CN1609591A - 金属材料中夹杂物粒径原位统计分布分析方法 - Google Patents

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，主要涉及金属材料中各类夹杂物的粒径计算。本发明金属材料中夹杂物粒径原位统计分布分析方法包括如下步骤：常规分析手段，对被测样品进行金相检测、化学相态分析、电镜+能谱分析，得到该样品中各类夹杂物粒径分布的相关数据；原位统计分布分析，采用金属原位分析仪对被测样品进行连续激发扫描，得到与样品原始位置一一对应的单次火花光谱强度数据；系统解析所得单次火花光谱强度数据并确定信号阈值；建立数学分析模式，对采用常规分析手段和原位统计分布分析得到的数据进行相互对照分析，最终得到被测样品中各类夹杂物粒径分布信息，并输出上述结果。

Description

金属材料中夹杂物粒径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，主要涉及金属材料中各类夹杂物的粒径计算。

背景技术

钢铁材料中夹杂物以独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，增大了钢组织的不均匀性，对钢的性能产生强烈影响，而分布不均的夹杂物颗粒则是影响钢性能的罪魁祸首。为此全面地检测钢中夹杂物形状、粒径及其分布，并以此适时调整或控制钢中某些合金元素和有害元素，使所冶炼的钢种获得所要求的最佳性能，这是当今钢铁冶金系统所追求的目标之一。

在现有的钢中夹杂物检测技术中，金相检测法可以检测夹杂物形状、粒径分布，但难以作定量分析，而且只针对小面积范围内夹杂物的分布。化学分析法可以进行夹杂物定量计算，但无法实现夹杂物的状态、形貌以及粒径分布分析，电镜十能谱分析，可以分析夹杂物的形貌、组成结构，但只局限于小范围的微区分析。总之上述传统分析方法都存在一定不足之处，而且夹杂物的分布不能与样品中的原位一一对应，另外分析过程繁琐，分析速度太慢，因此已不适应现今快速分析的要求。要实现大面积范围内、不同种类夹杂物粒径分布的原位分析必须把这些分析手段结合起来，

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速检测金属材料中夹杂物粒径原位统计分布分析方法。本发明的另一目的在于通过一次检测可以获得不同厂家、不同冶炼工艺或不同炉次下，同一金属脾号的夹杂物的种类、粒径及其二维及三维分布，或者对相同工艺或相同牌号的钢种中有代表性的一块钢样应用常规手段分析和金属原位分析相结合的方法，对被测样品中夹杂物的分布规律确定，建立相应的数学分析模式后，则可以实现该工艺下或该牌号下所有钢种中夹杂物的分布规律，并进而推导出各类夹杂物(内生或外来夹杂物)的生长规律。

基于上述目的，本发明金属材料中夹杂物粒径原位统计分析方法包括如下步骤：常规手段分析、原位统计分布分析、确定信号阈值和建立数学分析模式，现分述如下：

(1)常规手段分析

采用常规手段分析中金相检测、化学相态分析和电镜+能谱分析对被测样品进行夹杂物检测。

首先对被测样品进行分析前预处理，金相检测时对被测样品进行线切割、粗磨、细磨、抛光等过程后，再进行各项检测。

金相检测在金相显微镜下观测，并应用图象分析仪统计，得到观测面内的夹杂物的形状、粒径大小等详细信息；

化学相态分析则首先需要进行电解萃取分离，对得到的夹杂物颗粒进行X射线衍射分析，应用激光粒度仪对夹杂物的颗粒大小进行检测，获得不同种类的夹杂物的结构组成、夹杂物的含量以及颗粒大小分布信息。

电镜+能谱分析则可以得到微区内夹杂物的形貌、颗粒大小以及结构状态。

通过上述常规分析手段最终确定被测样品中各类夹杂物的含量及粒径分布规律。

(2)金属原位统计分布分析

采用金属原位分析仪(参看CN1370987A)对被测样品进行大面积、无预燃、低能、连续移动扫描激发，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平台夹持试样，确定一个相对零点。

然后启动激发光源系统，对试样实施连低能、无预燃的连续移动扫描，激发试样的火花放电，通过分光，经光栅色散为线状光谱，经单色计色散后输入出射狭缝，由高速数据采集系统采集和储存每次放电火花的谱线强度与位置，以数字方式实时纪录，并通过统计解析，对试样进行夹杂物的分布分析，获得夹杂物的有关信息。其中扫描为线状面扫描，沿X轴方向连续扫描，沿Y轴方向为步进式扫描。另外，由于不同钢种样品的激发性能是不同的，因此分析时要首先考察样品的激发状态；尤其要考察控样与待分析样品的激发性能；

通过高速采集系统得到数万乃至数百万个表征试样的原始信息，获得单次火花光谱信号强度(见附图1)，在分析软件中进行系统分析所采集的单次火花光谱强度数据信号后，得到其分布规律(见附图2)，即正态分布+拖尾峰分布；由于信号既包括固溶态信号(正态分布)也包含夹杂物信号(拖尾峰分布)，在此必须区分固溶态信号与夹杂物信号，根据夹杂物引起的异常火花放电理论，认为附图1中呈“毛刺”状的异常信号是由夹杂物产生的。

(3)对单次火花光谱强度数据，辨别固溶信号与夹杂物信号的界限，即确定信号阈值，并以阈值作为区分固溶态信号与夹杂物信号，大于阈值的单次火花光谱信号强度是由夹杂物产生的。

阈值计算步骤如下：

①应用离散数据中常用的统计方法-莱特准则，迭代计算法计算阈值，其计算公式为：

          阈值＝X_m+KS

其中，X_m为最大频度对应的单次火花光谱强度值，K为与置信概率相关的系数，K值为1～3.5，S为剔除噪音信号后的全部单次火花光谱强度数据的标准偏差。

②据阈值计算公式，用剔除噪音后的火花强度数据进行第一次计算求出X_m和S₁，然后求出第一个分界值X_m+KS₁后，剔除此分界值以上的“异常火花强度”。

③用步骤②计算后余下的强度数据进行第二次计算并求出第二个分界值X_m+KS₂，继续剔除此分界值以上的“异常火花强度”。

④重复步骤③，一直持续n次后求出最后的分界值X_m+KS_n后，已没有高于此分界值的单次火花光谱强度数据为止，即已没有可以剔除的异常火花强度数据。这时分界值X_m+KS_n即是所要确定的夹杂物信号的阈值。

⑤依次对K值进行系列选取，并最终确定合适的K值，即最终确定阈值。

阈值大小是由光谱强度信号大小和信号分布规律确定的，而最终需要的信息是大于阈值的光谱强度信号。大于阈值的光谱强度信号即为夹杂物信号。

(4)建立数学分析模式

依据常规手段分析中金相检测所获得的被测样品的粒径分布与单次火花光谱信号净强度之间的相关性，即分布规律均符合指数衰减规律，据规律分析最终建立被测样品中夹杂物粒径计算的数学公式，被测样品中夹杂物粒径计算的数学公式为：

$D=\frac{t_2}{t_1}I+D_0$

式中：D为夹杂物粒径，I为单次火花光谱信号净强度，t₁、t₂为各自衰减方程的系数，D₀为夹杂物粒径阈值，而当I＝I₀＝0时，D＝D₀。

至此，完成了本发明所述方法的所有步骤，获得了夹杂物粒径的有关数据及其分布规律，并与样品的原始位置一一对应；这是其他分析方法所不能做到的。另外，数学模型建立所参照的常规分析中的夹杂物粒径分布须以金相检测结果为主，其他常规分析结果作为金相检测结果的补充。

图3B是根据金属原位统计分布分析和上述数学公式所得到夹杂物粒径分布规律，与应用常规分析手段得到样品中夹杂物粒径分布规律(图3A)对比，两者的结果表明，所建立的上述数学模式是正确的。

根据本发明所述的分析方法，只需对相同工艺或相同牌号的钢种中有代表性的一块钢样应用常规分析手段和金属原位分析相结合的方法，对被测样品中夹杂物的分布规律确定，建立相应的数学分析模式后，则可以实现该工艺下或该牌号下所有钢种中夹杂物的分布规律，并进而推导出各类夹杂物(内生或外来夹杂物)的生长规律。若不同钢种在进行原位分析时，首先需考察样品的激发状态，当样品的激发状态基本一致时，亦可应用同一分析数学模式对不同钢种进行原位分析。

被测样品与常规发射光谱法分析中所述的“控样”，其作用相当。

被测样品中夹杂物粒径计算结果最终以夹杂物的异常单次火花放电强度和位置为参数、以异常单次火花放电强度和夹杂物粒径为参数、以夹杂物粒径和位置为参数，用二维图、三维图或柱状分布图方式来显示夹杂物粒径分布规律。

在所述的分析方法，解决夹杂物粒径分布后，同时以异常光谱信号强度的平均值来计算被测样品中夹杂物的平均粒径；以最高异常光谱信号强度值来计算被测样品中夹杂物的最大粒径。

依据分析被测样品建立的数学公式计算夹杂物粒径为最低检测限，即能测量的夹杂物最小粒径。

若采用常规的分析手段则需要对每块样品进行分析，分析速度慢，而且必须结合金相检测、化学相态分析、电镜+能谱分析的手段才能全面地分析钢样中各类夹杂物粒径的分布规律，而且得不到大面积范围内夹杂物的原始位置分布。

附图说明

图1是单次火花光谱强度的分布图，它是采用金属原位分析仪，对普通金属样品进行连续移动扫描激发，高速采集系统所获得的表征样品原始信号的单次火花光谱强度的分布，其中横座为扫描激发位置，纵座标为光谱强度，图中细长的“毛刺”状信号是由夹杂物产生的异常光谱信号。

图2为所采集的单次火花光谱强度的统计分布图，其中横座标为单次火花光谱强度，纵座标为频度，图中正态分布为固溶态产生的信号强度，拖尾峰分布为夹杂物产生的信号强度。

图3A和图3B为实施例BG6#样品的夹杂物粒径分布图，其中图3A是采用金相法和图象分析仪所测得的夹杂物粒径分布图，图3B是采用金属原位分析仪进行连续扫描激发，根据单次火花光谱强度所计算的夹杂物粒径分布图。两图对比，其结果表明，上述计算夹杂物粒径所建立的数学公式是正确的。

图4A和图4B为实施例LY26#样品的铝夹杂物粒径柱状分布图，其中图4A是采用金相法和图象分析仪所测得的铝夹杂物粒径柱状分布图，图4B是采用金属原位分析仪进行连续扫描激，根据单次火花光谱强度所计算的夹杂物粒径分布图。

图5A和图B为实施例TG1#样品的铝夹杂物粒径柱状分布图，其中图5A是采用金相法和图象分析仪所测得的铝夹杂物粒径柱状分布图，图5B是采用金属原位分析仪进行连续扫描激发，根据单次火花光谱强度所计算的铝夹杂物粒径柱状分布图。

图6A和图6B为实施例BK1#样品的铝夹杂物粒径柱状分布图，其中图6A是采用金相法和图象分析仪所测得的铝夹杂物粒径柱状分布图，图6B是采用金属原位分析仪进行连续扫描激发，根据单次火花光谱强度所计算的铝夹杂物粒径柱状分布图。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.利用金属原位分析仪，对金属样品进行一次扫描分析，就能得到金属材料中各种粒径分布规律以及夹杂物的最大粒径，进而推导出各类夹杂物(内生或外来夹杂物)的生长规律，检测信息全面。

2.大面积内范围内扫描，所有夹杂物信息都能与样品原始位置一一对应，真正实现了夹杂物原位状态分析。

3.能分别以二维图形、三维图形和柱状分布图方式显示材料任意大小面积内各类夹杂物的粒径分布，并标明夹杂物富集的位置，结果定量准确、形象直观、实用性强。

4.分析周期短，适用于工艺流程、生产现场的监控。

5.只需对相同工艺或相同牌号的钢种中有代表性的一块样品应用本发明所述的方法，就可获得不同厂家、不同冶炼工艺和不同炉次下该牌号下所有钢种中夹杂物的分布规律，并进而推导出各类夹杂物(内生或外来夹杂物)的生长规律。

具体实施方式

采用本发明所述的金属材中夹杂物原位分析方法，对三个钢种样品中的夹杂物进行了分析，三个样品为：铝脱氧钢LY26#、低碳钢TG1#、纯净钢BK1#，三块样品的化学成分如表1所示。

首先根据这三块样品的激发状态、激发性能选择一块样品做为控样来进行常规分析手段，首先进行金相检测分析，本方法完全按照金相制样的要求，把该试样进行线切割得到20mm×20mm×20mm的块样，然后经粗磨、细磨、抛光等过程后，在金相显微镜下进行了观察，所用金相显微镜为Neophot-21型。因为在显微镜下观察的视场范围有限，为了使所观察到的视场能基本代表样品的全貌，尽量减小金相观察的误差，我们对每块样品随机挑选了十多个不同的视场进行观察，并同时利用图象分析仪对这些视场范围内的颗粒参数(主要是夹杂物的粒径)进行了统计分析。在金相检测的基础上，对该试样又进行了扫描电镜+能谱分析确定该样品中绝大部分夹杂物均以Al类夹杂物形态存在。由此根据二者分析结果确定Al类夹杂物粒径分布规律。并依据权利说明书所述计算夹杂物粒径阈值，并统计大于阈值以上的夹杂物粒径分布规律。

其次，将被测样品加工出一个平面，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的平台上，确定一个相对零点(参看CN1370987A)。

火花光谱激发前，用氩气冲洗激发光源系统，然后启动激发光源系统，对试样实施低能、无预燃的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。

金属原位分析仪激发参数为：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，经单色计色散后输入出射狭缝(Al元素波长：396.2nm，参比元素Fe波长：273.1nm)，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50kHz/通道，经A/D转化，以数字形式记录，存贮于计算机，经可执行程序处理后，检测出试样中Al夹杂物的粒径信息。

1)分析确定夹杂物的阈值，应用本发明所述方法进行系统分析，有效提取Al系夹杂物信号；

2)以夹杂物光谱信号强度的分布规律与夹杂物粒径分布规律建立数学分析模式：

        D＝0.000649 I+0.6 5

D为Al夹杂物粒径，I为火花光谱信号净强度。

3)根据公式确定Al系夹杂物粒径分布规律；见表2

表1实施例钢种的化学成分(重量％)

元素钢种	C	Si	Mn	Al	P	S	Fe
								铝脱氧钢LG26#	0.073	0.257	0.437	0.051	0.009	0.005	余
低碳钢TG1#	0.015	0.110	0.245	0.016	0.011	0.007	余
								纯净钢BK1#	0.008	0.102	0.210	0.044	0.007	0.005	余

表2实施例钢种Al系夹杂物粒径分布

	Al类夹杂物	应用数学公式夹杂物粒径分布
						LY26#	粒径分布	0.81μm-5μm	5μm-10μm	10μm-20μm	20μm以上
统计权重％	39.94	37.79	21.30	0.97
					粒径分布※		0.65μm-5μm	5μm-10μm	10μm-20μm	20μm以上
统计权重※％	83.70	13.65	2.56	0.09
					TG1#		粒径分布	1μm-5μm	5μm-10μm	10μm-20μm	-
统计权重％	94.84	3.17	1.99	-
						粒径分布※	0.65μm-5μm	5μm-10μm	10μm-20μm	-
统计权重※％	97.85	1.70	0.45	-
						BK1#	粒径分布	0.65μm-5μm	5μm-10μm	10μm-20μm	-
统计权重％	96.55	3.45	-	-
					粒径分布※		0.65μm-5μm	5μm-10μm	10μm-20μm	-
统计权重※％	85.22	9.38	4.83	0.57

注：带※表示是应用数学分析模式方程计算出的粒径分布以及统计权重。

       表3实施例钢种最大粒径比较

Claims (6)

1.金属材料中夹杂物粒径原位统计分布分析方法，其特征在于该方法包括如下步骤：常规手段分析、原位统计分布分析、确定信号阈值和建立数学分析模式，现分述如下：

(1)常规手段分析

采用常规手段金相检测、化学相态分析和电镜+能谱分析对被测样品进行夹杂物检测，其中金相检测获得金属材料中夹杂物的分布、颗粒大小相关信息；化学相态分析获得不同种类的夹杂物的结构组成、夹杂物的含量以及颗粒大小分布信息；电镜+能谱分析则获得微区内夹杂物的形貌、颗粒大小以及结构状态；

(2)金属原位统计分布分析

采用金属原位分析仪对被测样品进行低能、无预燃、连续激发扫描，获得单次火花光谱强度数据；

(3)对单次火花光谱强度数据，并进行详细解析，辨别固溶信号与夹杂物信号的界限，即确定信号阈值；

所采集的单次火花光谱强度数据信号包括固溶态信号和夹杂物信号，并以阈值作为区分固溶态信号与夹杂物信号，固溶态信号呈正态分布，夹杂物信号呈拖尾峰分布，而且大于阈值的火花光谱强度信号是由夹杂物产生的；阈值计算步骤如下：

①应用离散数据中常用的统计方法-莱特准则，迭代计算法计算阈值，其计算公式为：

                阈值＝X_m+KS

其中，X_m为最大频度对应的单次火花光谱强度值，K为与置信概率相关的系数，K值为1～3.5；S为剔除噪音信号后的全部单次火花光谱强度数据的标准偏差；

②据阈值计算公式，用剔除噪音后的火花强度数据进行第一次计算求出X_m和S₁，然后求出第一个分界值X_m+KS₁后，剔除此分界值以上的“异常火花强度”；

③用步骤②计算后余下的单次火花光谱强度数据进行第二次计算并求出第二个分界值X_m+KS₂，继续剔除此分界值以上的“异常火花强度”；

④重复步骤③，一直持续n次后求出最后的分界值X_m+KS_n后，已没有高于此分界值的单次火花光谱强度数据为止，即已没有可以剔除的异常火花光谱强度数据。这时分界值X_m+KS_n即是所要确定的夹杂物信号的阈值；

⑤依次对K值进行系列选取，并最终确定合适的K值，即最终确定阈值；

(4)建立数学分析模式

依据常规手段分析中金相检测所得被测样品的粒径分布与单次火花光谱信号净强度之间的相关性，最终建立被测样品中夹杂物粒径计算的数学公式，被测样品中夹杂物粒径计算的数学公式

$D=\frac{t_2}{t_1}I+D_0$

式中：D为夹杂物粒径，I为火花光谱信号净强度，t₁、t₂为指数衰减方程的系数，D₀为夹杂物粒径阈值，而当I＝I₀＝0时，D＝D₀。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于只需对相同工艺或相同牌号的钢种中有代表性的一块钢样应用常规手段分析和金属原位分析相结合的方法，对被测样品中夹杂物的分布规律确定，建立相应的数学分析模式后，则可以实现该工艺下或该牌号下所有钢种中夹杂物的分布规律，并进而推导出各类夹杂物(内生或外来夹杂物)的生长规律。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于被测样品与常规发射光谱法分析样品中所述的“控样”，其作用相当。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于被测样品中夹杂物粒径计算结果最终以夹杂物的异常单次火花放电强度和位置为参数、以异常单次火花放电强度和夹杂物粒径为参数、以夹杂物粒径和位置为参数，用二维图、三维图、柱状分布图方式来显示夹杂物粒径分布规律。

5.根据权利要求1或4所述的分析方法，其特征在于以异常光谱信号强度的平均值来计算被测样品中夹杂物的平均粒径；以最高异常光谱信号强度值来计算被测样品中夹杂物的最大粒径。

6.根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于依据分析被测样品建立的数学公式计算夹杂物粒径为最低检测限。

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