基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法技術

本發明專利技術屬于材料科學領域中的表面微區分析技術領域，特別涉及一種運用激光誘導擊穿光譜儀，基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法。該方法包括如下步驟：(a)獲取校準曲線；(b)掃描分析樣品；(c)測量燒蝕斑點；(d)結果分析。本發明專利技術采集的是硫化錳類夾雜物組成元素的信號強度，通過使用校準曲線反演獲得硫化錳類夾雜物的長度或面積；樣品前處理簡單、分析速度快、掃描面積范圍大。

Analysis and rating method of manganese sulfide inclusions in iron and steel based on calibration curve

The invention belongs to the technical field of surface materials science in the field of micro analysis, especially relates to a laser induced breakdown spectrometer application, analysis of rating method of manganese sulfide inclusions in the steel type calibration curve based on. The method comprises the following steps: (a) obtaining a calibration curve; (b) scanning and analyzing a sample; (c) measuring a ablated spot; and (d) analyzing the results. The present invention is collecting signal strength of manganese sulfide inclusions elements, obtain the length or area of manganese sulfide inclusions by using calibration curve inversion; simple sample preparation, rapid analysis, scanning area.

【技術實現步驟摘要】
基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法
本專利技術屬于材料科學領域中的表面微區分析
，特別涉及一種運用激光誘導擊穿光譜儀，基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法。
技術介紹
現代工業對鋼鐵產品加工性能的要求越來越高，需要鋼中含有一定量的硫，利用生成的硫化物改善切削性能，同時為了保證綜合力學性能，又需要控制硫化物的含量和形態。可用于分析材料中硫化錳類夾雜物含量及分布的儀器和方法很多，在材料研究和工業生產中應用比較廣泛的主要有金相顯微鏡、掃描電鏡/能譜儀(SEM/EDS)、電子探針(EPMA)等，形成了GB/T10561、ISO4967、ASTME45、DIN50602、EN10247等標準檢驗方法。上述方法的不足之處在于鋼鐵材料樣品前處理非常繁瑣，分析速度慢，觀察的區域很小，難以實現大尺寸范圍的快速全自動分析。激光誘導擊穿光譜(LIBS)是近三十年發展很快的一種原子發射光譜分析方法，具有樣品制備簡單、分析速度快、樣品燒蝕量小、易于實現在線、遠距離分析等優點，在冶金領域具有廣闊的應用前景。在應用激光誘導擊穿光譜研究鋼中非金屬夾雜物的過程中發現，夾雜物長度、面積與信號強度以及特征元素含量之間存在比較好的線性關系，基于上述規律特性，本專利技術提出了用激光誘導擊穿光譜測定硫化錳類夾雜物含量的分析方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種采用激光誘導擊穿光譜儀基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，用于對鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物的含量及分布的統計分析。為了實現上述目的，本專利技術提供了如下技術方案：本專利技術提供一種基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，該方法包括如下步驟：a.獲取校準曲線：通過激光誘導擊穿光譜儀器聯合使用金相顯微鏡或掃描電鏡，獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物長度–信號強度關系曲線作為校準曲線，或者獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物面積–信號強度關系曲線作為校準曲線；或者通過使用系列鋼鐵材料標準樣品獲得元素濃度–信號強度關系曲線作為校準曲線；b.掃描分析樣品：將樣品表面磨平，在保護氣氛環境下，用激光誘導擊穿光譜儀器對待分析鋼鐵材料樣品進行二維掃描分析，獲取S及Mn元素信號強度的二維分布；c.測量燒蝕斑點：在金相顯微鏡或掃描電鏡下通過直接測量或輔以幾何計算得到步驟b鋼鐵材料樣品掃描分析后燒蝕斑點的激發區尺寸、面積和掃描步長，并根據掃描步長確定評級視場大小，即確定評級視場中燒蝕斑點數量；d.結果分析：使用步驟a獲取的校準曲線和步驟c獲取的燒蝕斑點測量結果，結合步驟b掃描分析得到的S及Mn元素信號強度的二維分布數據，計算評級視場內硫化錳類夾雜物長度或面積，然后，對硫化錳類夾雜物長度或面積進行折算，最后，根據折算后的硫化錳類夾雜物長度或面積進行評級。所述步驟a中，采用硫化錳類夾雜物長度–信號強度關系曲線或硫化錳類夾雜物面積–信號強度關系曲線作為校準曲線時，單獨使用S或Mn元素的信號，或者同時使用S和Mn兩種元素的信號；應選取與待分析鋼鐵材料樣品相同或相近的材料，先用金相顯微鏡或掃描電鏡獲取鋼鐵材料樣品檢驗面上硫化錳類夾雜物的分布圖，然后用激光誘導擊穿光譜掃描鋼鐵材料樣品，提取異常信號所在燒蝕斑點的激發區內硫化錳類夾雜物的長度或面積信息，通過對這些異常信號的統計，獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物長度或面積與S和/或Mn元素信號強度之間的關系曲線。所述步驟a中，采用元素濃度–信號強度關系曲線作為校準曲線時，單獨使用S或Mn元素的信號，或者同時使用S和Mn兩種元素的信號；應選與待分析鋼鐵材料樣品相近且具有不同S和/或Mn含量的系列鋼鐵材料標準樣品；通過對系列鋼鐵材料標準樣品的激發，統計獲得S和/或Mn元素濃度–信號強度的關系曲線。激光誘導擊穿光譜儀器的工作參數設置如下：脈沖能量調整范圍為0mJ～900mJ；透鏡至樣品表面距離為17mm～28mm；樣品室充入高純氬氣，純度99.999％，氣壓為1000Pa～10000Pa；S元素的延時時間為1μs；Mn元素的延時時間為1.5μs。優選地，激光誘導擊穿光譜儀器的工作參數設置如下：激光誘導擊穿光譜儀器脈沖能量為300mJ；透鏡至樣品表面距離為23mm；樣品室充入高純氬氣，純度99.999％，氣壓為4000Pa；S元素的延時時間為1μs；Mn元素的延時時間為1.5μs。所述步驟c中，評級視場的形狀為方形，評級視場的大小為金相檢驗標準中規定的0.5±0.1mm2的方形標準視場。所述步驟d中，采用硫化錳類夾雜物長度–信號強度關系曲線或硫化錳類夾雜物面積–信號強度關系曲線作為校準曲線時，直接使用校準曲線得到激發區域的硫化錳類夾雜物長度或面積；過程如下：首先采用線性擬合的方式獲取校準曲線的直線方程，然后將不同分析位置的信號強度值代入直線方程計算硫化錳類夾雜物長度或面積。所述步驟d中，采用元素濃度–信號強度作為校準曲線時，首先采用線性擬合的方式獲取校準曲線的直線方程，然后將步驟b掃描分析得到的元素信號強度的二維分布數據帶入校準曲線的直線方程計算不同分析位置的元素濃度，再根據元素濃度計算各分析位置燒蝕激發區域硫化錳類夾雜物面積，計算公式如下：式中，CS和CMn分別為S和Mn的濃度，由步驟b掃描分析得到的S及Mn元素信號強度帶入校準曲線的直線方程計算得出，為已知量；CS0和CMn0分別為S和Mn的固溶濃度，為已知量；St表示燒蝕激發區域的面積，為步驟c中測得的已知量；SMnS表示燒蝕激發區MnS夾雜物的面積。所述步驟d中，由于激光誘導擊穿光譜儀器分析的單個視場內燒蝕斑點所覆蓋的面積不是嚴格等于0.5mm2，使用校準曲線計算得到MnS夾雜物長度或面積之后還需要乘以一個折算系數k，以換算到0.5mm2等效區域內MnS夾雜物的總長度或總面積，這個折算系數k由下式計算獲得：式中，nt為評級視場中燒蝕斑點個數；Si為單個燒蝕斑點的激發區面積。與現有技術相比，本專利技術的有益效果在于：1、已有的硫化錳類夾雜物檢驗方法，如GB/T10561、ISO4967、ASTME45、DIN50602、EN10247等，是在制備好的金相試樣上用顯微鏡直接觀察和測量標準視場內的硫化錳類夾雜物，根據硫化錳類夾雜物長度或面積進行評級。本專利技術屬于一種間接方法，采集的是硫化錳類夾雜物組成元素的信號強度，通過使用校準曲線反演獲得硫化錳類夾雜物的長度或面積。2、已有的金相檢驗方法需將樣品制備成光潔度很高的鏡面，表面清潔度的要求也很高，任何表面粘附都會對檢驗產生干擾，樣品制備對檢驗結果的影響比較大。本專利技術的樣品制備的過程比較簡單，樣品表面只需用砂紙或砂輪磨平即可，表面容許存在少量污染物，污染物可通過預燒蝕的方法清除。3、本專利技術可以使用已有標準檢驗方法使用的試樣，取樣及制樣的原則、方法相近，能方便地實現幾種不同檢測方法的結果對比分析。4、與現行的方法比較，本專利技術對鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物含量分析的優勢在于樣品前處理簡單、分析速度快、掃描面積范圍大。附圖說明圖1為本專利技術基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法的流程圖；圖2為本專利技術實施例鋼鐵材料樣品掃描分析后的燒蝕斑點形貌；圖3為本專利技術實施例硫化錳夾雜物面積–S元素信號強度校準曲線；圖4為本專利技術實施例Mn元素濃度–信號強度校準曲線；圖5為本專利技術實本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：a.獲取校準曲線：通過激光誘導擊穿光譜儀器聯合使用金相顯微鏡或掃描電鏡，獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物長度–信號強度關系曲線作為校準曲線，或者獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物面積–信號強度關系曲線作為校準曲線；或者通過使用系列鋼鐵材料標準樣品獲得元素濃度–信號強度關系曲線作為校準曲線；b.掃描分析樣品：將樣品表面磨平，在保護氣氛環境下，用激光誘導擊穿光譜儀器對待分析鋼鐵材料樣品進行二維掃描分析，獲取S及Mn元素信號強度的二維分布；c.測量燒蝕斑點：在金相顯微鏡或掃描電鏡下通過直接測量或輔以幾何計算得到步驟b鋼鐵材料樣品掃描分析后燒蝕斑點的激發區尺寸、面積和掃描步長，并根據掃描步長確定評級視場大小，即確定評級視場中燒蝕斑點數量；d.結果分析：使用步驟a獲取的校準曲線和步驟c獲取的燒蝕斑點測量結果，結合步驟b掃描分析得到的S及Mn元素信號強度的二維分布數據，計算評級視場內硫化錳類夾雜物長度或面積，然后，對硫化錳類夾雜物長度或面積進行折算，最后，根據折算后的硫化錳類夾雜物長度或面積進行評級。

【技術特征摘要】
1.一種基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：a.獲取校準曲線：通過激光誘導擊穿光譜儀器聯合使用金相顯微鏡或掃描電鏡，獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物長度–信號強度關系曲線作為校準曲線，或者獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物面積–信號強度關系曲線作為校準曲線；或者通過使用系列鋼鐵材料標準樣品獲得元素濃度–信號強度關系曲線作為校準曲線；b.掃描分析樣品：將樣品表面磨平，在保護氣氛環境下，用激光誘導擊穿光譜儀器對待分析鋼鐵材料樣品進行二維掃描分析，獲取S及Mn元素信號強度的二維分布；c.測量燒蝕斑點：在金相顯微鏡或掃描電鏡下通過直接測量或輔以幾何計算得到步驟b鋼鐵材料樣品掃描分析后燒蝕斑點的激發區尺寸、面積和掃描步長，并根據掃描步長確定評級視場大小，即確定評級視場中燒蝕斑點數量；d.結果分析：使用步驟a獲取的校準曲線和步驟c獲取的燒蝕斑點測量結果，結合步驟b掃描分析得到的S及Mn元素信號強度的二維分布數據，計算評級視場內硫化錳類夾雜物長度或面積，然后，對硫化錳類夾雜物長度或面積進行折算，最后，根據折算后的硫化錳類夾雜物長度或面積進行評級。2.根據權利要求1所述的基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，其特征在于：所述步驟a中，采用硫化錳類夾雜物長度–信號強度關系曲線或硫化錳類夾雜物面積–信號強度關系曲線作為校準曲線時，單獨使用S或Mn元素的信號，或者同時使用S和Mn兩種元素的信號；應選取與待分析鋼鐵材料樣品相同或相近的材料，先用金相顯微鏡或掃描電鏡獲取鋼鐵材料樣品檢驗面上硫化錳類夾雜物的分布圖，然后用激光誘導擊穿光譜掃描鋼鐵材料樣品，提取異常信號所在燒蝕斑點的激發區內硫化錳類夾雜物的長度或面積信息，通過對這些異常信號的統計，獲取鋼鐵材料中硫化錳類夾雜物長度或面積與S和/或Mn元素信號強度之間的關系曲線。3.根據權利要求1所述的基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，其特征在于：所述步驟a中，采用元素濃度–信號強度關系曲線作為校準曲線時，單獨使用S或Mn元素的信號，或者同時使用S和Mn兩種元素的信號；應選與待分析鋼鐵材料樣品相近且具有不同S和/或Mn含量的系列鋼鐵材料標準樣品；通過對系列鋼鐵材料標準樣品的激發，統計獲得S和/或Mn元素濃度–信號強度的關系曲線。4.根據權利要求1所述的基于校準曲線的鋼鐵中硫化錳類夾雜物的分析評級方法，其特征在于：激光誘導擊穿光譜儀器的工作參數設置如下：脈沖能量調整范圍為0mJ～900mJ；透鏡至樣品表面距離為17mm～28mm；樣品室充入高純氬氣，純度99.999％，氣壓為1000Pa～10000Pa；S元素的延時時間為1μs...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊春，賈云海，陳吉文，王輝，李冬玲，劉佳，鐘振前，
申請(專利權)人：鋼研納克檢測技術有限公司，
類型：發明
國別省市：北京,11