CN101900698A - 一种测定高Cr耐热钢中Delta铁素体相含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测算高Cr(≥9％Cr)耐热钢中Delta铁素体含量的方法，包括以下步骤：①将被测高Cr(≥9％Cr)耐热钢试样的观察面磨光，抛光；②利用电子探针-能谱分析仪(EPMA-EDS)分别按一定测定数量测基体相和Delta铁素体相以及试样整体的化学成分；③求出所测基体相和Delta铁素体相以及试样整体的化学成分的统计平均值；④建立涉及基体相、Delta铁素体相、试样整体化学成分及各相含量测算相对误差最小的目标函数；⑤将目标函数编制成计算程序并用该程序算出Delta铁素体相含量。本发明方法的测算结果与常规金相分析法的图像定量结果有很好的吻合性，其结果准确、操作简单、省时。本发明可用于高Cr(≥9％Cr)耐热钢的设计、热成型及热处理工艺控制、材质及断裂与失效分析等重要领域。

Description

一种测定高Cr耐热钢中Delta铁素体相含量的方法

技术领域

本发明涉及高Cr耐热钢的显微组织测定，具体地说，涉及测定高Cr(≥9％Cr)耐热钢中Delta铁素体相含量的方法。

背景技术

为了满足超超临界火力发电机组对材料综合性能的要求，高Cr耐热钢的应用已占据了主导地位。由于这类耐热钢所添加的合金元素中铁素体形成元素的含量较高，使其奥氏体单相区缩小，而Delta铁素体转变温度下降，于是在热加工过程中易生成Delta铁素体。粗大的Delta铁素体常常分布于原奥氏体晶界，同时碳化物极易聚集在Delta铁素体相与基体相的边界并有利于其粗化，导致高Cr耐热钢的强韧性下降。因此，高Cr耐热钢的设计、开发、生产及使用企业十分重视对其相含量的测定、评估及控制。现有测定Delta铁素体相含量方法主要是金相法。使用金相法测定时，需通过金相显微镜对试样拍摄大量的金相照片，然后利用相关软件对照片中Delta铁素体相的调节衬度或对比度、着色并计算着色部分的面积，测算所得着色部分的面积与照片面积的百分比即为试样中Delta铁素体的相含量。使用该方法存在的问题如下：(1)在观测前，需要对磨光、抛光后的金相试样进行侵蚀，为了避免试剂侵蚀深浅程度对Delta铁素体相边界清晰程度产生不良影响，对侵蚀剂的配制、侵蚀时间以及手工操作的技能要求较高；(2)需要利用专用软件对金相照片人为进行图像处理以调节其衬度或对比度以及着色处理均带有人为性或主观性；(3)由于所截试样不同截面的Delta铁素体的大小不尽相同，因而需要拍摄大量金相照片并分别对其进行上述处理以提高其算数平均值的可靠性；(4)不能得到Delta铁素体相和基体相的成分等相关信息，而这些信息对分析与评估材质及其性能是不可缺少的。此外，如果直接使用电子探针-能谱分析仪测试，只能得到各相成分而不能得到各相含量，即使根据所测各相及其试样整体成分并使用杠杆定律进行计算其结果也与实际情况相差甚远。因此上述情况反映出定量金相法以及直接使用电子探针-能谱分析法测算Delta铁素体相含量时所存在的问题。如何使Delta铁素体相含量的定量测算做到准确、简便、省时是本发明的一个关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Delta铁素体含量的测定方法，该方法测算结果准确、操作简便、省时。

本发明的目的是这样实现的：首先利用电子探针背散射电子成像技术获取被测试样基体相和Delta铁素体相以及试样整体的化学成分，然后根据本发明提出的各相成分相对误差最小原理，通过建立试样整体，Delta铁素体相和基体相中各元素的含量即成分相对误差最小的目标函数，在0～100％的范围内，以0.01％～10％内任选步长逐一设置Delta铁素体的含量V，经编程并进行搜索运算，获得使目标函数(f)达到最小值的V值时，即得试样中Delta铁素体的含量，与此同时并获得试样中基体相含量(100％-V)。

本发明的技术过程及其特点：

①制备试样

本发明采用背散射电子成像模式进行电子探针-能谱分析，分析前仅需按常规金相法制样方式将被测试样进行磨光、抛光，但不需要常规金相法那样对观察面进行试剂侵蚀(对试样抛光面的侵蚀是一个对技能要求高并且费时的过程，因为其侵蚀效果直接影响显微组织的成像质量)，因此用本发明法定量测定的试样不需特殊制备。

②测定成分

用电子探针-能谱仪测定试样整体，Delta铁素体相和基体相中各元素的含量即化学成分，容易实现并能获得足够的准确性。

由于Delta铁素体相得尺寸较大，通常在几十到几百个微米的尺度范围内，因此在能谱成像条件下可以清晰观察到这类相，并能准确测出Delta铁素体相的成分。测定过程中，在200～2000倍的放大倍率下对试样分别测基体相和Delta铁素体相的化学成分，并在100～200倍的放大倍率下测试样整体的化学成分，每一个被测区域的基体相与Delta铁素体相的测点数各不少于5个，被测区域不少于5个。

③统计平均测定结果

将测定结果分别进行统计平均，即分别获得基体相、Delta铁素体相和试样整体化学成分的统计平均值。

④建立相成分及相含量测算相对误差最小的目标函数

根据①-③中方法获取的试样整体、Delta铁素体相和基体相成分的平均值，按本发明的优化测算法容易实现Delta铁素体相含量的测算，并能客观反映其含量的真实性，这是本发明的核心所在。

本发明提出，利用测算所得的试样整体，Delta铁素体和基体相成分的平均值，并建立涉及基体相、Delta铁素体相和试样整体成分及各相含量相对误差最小的目标函数(f)，其计算方法如下：

利用测算所得的试样整体，Delta铁素体和基体相成分的平均值(C_total)_i，(C_delta)_i和(C_m)_I，建立目标函数：

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i-[{\left(C_{\mathrm{delta}}\right)}_i\·V+{\left(C_m\right)}_i\·(100\%-V)\left]\right|}{{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i}\⇒\min$

式中，n为所测的相中元素的个数。

⑤编制运算程序及其计算

将所建立的目标函数(f)编制成运算程序，将按上述步骤得到的基体相、Delta铁素体相和试样整体中各元素的含量即各相成分的平均值(C_m)_i、(C_delta)_i和(C_totai)_i分别代入对应的运算程序，并在0～100％之间，以0.01％～10％内任选步长设置Delta铁素体的含量V，当运算程序找到能使目标函数(f)达到最小值的V值时，即得试样中Delta铁素体的含量，与此同时并获得试样中基体相含量(100％-V)。

附图说明

图1为某厂生产的P92钢管供货态母材试样的显微组织图；

图2为上述P92钢管试样在电子探针-能谱分析仪下用100倍的放大倍率拍摄的试样显微组织的背散射电子图像；

图3为上述P92钢管试样在电子探针仪下用1000倍的放大倍率拍摄的试样显微组织的背散射电子图像。

具体实施方式

本发明的方法，包括以下步骤：

①按常规金相制样方法将被测试样观察面磨光、抛光；

②在电子探针下选择背散射电子成像模式，在200～2000倍的放大倍率下对试样分别测基体相和Delta铁素体相的化学成分，并在100～200倍的放大倍率下测试样整体的化学成分，每一个被测区域的基体相与Delta铁素体相的测点数各不少于5个，被测区域不少于5个(理论上，测点数越多，测定区域越多其结果越准确)；

③对上述基体相、Delta铁素体相和试样整体的测定数据分别进行统计平均，分别获得基体相、Delta铁素体相和试样整体化学成分的统计平均值(如算术平均值)；

④建立涉及各相成分相对误差的目标函数(f)：

目标函数： $f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i-[{\left(C_{\mathrm{delta}}\right)}_i\·V+{\left(C_m\right)}_i\·(100\%-V)\left]\right|}{{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i}\⇒\min$

式中，(C_total)_i，(C_delta)_i和(C_m)_i分别表示所测试样整体，Delta铁素体相和基体相化学成分的平均值，V为试样中Delta铁素体的含量。

⑤利用通用计算软件Matlab 7.0编程，将所建立的目标函数(f)编制成计算程序，将按上述步骤得到的试样中钢样整体，Delta铁素体相和基体相成分的平均值(C_total)_i，(C_delta)_i和(C_m)_i和试样中Delta铁素体的含量V分别代入对应的运算程序；并在0～100％之间，以0.01％～10％内任选步长设置Delta铁素体的含量V，当运算程序找到能使目标函数(f)达到最小值的V值时，即得试样中Delta铁素体的含量，与此同时并获得试样中基体相含量(100％-V)。

实例：

实例①：以超超临界锅炉所用耐热钢P92(其平均含Cr量为9％)为例，对本发明方法与金相法进行相含量分析结果的比较。

对于某厂生产的P92钢管供货态母材。试样显微组织为马氏体基体和Delta铁素体。

如图1所示，通过金相显微镜对试样拍摄放大倍数为100倍(100X)的金相照片(图中白色条状组织为Delta铁素体相)，然后利用ImagePro软件对照片中Delta铁素体相进行着色并计算着色部分的面积，而着色部分的面积与照片面积的百分比即为试样中Delta铁素体的相含量，测算结果如表1所示。

对于本方法：首先，按具体实施步骤①对被测试样的观察面进行磨光及抛光，按照步骤②用电子探针-能谱仪的背散射电子成像模式，显示试样整体(图2所示)、Delta铁素体相和基体相组织(图3所示，其中白色块状组织为Delta铁素体相，其余为基体相)；分别测定试样中的基体相、Delta铁素体相以及试样整体的化学成分，结果如表2所示；按照步骤③对上述基体相、Delta铁素体相和试样整体的测定数据分别进行统计平均，即获得基体相、Delta铁素体相和试样整体化学成分的统计平均值(C_total)_i，(C_delta)_i和(C_m)_i；然后按照步骤④建立涉及各相成分及其相含量相对误差最小的目标函数(f)：

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i-[{\left(C_{\mathrm{delta}}\right)}_i\·V+{\left(C_m\right)}_i\·(100\%-V)\left]\right|}{{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i}\⇒\min$

式中，V为试样中Delta铁素体相的含量。按照步骤⑤将所建立的目标函数(f)编制成运算程序，并按上述步骤得到的基体相、Delta铁素体相和试样整体成分的平均值(C_m)_i、(C_delta)_i和(C_total)_i分别代入对应的运算程序，并按0.01％的步长设置Delta铁素体的含量V，从0-100％进行搜索运算，找到能使目标函数(f)达到最小值的V值即得试样中Delta铁素体的含量，与此同时并获得试样中基体相含量(100％-V)。

本方法与金相法的结果比较如表3所示，结果表明本方法的测算结果与金相法的测算结果吻合性很好。

实例②：本发明方法除可用在高Cr耐热钢中Delta铁素体含量的测定以外，还可以用于Ni基高温合金基体相(γ相)和析出相(γ′相)相含量的测定。以下引用国外专利公开的两种镍基高温合金1444+4Re+XRu和R162+0.5Al+XRu的各相成分数据，利用本发明方法算出这两个合金中各相的含量，然后与该专利所用化学萃取法所得结果进行比较。

化学萃取法是一种常用的相分析方法，该方法需要对样品中的析出相首先进行化学萃取，然后进行电解分离，再利用专门的仪器对所含元素进行分析，其过程比较复杂且对操作技术要求较高。本实例是用相同来源的数据进行对比分析，证明本发明方法的准确性及可靠性。

表4为国外专利中公布的利用化学萃取法获得的镍基高温合金1444+4Re+XRu和R162+0.5Al+XRu试样整体、基体相(γ相)和析出相(γ′相)的化学成分平均值(C_γ)_i，(C_γ’)_i和(C_total)_i，据此，本实例利用本发明方法中具体实施方式的步骤④建立涉及各相成分及含量相对误差最小目标函数(f)：

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i-[{\left(C_r\right)}_i\·V+{\left(C_{r^{\′}}\right)}_i\·(100\%-V)\left]\right|}{{\left(C_{\mathrm{total}}\right)}_i}\⇒\min$

式中，V为钢样中基体相(γ相)的含量。

在0～100％的范围内，以0.01％的步长设置V，通过程序及搜索运算，获得使该目标函数具有最小值所对应的基体相(γ相)含量(V)，即获得该合金中基体相(γ相)和析出相(γ′相)相含量(V及1-V)。表4表明本方法的测算结果与化学萃取法的测算结果有很好吻合性。

表1金相法所测某厂P92钢试样Delta铁素体相含量

图片代号	Delta铁素体含量(％)
		1	7.34
2	6.52
		3	8.88

4	8.76
		5	8.90
6	8.75
		7	8.06
8	7.80
		9	4.59
10	5.36
		11	4.78
12	4.32
		13	4.38
14	3.88
		15	4.12
16	4.75
		17	3.59
18	3.06
		19	4.67
平均值	5.92

表2本发明方法所测P92样基体相和Delta铁素体以及试样整体的化学成分

表3本发明方法与金相法所得P92钢中Delta铁素体相含量的比较

表4镍基高温合金1444+4Re+XRu、R162+0.5Al+XRu中基体相(γ相)，析出相(γ′相)、试样整体化学成分，以及本发明法与化学萃取法所得γ、γ′相含量的比较

本发明具有以下优点和积极效果：

①克服了直接使用电子探针-能谱分析仪测试只能得到各相成分而不能得到各相含量以及结合使用杠杆定律进行计算时所得结果与实际情况相差甚远等问题；

与常规金相法相比：

②在制备被测试样过程中，不需对试样表面进行抛光和侵蚀，既方便、省时又避免了试样表面侵蚀程度的不同对测算结果所带来的不良影响；

③不需拍摄大量金相照片，既方便、省时又避免了不同截面所拍照片导致的Delta相尺寸的差异和图像处理时像衬度差异及像着色差异对测算准确性的影响；

④利用通用软件Matlab编程并进行优化计算，程序简单，计算速度快，测算结果准确；

⑤可以获得铁素体相和基体相的成分信息，根据相成分及相含量的综合信息可以更有效地评估材质及分析其断裂与失效的原因；

⑥除可用于各类耐热钢外，还可以用于高温合金的相含量测算，并具宽广应用前景。

Claims (1)

1.一种测算高Cr耐热钢中Delta铁素体相含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：①按常规金相制样方法将高Cr耐热钢试样观察面磨光、抛光得被测试样；②在电子探针-能谱分析仪下选择背散射电子成像模式，在200～2000倍的放大倍率下对被测试样分别测基体相和Delta铁素体相的化学成分，并在100～200倍的放大倍率下测被测试样整体的化学成分，每一个被测区域的基体相与Delta铁素体相的测点数各不少于5个，被测区域不少于5个；③对所测基体相、Delta铁素体相和被测试样整体成分的测定数据分别进行统计平均，分别获得基体相、Delta铁素体相和被测试样整体化学成分的统计平均值；④建立涉及基体相、Delta铁素体相、被测试样整体成分及各相含量测算相对误差最小的目标函数f：式中，(C_total)_i，(C_delta)_i和(C_m)_i分别表示被测试样整体、Delta铁素体和基体相中各元素的含量即各相成分的平均值，V为被测试样中Delta铁素体的含量；⑤将所建立的目标函数f编制成运算程序，将按上述步骤得到的基体相、Delta铁素体相和被测试样整体中各元素的含量即成分(C_m)_i、(C_delat)_i和(C_total)_i分别代入该运算程序，在0～100％之间，以0.01％～10％内任选步长设置Delta铁素体的含量V，当运算程序找到能使目标函数f达到最小值的V值时，即得被测试样中Delta铁素体的含量，与此同时并获得被测试样中基体相含量(100％-V)。

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