

偵測極限

—

分析深度、體積

鋼中約 60 mm、Al 中約 100 mm 的路徑長（合計穿透長度）

可量測的元素

輕元素（H）與同位素也容易分辨

定量精度

應力精度在 Al 中約 10 MPa、鋼中約 30 MPa 的例子

試樣與工夫

大小

小片〜大型零件

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 （有時需切取無應力的參考試樣）

準備與工夫

幾乎不需要 準備無應力的參考試樣（d₀）

時間

長 從申請設施使用起需數個月，量測數天

費用

高 （使用核反應器或加速器設施）

常見陷阱

• 需要無應力的參考試樣（d₀），其準備方式會使結果大幅改變
• 只能在大型設施（核反應器、加速器）量測，從申請到量測很費時
• 非常靠近表面的部分（數十 µm）因量規體積大而難以量測（表面用 XRD）

搭配使用的方法 XRD（sin²ψ 法、極圖） · CT

標準 ISO 21432（以中子繞射量測殘留應力）

破損分析 疲勞

出處: NIST NCNR; Veqter 中子繞射

以一定的速率加熱或冷卻，量測熔化、結晶化、玻璃轉移、析出與相變態的溫度與熱量。用於高分子的玻璃轉移溫度、結晶度與合金的變態溫度。

原理 DTA 記錄試樣與參考物的溫度差，DSC 記錄流入試樣與參考物的熱流差。DSC 經校正後可從峰面積求出熱量。

使用目的 轉移溫度與反應 有機物、高分子與汙染的鑑定 析出物

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

DSC 的靈敏度比 DTA 好，玻璃轉移這類微弱的變化也容易看出

分析深度、體積

少量試樣的整體

可量測的元素

—

定量精度

熱量的定量用 DSC。DTA 適合高溫（超過 800 ℃），主要用來得知溫度

試樣與工夫

大小

能放進容器的少量小片、粉末（大的需切取）

導電性

不需要

真空

不需要（多半通入惰性氣體）

是否破壞

破壞、溶解 需切取小片，且會因加熱而改變

準備與工夫

一般 切成小片放進容器

時間

短 每次 1〜數小時

費用

便宜 （校內多半有設備）

常見陷阱

• 轉移溫度會隨加熱速率而偏移。要比較的試樣以相同速率量測，想準確得知時就放慢速率
• 與分解或蒸發重疊時熱量會出錯（在試樣質量不變的範圍內使用）
• 金屬固態中的變態有時熱量很小而被漏看（搭配熱膨脹儀）

搭配使用的方法 TGA · 熱膨脹儀 · DMA

計算工具 鋼的熱處理實驗室

名詞 玻璃轉移溫度 結晶度 析出硬化

出處: EAG DSC; Bhadeshia（劍橋大學）; Labcompare（DSC 與 DTA）

一邊升溫一邊量測試樣重量的變化，調查水分、揮發分、分解溫度、填充材（填料）的含量，以及氧化造成的增重。

原理 將放在天平上的試樣以爐加熱，在惰性氣體或氧化性氣體中記錄質量。

使用目的 分解、水分與填充材含量（加熱時的重量變化） 轉移溫度與反應 有機物、高分子與汙染的鑑定

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

不到 µg 的重量變化（設備的例子。試樣約 1〜150 mg）

分析深度、體積

試樣整體（最大約 1 g 的例子）

可量測的元素

—

定量精度

秤重精度 ±0.01% 的例子

試樣與工夫

大小

能放進容器的小片、粉末

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 需切取小片，且會因加熱而改變

準備與工夫

一般 切成小片放進容器

時間

短 每次 1〜數小時

費用

便宜

常見陷阱

• 無法得知失去的是什麼。釋出的氣體用 TGA-MS 或 TGA-FTIR 調查
• 結果會隨氣氛（惰性氣體或空氣）而變，氧化造成的增重與分解造成的減重有時會重疊

搭配使用的方法 DSC/DTA · FT-IR

公式集 氧化速率（拋物線定律、直線定律）

名詞 氧化拋物線定律

出處: EAG TGA; 威斯康辛大學 WCNT TGA

一邊改變溫度一邊量測試樣長度的變化，調查熱膨脹係數，以及鋼的變態溫度（Ac₁、Ac₃、Ms 等）與燒結的收縮。

原理 以推桿將棒狀試樣的伸長傳到爐外的位移計來量測。相變態時體積會改變，因此伸長曲線會出現轉折。

使用目的 轉移溫度與反應 熱膨脹與熱傳導

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

棒狀試樣的整體

可量測的元素

—

定量精度

變態的溫度與量，要結合伸長曲線與組織觀察來決定

試樣與工夫

大小

數 mm〜數 cm 的棒（以切削加工製作）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

切取、研磨 需切削出試片

準備與工夫

一般 加工成規定形狀的棒

時間

中等 每次數小時（依加熱與冷卻條件而定）

費用

中等

常見陷阱

• 變態溫度會隨加熱、冷卻速率而變（連續冷卻與恆溫保持也不同）。要寫明條件再比較
• 不要只靠伸長曲線的轉折決定相。要觀察組織確認
• 軋延材或複合材料的膨脹係數依方向而異。要寫明試片是沿哪個方向取的

搭配使用的方法 DSC/DTA · OM · LFA

標準 ASTM E228（以推桿式熱膨脹儀量測線膨脹） / ASTM A1033（亞共析碳鋼、低合金鋼的變態量測）

計算工具 熱膨脹與熱應力實驗室 鋼的熱處理實驗室公式集 熱膨脹

名詞 線膨脹係數 麻田散鐵

出處: ASTM A1033

以脈衝光瞬間加熱薄圓板的正面，從背面溫度上升的速度求出熱擴散率，再乘上比熱與密度求出熱導率。

原理 以紅外線偵測器記錄背面的溫度上升，由厚度與溫升達到最大值固定比例的時間計算熱擴散率。

使用目的 熱膨脹與熱傳導

數值的參考

橫向解析度

—（整片圓板厚度方向的值）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

整片圓板

可量測的元素

—

定量精度

熱導率是熱擴散率乘上比熱與密度而得，因此也包含這些值的誤差

試樣與工夫

大小

可加工成圓板的小片

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

切取、研磨 需加工成圓板

準備與工夫

一般 加工成圓板，多半會塗上石墨

時間

中等 每個溫度數分鐘，改變溫度時需數小時

費用

中等

常見陷阱

• 半透明的材料（高分子、玻璃）或有光澤的金屬，不塗石墨就無法正確量測。塗太厚時，導熱良好的 Cu、Al 數值會降低（約 5 µm 的膜降低 4% 的例子）
• 前提是均質、等向且不透明的試樣。層狀或異向性的材料，要考慮方向與結構來解析
• 熱導率 = 熱擴散率 × 比熱 × 密度，因此比熱與密度值的誤差也會直接帶入

搭配使用的方法 熱膨脹儀 · DSC/DTA

標準 ASTM E1461（以閃光法量測熱擴散率）

公式集 熱擴散率 熱傳導（傅立葉定律）

名詞 熱擴散率

出處: ASTM E1461; NETZSCH AN 066

一邊對試樣施加小幅的振動變形一邊改變溫度，量測儲存模數、損失模數與 tan δ。能比 DSC 更靈敏地捕捉高分子的玻璃轉移。

原理 從振動的力與變形的相位差，分離出彈性成分（E′）與黏性成分（E″）。以 E′ 開始下降處、E″ 的峰或 tan δ 的峰其中之一作為 Tg。

使用目的 轉移溫度與反應

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—（DSC 難以看出的轉移也容易看出）

分析深度、體積

試樣整體

可量測的元素

—

定量精度

Tg 的值依定義（E′ 開始下降處＜E″ 的峰＜tan δ 的峰）與振動頻率而不同。比較時要統一定義與頻率

試樣與工夫

大小

棒狀、條狀的試樣（以夾具夾住）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

切取、研磨 需切取試樣

準備與工夫

一般 切成平整、不扭曲的棒或條

時間

中等 （緩慢加熱時會變長）

費用

中等

常見陷阱

• Tg 的值依定義（E′ 開始下降處、E″ 的峰、tan δ 的峰）而不同。要寫明使用哪一種
• 頻率越高，Tg 量得越高。要以相同頻率比較
• 厚的試樣加熱太快時，試樣溫度會跟不上。厚的試樣要緩慢加熱

搭配使用的方法 DSC/DTA · TGA · 拉伸試驗

標準 ASTM E1640（以動態機械分析決定玻璃轉移溫度）

名詞 玻璃轉移溫度 熱固性樹脂

出處: TA Instruments DMA

拉伸試片，量測楊氏模數、降伏點或 0.2% 偏位降伏強度、抗拉強度、伸長率與斷面縮率。是材料強度的基本數值。

原理 以一定的速率拉伸，記錄荷重與伸長（伸長計），畫出工程應力–工程應變曲線。

使用目的 硬度、強度與延性

數值的參考

橫向解析度

—（試片的整個平行段）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

試片的平行段

可量測的元素

—

定量精度

伸長率會隨試片形狀與標距而變，比較時要統一試片種類

試樣與工夫

大小

能切削出標準規定形狀試片的大小（也有小型試片）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 會使其斷裂

準備與工夫

費工 機械加工成標準規定形狀的試片

時間

中等 每支數分鐘〜數十分鐘（試片加工需數天）

費用

便宜 （校內多半有試驗機）

常見陷阱

• 把降伏點（上降伏點）與 0.2% 偏位降伏強度混為一談。沒有明顯降伏點的材料用 0.2% 偏位降伏強度
• 把頸縮後工程應力的下降解讀為材料變弱（是斷面在減小。要看真應力）
• 伸長率會隨試片形狀與標距而變。不要直接比較不同形狀試片的伸長率

搭配使用的方法 HV/HR/HBW · 沙丕衝擊試驗 · SEM

標準 JIS Z 2241（金屬材料拉伸試驗方法） / ISO 6892-1（金屬材料的室溫拉伸試驗）

破損分析 延性破壞（過負荷）公式集 應力、應變與虎克定律 真應力與真應變 延性：伸長率與斷面縮率 加工硬化公式（Hollomon）

名詞 0.2%偏位降伏強度 楊氏模數 加工硬化

出處: TWI 拉伸試驗; Princeton MAE 324 頸縮

以壓頭壓入後壓痕的大小或深度量測硬度。速度快，零件本身也能量測，用於熱處理、滲碳層與焊接部的硬度分布。

原理 維克氏由正四角錐鑽石壓痕的對角線，勃氏由球形壓痕的直徑，洛氏由圓錐或球壓入的深度求出硬度。

使用目的 硬度、強度與延性 膜與層的厚度

數值的參考

橫向解析度

由壓痕大小決定（例：200 HV 的鋼以 0.98 N 量測時對角線約 30 µm）

深度解析度、資訊深度

壓痕的深度及其周圍

偵測極限

—

分析深度、體積

壓痕周圍的小體積

可量測的元素

—

定量精度

硬度之間以及換算成抗拉強度都是近似，僅限於各材料種類的換算表

試樣與工夫

大小

小片〜零件（洛氏或攜帶型試驗機可直接量測零件）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 會留下小壓痕（攜帶型試驗機可直接量測零件）。層的硬度分布需切出斷面量測

準備與工夫

一般 微維克氏需研磨面。洛氏、勃氏需平坦的面

時間

短 每點數十秒〜數分鐘

費用

便宜

常見陷阱

• 壓痕彼此之間或與試樣邊緣的間距太近時，會因先前壓痕周圍的加工硬化或邊緣支撐不足而改變數值。要遵守標準規定的間距
• 薄的試樣或薄層會受到下方試台或底材的影響。要遵守標準規定的最小厚度，薄膜用奈米壓痕
• 硬度的換算（HV、HRC、HB）與換算成抗拉強度都是近似，只能使用材料種類與熱處理相符的換算表

搭配使用的方法 拉伸試驗 · 奈米壓痕 · OM

標準 JIS Z 2244-1（維克氏硬度試驗） / JIS Z 2245（洛氏硬度試驗） / JIS Z 2243-1（勃氏硬度試驗） / ASTM E92（維克氏硬度、努氏硬度） / ASTM E110（以攜帶型試驗機量測洛氏硬度、勃氏硬度） / ASTM E140（硬度換算表） / ISO 3887（鋼的脫碳層深度測定方法）

計算工具 擴散與表面處理模擬器

名詞 加工硬化 硬化能 滲碳 氮化處理

出處: Instron TechNotes 35; ASTM E140; ISO 3887; ASTM E110

一邊壓入到 nm〜µm 的深度，一邊連續量測荷重與深度，求出薄膜、微小的相與表面處理層的硬度與楊氏模數。

原理 從壓入與卸載時的荷重–深度曲線，求出接觸面積與卸載初期的斜率（接觸剛性），計算硬度與彈性模數。

使用目的 硬度、強度與延性

數值的參考

橫向解析度

定位小於 50 nm（壓痕之間需要 µm 級的間距）

深度解析度、資訊深度

位移雜訊小於 0.1 nm，最大約 20 µm

偵測極限

—

分析深度、體積

壓痕周圍的小體積

可量測的元素

—

定量精度

通常壓入深度要淺於膜厚的 10〜20%。但軟底材上的硬膜即使只有 5% 也會受底材影響

試樣與工夫

大小

小片〜晶圓

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

切取、研磨 會留下小壓痕

準備與工夫

一般 平坦且光滑的面（表面粗糙時數值會分散）

時間

短 每點數分鐘，分布圖需數小時

費用

中等

常見陷阱

• 膜的數值會混入底材的數值。硬膜在軟底材上時，即使壓得淺也會受底材影響
• 粗糙的面或比 10 nm 更薄的膜為半定量
• 壓痕硬度（儀器化壓痕）與維克氏硬度的定義不同。不要直接比較數值

搭配使用的方法 HV/HR/HBW · AFM · SEM

標準 ISO 14577-1（以儀器化壓痕試驗求硬度與材料參數）

名詞 楊氏模數

出處: EAG 奈米壓痕; Chen & Vlassak 2000

以擺錘一擊折斷有缺口的試片，以吸收的能量比較韌性（是否會脆性破壞）。改變溫度可調查延性–脆性轉移。

原理 從擺錘舉起的高度與折斷後擺起的高度之差，求出破壞所用的能量。

使用目的 韌性、疲勞與潛變

數值的參考

橫向解析度

—（試片整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

缺口周圍

可量測的元素

—

定量精度

同一溫度下數值也會分散，因此以數支的平均來看。數值用於與規範比較，無法換算成破壞韌性

試樣與工夫

大小

能切削出標準規定形狀試片的大小

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 會使其斷裂

準備與工夫

費工 加工成標準規定的形狀並開缺口。統一溫度

時間

中等 每支數分鐘（試片加工與溫度調整需數天）

費用

便宜

常見陷阱

• 把吸收能量當成設計用的破壞韌性值。結果是用來互相比較或對照規範的
• 只在一個溫度下比較。在轉移溫度區，溫度稍有差異數值就會大幅改變，因此要改變溫度畫出曲線
• 破斷面中結晶狀（脆性）與纖維狀（延性）的比例，以及側向膨脹量也要記錄下來

搭配使用的方法 拉伸試驗 · SEM

標準 JIS Z 2242（金屬材料的沙丕衝擊試驗） / ISO 148-1（沙丕擺錘衝擊試驗） / ASTM E23（缺口棒衝擊試驗）

破損分析 脆性破壞公式集 應力強度因子與破壞韌性

名詞 破壞韌性

出處: TWI（衝擊試驗）

施加反覆荷重並量測到斷裂為止的次數，求出 S–N 曲線與疲勞限（疲勞強度）。也有量測裂縫成長速率（da/dN）的試驗。

原理 將改變應力振幅的多支試片反覆加載，直到斷裂或達到預定的次數（中止）為止。

使用目的 韌性、疲勞與潛變

數值的參考

橫向解析度

—（試片整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

試片的平行段

可量測的元素

—

定量精度

壽命的分散很大（壽命的對數接近常態分布），因此要準備足夠的支數以統計處理

試樣與工夫

大小

足以切削出多支標準規定形狀試片的量

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 會使其斷裂

準備與工夫

費工 加工試片並修整表面

時間

長 10⁷ 次在 10 Hz 下約需 12 天。整體需數週〜數個月

費用

高 （長時間使用試驗機）

常見陷阱

• 從支數很少的資料，求出以平均值減去 2 倍標準差的「設計曲線」。支數少時標準差會被低估，偏向危險側
• 把中止（未破壞）的試片當成與斷裂相同而納入迴歸
• 破斷面上疲勞紋的間距是每一次循環裂縫前進量的參考。要搭配 SEM 觀察破斷面來判讀

搭配使用的方法 SEM · XRD（sin²ψ 法、極圖） · 拉伸試驗

標準 ASTM E466（荷重控制的定振幅軸向疲勞試驗）

破損分析 疲勞公式集 疲勞壽命公式（Basquin、Coffin–Manson） Paris定律（疲勞裂縫成長） 平均應力的影響（修正古德曼線圖） Miner法則（線性損傷法則）

名詞 疲勞限 疲勞紋 Paris定律 Miner法則 修正古德曼線圖

出處: TWI（疲勞試驗的統計）; NIMS（STAM 的介紹文章）

在高溫下持續施加一定的荷重，量測應變隨時間的變化（潛變曲線）與到斷裂為止的時間。是高溫使用構件壽命的基礎。

原理 對爐中的試片施加一定的荷重，長時間記錄伸長。將斷裂時間依溫度與應力整理（Larson-Miller參數等）。

使用目的 韌性、疲勞與潛變

數值的參考

橫向解析度

—（試片整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

試片的平行段

可量測的元素

—

定量精度

長的試驗甚至要求出在 10 萬小時（約 11 年）斷裂的應力

試樣與工夫

大小

足以切削出多支標準規定形狀試片的量

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

破壞、溶解 會使其斷裂（或長時間變形）

準備與工夫

費工 加工試片

時間

長 數百〜數萬小時

費用

高 （長時間使用爐與試驗機）

常見陷阱

• 把短時間的結果過度外插到長時間。要確認參數法的前提（機構不變），並寫明外插的範圍
• 溫度的些微差異會使斷裂時間大幅改變。要確認溫度的控制與量測

搭配使用的方法 拉伸試驗 · SEM · TEM/STEM

標準 ASTM E139（金屬材料的潛變、潛變斷裂試驗）

破損分析 潛變斷裂公式集 Larson-Miller參數 冪律潛變（穩態潛變）

名詞 潛變 冪律潛變 Larson-Miller參數 變形機構圖

出處: NIMS（STAM 的介紹文章）

從雷射散射光些微的波長偏移量測分子或晶體的振動，以 1 µm 的點調查碳的形態（鑽石、石墨、非晶質）、氧化物、高分子與半導體的應力。不需真空且不破壞。

原理 將光與分子或晶體的振動交換能量而使波長改變的散射光（拉曼散射）分光。

使用目的 有機物、高分子與汙染的鑑定 相的鑑定與晶體結構 化學狀態（氧化數、鍵結） 殘留應力

數值的參考

橫向解析度

1 µm 以上

深度解析度、資訊深度

共軛焦模式下 1〜5 µm

偵測極限

1 wt% 以上

分析深度、體積

約 1 µm 的點

可量測的元素

看的不是元素，而是鍵結與晶體的種類（金屬單質不會出現峰。氧化物與鏽可以量測）

定量精度

定量需要標準試樣

試樣與工夫

大小

顆粒〜小片

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 通常不破壞

準備與工夫

幾乎不需要

時間

短 每點數分鐘

費用

便宜

常見陷阱

• 螢光很強時，弱得多的拉曼訊號會被淹沒（改變激發波長試試）
• 沒有標準試樣就難以定量
• 看的是約 1 µm 的點。不均勻的試樣要量測多點

搭配使用的方法 FT-IR · XRD · XPS（ESCA）

名詞 石墨烯 奈米碳管

出處: EAG 拉曼; 島津 鏽的分析

從紅外線的吸收調查官能基，鑑定高分子、有機物、汙染與塗膜。用 ATR 時只要把固體壓上去，就能量測表面約 0.1〜2 µm。

原理 與分子振動相同頻率的紅外線會被吸收。以干涉儀與傅立葉轉換同時量測所有波長。

使用目的 有機物、高分子與汙染的鑑定 化學狀態（氧化數、鍵結）

數值的參考

橫向解析度

15〜50 µm（顯微 FT-IR）

深度解析度、資訊深度

ATR 約 0.1〜2 µm

偵測極限

已知成分的定量為 1〜10 wt%，未知物的鑑定為 5〜20%

分析深度、體積

照射範圍 × 穿入深度

可量測的元素

看的不是元素，而是官能基

定量精度

定量需要標準試樣與一定的厚度

試樣與工夫

大小

肉眼可見大小的異物〜小片

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 通常不破壞

準備與工夫

幾乎不需要 用 ATR 可直接量測。有時也會做成 KBr 錠片或萃取

時間

短 每個試樣數分鐘

費用

便宜

常見陷阱

• 無法量測金屬本身（看的是金屬上的汙染或膜）
• 水的吸收很強，潮濕的試樣要先乾燥
• 比 100 nm 更薄的汙染膜不易看出（最表面用 XPS）

搭配使用的方法 拉曼光譜 · TGA · XPS（ESCA）

名詞 熱固性樹脂

出處: EAG FT-IR; 因斯布魯克大學 ATR-FTIR

在溶液中改變電位並量測電流，調查腐蝕電位、腐蝕速率、鈍態範圍與孔蝕電位。以交流阻抗（EIS）追蹤皮膜或塗膜的電阻及其變化。

原理 以試樣（工作電極）、對電極與參考電極的三電極系統，用恆電位儀掃描電位。腐蝕電流由塔弗外插法，或由極化電阻與塔弗斜率（Stern–Geary 式）求得。

使用目的 耐蝕性

數值的參考

橫向解析度

—（整個電極面的平均）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

與溶液接觸的面

可量測的元素

—

定量精度

極化電阻在腐蝕電位附近的線性範圍（約 10 mV 以下）求得。數值會隨掃描速率與溶液電阻而變

試樣與工夫

大小

可限定面積露出的小片

導電性

需要導電的試樣（電極）

真空

不需要

是否破壞

切取、研磨 會使表面腐蝕

準備與工夫

一般 只露出要量測的面積，其餘部分被覆。研磨使表面一致

時間

短 每次數十分鐘〜數小時（含等待穩定的時間）

費用

便宜

常見陷阱

• 掃描太快時會混入充電電流（有 0.1 mV/s 這類慢速掃描的例子）
• 未修正溶液電阻造成的電位誤差（IR 降）
• 若不寫明電位是以哪種參考電極為準（SCE、Ag/AgCl、SHE），就無法與其他結果比較
• 結果會隨試驗溶液與溫度而變。要使用接近使用環境的條件

搭配使用的方法 SEM · XPS（ESCA） · EDS（EDX）

標準 JIS G 0577（不鏽鋼孔蝕電位的量測） / ASTM G59（以動電位極化量測極化電阻） / ASTM G61（評估局部腐蝕敏感性的循環動電位極化）

破損分析 應力腐蝕破裂公式集 腐蝕量（法拉第定律） 能斯特方程式

名詞 標準電極電位 鈍態 孔蝕 電偶腐蝕 應力腐蝕破裂

出處: Metrohm AN-COR-003

秤量乾燥試樣、含水試樣與水中試樣的重量，求出體密度與連通到外部的氣孔（開口氣孔）的比例。是燒結體緻密程度的基本數值。

原理 由含水重量與水中重量之差求出試樣的體積，由吸入的水的重量求出開口氣孔的體積。

使用目的 密度與氣孔率 內部缺陷

數值的參考

橫向解析度

—（試樣整體）

深度解析度、資訊深度

—

偵測極限

—

分析深度、體積

試樣整體

可量測的元素

—

定量精度

無法計入不與外部連通的氣孔（封閉氣孔）

試樣與工夫

大小

能以天平秤量的小片〜零件

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 （需使其含水）

準備與工夫

一般 乾燥後秤重，使其含水後秤重，再於水中秤重

時間

短 （不含乾燥與含水的時間）

費用

便宜

常見陷阱

• 無法計入封閉氣孔，因此不要只靠開口氣孔率判斷緻密程度（封閉氣孔用斷面組織或 X光 CT）
• 含水不充分時，會低估開口氣孔率
• 會與水反應或溶於水的材料無法直接使用

搭配使用的方法 CT · OM · SEM

標準 ISO 18754（精密陶瓷的密度與視氣孔率測定方法）

出處: 穆拉大學 阿基米德法; ISO 18754

射入超音波，接收來自內部缺陷（裂縫、空洞、夾雜物、焊接缺陷）的反射，得出位置與大小的參考值。也用於量測壁厚。

原理 從探頭經由耦合劑（水、油等）射入約 1〜25 MHz 的超音波，觀察缺陷或底面反射（回波）的時間與高度。

使用目的 內部缺陷 膜與層的厚度

數值的參考

橫向解析度

—（頻率越高，對小缺陷越敏感）

深度解析度、資訊深度

由反射的時間得知深度

偵測極限

—

分析深度、體積

零件厚度方向的全體

可量測的元素

—

定量精度

將回波高度與對比試塊比較，作為缺陷大小的參考

試樣與工夫

大小

小片〜大型結構物（在現場）

導電性

不需要（只要聲波能通過）

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要 整平接觸面並塗上耦合劑

時間

短 每處數分鐘起

費用

便宜

常見陷阱

• 晶粒粗大的材料（沃斯田鐵系的焊接部、鑄件等）衰減與雜訊大，不易判讀
• 不以對比試塊調整靈敏度，缺陷大小的判斷就會不準。需要熟練
• 沒有耦合劑時聲波進不去

搭配使用的方法 RT · CT · ET

標準 JIS Z 2344（金屬材料脈衝反射法超音波探傷試驗方法通則） / JIS Z 2355-1（超音波厚度量測方法）

名詞 焊接熱影響區

出處: 伊斯坦堡技術大學（非破壞檢測）; 日本非破壞檢查協會

以滲透液與顯像劑，把表面開口的裂縫或針孔變成有顏色或螢光的圖樣來找出。金屬、陶瓷、樹脂等，只要不是多孔質的材料都能使用。

原理 使滲透液滲入缺陷，去除表面多餘的部分後，以顯像劑吸出缺陷中的液體，形成圖樣（指示圖樣）。

使用目的 表面裂縫（非破壞）

數值的參考

橫向解析度

—

深度解析度、資訊深度

只有表面開口的缺陷

偵測極限

—

分析深度、體積

表面

可量測的元素

—

定量精度

圖樣的大小並不等於缺陷本身的大小（會滲開）

試樣與工夫

大小

小片〜大型零件（在現場）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞 （需塗布液體）

準備與工夫

一般 徹底洗去油、塗膜與汙垢並乾燥

時間

短 數十分鐘（含滲透與顯像的等待時間）

費用

便宜

常見陷阱

• 找不到未在表面開口的缺陷（內部、表面下方）
• 多孔質的材料整面都會殘留液體，無法使用
• 前處理的清洗不足時，油或塗膜會堵住缺陷的開口而漏看

搭配使用的方法 MT · ET · SEM

標準 JIS Z 2343-1（滲透探傷試驗一般通則）

破損分析 疲勞

出處: 伊斯坦堡技術大學（非破壞檢測）; 日本非破壞檢查協會

將鋼等強磁性體磁化，使磁粒聚集在從表面與表面正下方的裂縫漏出的磁通上來找出缺陷。對細微裂縫的靈敏度多半比滲透探傷高。

原理 缺陷處的磁通會漏到外部，磁粒（也有螢光的）聚集在該處形成圖樣。磁通與缺陷垂直時最容易看出。

使用目的 表面裂縫（非破壞） 內部缺陷

數值的參考

橫向解析度

—

深度解析度、資訊深度

表面與表面正下方

偵測極限

—

分析深度、體積

表面附近

可量測的元素

—

定量精度

以圖樣的長度作為裂縫長度的參考

試樣與工夫

大小

小片〜大型零件（在現場）

導電性

只限強磁性體（鋼、鑄鐵、Ni、Co 等）

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

一般 去除表面的汙垢與厚的塗膜

時間

短 數分鐘〜數十分鐘

費用

便宜

常見陷阱

• 無法用於非強磁性的材料（沃斯田鐵系不鏽鋼、Al、Cu 等）（改用滲透探傷或渦電流探傷）
• 與磁通平行的裂縫不易看出。要改變磁化方向，以兩個方向調查

搭配使用的方法 PT · ET · UT

標準 JIS Z 2320-1（磁粒探傷試驗一般通則）

破損分析 疲勞 氫脆

出處: 伊斯坦堡技術大學（非破壞檢測）; 日本非破壞檢查協會

以線圈在導體中感應渦電流，以非接觸方式快速調查表面與表面附近的裂縫、材質的差異（導電率）以及鍍層、塗膜的厚度。用於管材與線材的全數檢查。

原理 缺陷或材質的差異會擾亂渦電流的流動，捕捉線圈阻抗的變化。頻率越高，只能看到越淺的地方（集膚效應）。

使用目的 表面裂縫（非破壞） 膜與層的厚度 內部缺陷

數值的參考

橫向解析度

—

深度解析度、資訊深度

滲透深度由頻率、導電率與導磁率決定（強度減為表面 37% 的深度稱為標準滲透深度）

偵測極限

—

分析深度、體積

表面附近

可量測的元素

—

定量精度

與對比試塊比較來判斷訊號的大小

試樣與工夫

大小

小片〜大型零件、管材、線材

導電性

只限導體

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要 （表面狀態會影響訊號）

時間

短 數分鐘（產線上為高速）

費用

便宜

常見陷阱

• 只能用於導體
• 看不到深處的缺陷。滲透深度由頻率、導電率與導磁率決定
• 與線圈繞線方向或掃描方向平行的缺陷容易漏看
• 沒有對比試塊，就無法把訊號大小與缺陷大小連結起來

搭配使用的方法 PT · MT · UT

標準 JIS Z 2316-1（渦電流試驗一般通則）

名詞 渦電流損

出處: 伊斯坦堡技術大學（非破壞檢測）; TWI（渦電流的滲透）; 日本非破壞檢查協會

使 X光或 γ 射線穿透並成像於底片或偵測器上，找出焊接部與鑄件內部的氣孔、熔透不良與裂縫。會留下紀錄。

原理 空洞或密度低的地方較容易讓射線通過，因此在影像上顯得較黑。

使用目的 內部缺陷

數值的參考

橫向解析度

—（參考值為可看出約厚度 2% 大小的空洞。25 mm 的鋼約 0.5 mm）

深度解析度、資訊深度

厚度方向重疊成像（無法得知深度）

偵測極限

—

分析深度、體積

穿透的整個厚度

可量測的元素

—

定量精度

以影像濃淡的差異判斷（以像質計確認影像品質）

試樣與工夫

大小

小片〜大型結構物（在現場）

導電性

不需要

真空

不需要

是否破壞

非破壞

準備與工夫

幾乎不需要 （底片或偵測器要能放在背面的形狀）

時間

短 拍攝數分鐘起，含顯影、判定需數小時

費用

中等 （需要輻射管理）

常見陷阱

• 細的裂縫只有在射線與裂縫面平行時才會顯現。要改變方向，從多個方向拍攝
• 需要輻射管理（管制區域、資格）
• 影像在厚度方向重疊，因此無法得知缺陷在深度上的位置（用超音波或 CT）

搭配使用的方法 UT · CT

標準 JIS Z 3104（鋼焊接接頭的射線透過試驗方法）

名詞 焊接熱影響區 縮孔

出處: 伊斯坦堡技術大學（非破壞檢測）