CN1375692A

CN1375692A - 金属原位统计分布分析方法

Info

Publication number: CN1375692A
Application number: CN 02117115
Authority: CN
Inventors: 王海舟; 陈吉文; 杨志军; 杨新生; 高宏斌; 贾云海; 袁良经
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Detection Technology Of Ncs Ltd By Share Ltd
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2002-10-23
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: CN1160553C

Abstract

本发明属于借助测定材料的物理性质来分析材料的领域,主要涉及金属材料的化学成分及其状态分析。本发明金属原位统计分布分析方法其步骤包括:激发光源系统对样品实施无预燃连续激发和同步扫描定位、激发的光谱色散成线状光谱、采集和记录单次火花放电的光谱强度、对采集和储存的线状光谱谱线强度进行统计解析,经计算机处理,测出样品的化学成分、偏析度、疏松度和夹杂物分布等参数。本发明的主要优点是测速快且准确。同时一次扫描就可测出样品中的各种元素参数。

Description

金属原位统计分布分析方法

技术领域

本发明属于借助测定材料的物理性质来分析材料的领域，主要涉及金属材料的化学成分及其状态分析。

背景技术

化学成分、偏析、表面缺陷、夹杂物的含量是钢铁生产质量控制最重要的四项内容。在现有技术中，采用硫印试验来检验元素在钢中偏析或分布，用酸浸试验来检验中心疏松，采用金相法检验夹杂物的形貌、分布，上述传统方法手续繁锁、分析速度慢，结果无法定量化(《光学显微分析》P21-40孙业英著清华大学出版社，1996.10)。

现有技术中的火花源原子发射光谱仪可以进行材料中的化学成分分析，但只能得到各元素平均含量，无法进行成分的分布分析，更无法进行偏析度、疏松度、夹杂物定量分布分析。究其原因，主要是目前火花源原子发射光谱仪存在以下三项主要技术缺陷：一、静态激发。分析过程中保持样品固定，每次只是激发熔融一个5mm直径的斑点，为静态激发，不能记录单次放电的位置，从而无法进行元素与夹杂物的分布分析；二、积分检测方式。采集的对象为几千个放电脉冲的积分电压，无法识别每个火花特性，从而无法解析蕴藏在单次火花放电中的化学信息；三、高能预燃。经过20至30秒的预燃，大部分夹杂物被重融，从而无法观察到那些反映夹杂物信息的异常火花。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能快速且准确的直接测定金属材料化学成分、元素成分分布、偏析度、疏松度及夹杂物分布的金属原位统计分布分析方法。

基于上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明金属原位统计分布分析方法采用光谱分析，其具体的测定步骤如下：

激发光源系统对样品实施连续激发和同步扫描定位——激发的光谱色散成线状光谱——采集和记录单次火花放电的光谱强度——对采集和储存的线状谱线强度进行统计解析和定量分析，从而测定样品的化学成分与结构等参数。现分述如下：

一.激发光源系统对样品实施连续激发和同步扫描定位

在对样品火花激发放电时，样品夹持在连续激发同步扫描定位系统(一种可编程的自动化扫描平台装置)上，相对激发光源的电极，使样品与电极之间能在X-Y轴两个方向上作相对运动，或进行圆周运动，对样品实施移动动态连续激发火花放电，同时通过检测器实时记录单次火花放电的位置，实现连续激发和定位扫描，并在连续激发同步定位扫描过程中，确定一个定位的相对零点。

二.将激发光谱色散成线状光谱

激发光源系统对样品所激发的光谱通过入射狭缝进入单色计，色散成线状光谱，并通过出射狭缝进入单次火花放电的光谱强度的采集系统。出射狭缝的个数达3-55个，即采用3-55个多通道的线状光谱通道，可同时分析样品中的多个元素。

三.采集和记录单次火花放电的谱线强度

由出射狭缝透过的线状光谱进入采集记录系统的光电倍增管，转化为电信号，经放大后，由采集板进行A/D转化，以数字形式实时记录和储存，即实现单次火花放电的光谱强度的采集和记录。

四.对采集和储存的线状光谱强度进行统计解析所采集和储存的单次火花放电的线状光谱强度进入计算机，由相关的软件进行统计解析，从而测定样品的化学成分，成分偏析度、疏松度和夹杂物分布等。其激发光源采用无预燃连移动激发方式，在统计解析定量分析时，对应单次放电其具体的定量公式为：

R_i＝I_a，i/I_r，i＝KC_i ^b式中，R_i为第i次放电测量的谱线强度比值，I_a，i和I_r，i分别为第i次测量时分析线和参比线的强度值，C_i为第i次激发点的元素含量(即测量所求的含量)，b为与谱线性质相关的常数，b值为0-1；K是与试样的蒸发、激发过程和试样组成等有关的一个参数。

由此可确定样品第i点的元素含量。

本发明所述的统计分布分析方法以扫描范围内所有单次放电所对应元素含量的统计平均值来计算样品的化学成份，其定量公式为：

\bar{C} = \frac{Σ_{i}^{n} C_{i}}{n}

式中 C为样品中元素含量的统计平均值，Ci为样品第i点的元素含量。

以某一元素的最高点的含量与该元素各点的含量平均值的比值来表征元素的偏析度，其定量公式为：S＝C_max/C₀(或(C_max-C₀)/C₀)；也可以整个扫描区内不同含量单次放电频度分布作为偏析度的表征。

其中S代表某元素偏析度，C_max为扫描的线或面上的最高值，C₀为该线或面的平均含量。

以基体元素的强度分布或转化为表观密度分布的方式来表征材料的疏松度；

以异常单次放电在所有单次放电中所占比例来计算非固溶态金属的含量，其定量公式为：C_insol＝C·n/N

其中C_insol代表某元素非固溶态的含量，C为样品中该元素的含量，n为非固溶态的单次放电次数，N为全部单次放电次数。

通过多通道同步解析的方式来确定夹杂物的种类。当放电在夹杂物上进行时，由于夹杂物的局部富集，使得夹杂元素的谱线强度大大增强，将可以通过预先设定的夹杂物种类的组成进行联合解析。例如，通过测量不同种类Al夹杂物各组成元素(氧、铝、氮……)的单次放电所产生的异常信号，结合每个元素的不同形态火花行为的差异进行合成解析，能够实现Al夹杂物的分类、定性、定量分析。

以各通道异常单次放电强度的频度分布来表征夹杂物的粒度分布。不同粒度夹杂物的异常火花频度强度分布与夹杂物的粒度分布之间存在对应关系。

以各元素的单次火花放电强度(或元素含量)和位置为参数，用二维、三维图形方式显示元素成分分布。

以非固溶态金属的单次放电强度或夹杂物含量和位置为参数，用二维、三维图形方式显示夹杂物分布。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

<1>一次扫描分析，同时得到材料中各种元素含量、元素成分分布、偏析度、疏松度和夹杂物的定量分析结果。分析测试信息全面，对照性强。

<2>以扫描范围内各点的元素含量的平均值来计算样品的化学成分，避免了元素偏析时取样点的差异而带来的误差，分析结果更可靠。

<3>以二维图形显示材料任意点、线上的各元素成分含量，并标明最严重偏析出现的位置，结果定量准确，实用性强。

<4>以二维图形显示材料任意点、线上的疏松状况，并标明最严重疏出现的位置，结果定理准确，实用性强。

<5>以三维立体图形显示材料中元素成分和夹杂物的分布，形象直观。

<6>分析周期短，适用于生产现场的监控。

附图说明

附图1为本发明实施例中样品A2中碳含量的三维显示图。

附图2为本发明实施例中样品A2中碳含量的二维等高图。

附图3为本发明实施例中样品A1中碳含量的二维等高图。

附图4为本发明实施例中样品C中焊缝间熔敷区元素锰的成分分布图。

在附图1中，X、y轴为样品移动扫描的位移(mm)，Z轴(纵轴)为谱线强度，即元素含量。

实施例

采用本发明所述金属原位统计分布分析方法对三个样品的化学成分、偏析度、疏松度和夹杂物分布进行了分析。

三个样品分别为：样品A是普碳连铸板坯，其中A1为连铸板坯出连铸机后通过轧辊对铸坯进行了轻压，A2则是未经轻压的铸坯；样品B为20MnSi的方坯；样品C为船舶用低碳钢焊缝金属。表1分别列出样品A、B钢种在冶炼时设计的化学成分，样品C则母材冶炼时的设计化学成分。

从样品中切取试样，并将试样加工出一个平面，用砂纸或磨床磨出新鲜面，试样夹持在连续激发同步扫描定位系统(一种可编程的自动化扫描平台装置，参看申请在前的申请号为02116294.8的专利申请文件)上。

火花光谱激发前，一是用氩气冲洗激发光源系统，一是由连续激发同步扫描定位系统夹持试样，确定一个相对零点。

然后启动激发光源系统，对试样实施连续激发和移动扫描，试样扫描为线状面扫描，沿X轴方向连续扫描，扫描速度为1mm/sec，沿Y轴方向为步进式扫描。

三个试样的火花光谱的激发参数为：频率500HZ，电感130μH，电容2.2μF，电阻1.0Ω，火花间隙2.0mm，电极材料为45°顶角线钨电极，直径5mm。

连续移动激发所产生的光谱经单色计入射狭缝，进入分光系统，经光栅色散为线状光谱，经单色计出射狭缝，被检测系统所采集，单次火花放电的线状光谱信号采集速度为100kHz/通道，经A/D转化，以数字形式记录，存贮于计算机，经软件处理后，测出试样中各元素的含量。

表2列出三个样品中各元素的波长及元素含量。测定时的参比元素为Fe。

各样品中的所含元素测定之后，用三维形式显示了样品A2中碳含量的三维显示图(相应于附图1)。用二维形式显示了样品A1和A2中碳含量的二维等高图(相应于附图4和附图3)。

附图1说明了样品中碳元素的分布。也表示了样品化学成分的偏析情况。表1实施例样品在冶炼时的设计化学成分(重量％)

表2实施例三个样品所测出的元素含量(wt)及波长

Claims

1、一种金属原位统计分布分析方法，采用光谱分析，利用激发光源系统中的电极对需测试的样品实施火花激发放电，所激发的光谱通过单色计色散成线状光谱，并透过出射狭缝，进入采集记录系统的光电倍增管，由光信号转化为电流信号，经放大后进行A/D转化，以数字形式记录储存，即实现单次火花放电的光谱强度的采集和记录，随后由计算机的相关软件对所记录和储存的单次火花放电的线状光谱强度进行统计解析，从而确定样品的化学成分、偏析度、疏松度和夹杂物分布，其特征在于：

①在对样品火花激发放电时，样品夹持在一种可编程的自动化扫描平台装置上，相对激发光源系统的电极，使样品与电极之间能在X-Y轴两个方向上作相对运动，或进行圆周运动，对样品实施移动动态连续火花激发放电，同时通过该装置上的位置检测器实时记录单次火花放电的位置，实现连续激发同步定位扫描；

②采用3--55个的线状光谱通道，即一次同时可分析样品的多个元素；

③在对采样储存的线状光谱单次放电强度进行统计解析及定量分析时，其激发光源采用无预燃连续移动激发方式，对应单次放电其具体的定量公式为：

R_i＝I_a，i/I_r，i＝KC_i ^b式中，R_i为分别为第i次单次放电测量的谱线强度比值，I_a，i和I_r，i分别为第i次测量时分析线和参比线的强度值，C_i为第i次激发点的元素含量(即测量所求的含量)，b为与谱线性质相关的常数，b值为0-1；K是与试样的蒸发、激发过程和试样组成等有关的一个参数。

2、根据权利要求1所述的统计分布分析方法，其特征在于以扫描范围内各点的元素含量的平均值为计算样品的化学成分，其定量公式为：

\bar{C} = \frac{Σ_{i}^{n} C_{i}}{n}

3、根据权利要求1所述的统计分布分析方法，以某一元素的最高点的含量与该元素各点的含量平均值的比值来表征元素的偏析度，其定量公式为：S＝C_max/C₀(或(C_max-C₀)/C₀)其中S代表某元素偏析度，C_max为扫描的线或面上的最高值，C₀为该线或面的平均含量。

4、根据权利要求1所述的统计分布分析方法，其特征在于以基体元素的强度分布或转化为表观密度来表征材料疏松度。

5、根据权利要求1所述的统计分布分析方法，其特征在于以异常火花在所有火花所占的比例来计算非固溶态金属的含量，其定量公式为：C_insol＝C·n/N其中C_insol代表某元素非固溶态的含量，C为样品中该元素的含量，n为非固溶态的单次放电次数，N为全部单次放电次数。

6、根据权利要求1所述的统计分布分析方法，其特征在于通过多通道同步合成解析的方式确定夹杂物的种类，以各通道异常火花强度的频度分布来表征夹杂物的粒度分布。

7、根据权利要求1、2所述的统计分布分析方法，其特征在于以各元素的单次火花放电强度(或元素含量)和位置为参数，用二维、三维图形方式显示元素成分分布。

8、根据权利要求6所述的统计分布分析方法，其特征在于以非固溶态金属的单次火花放电强度和位置为参数，用二维、三维图形方式显示夹杂物分布分析。