專利名稱：金屬原位統計分布分析方法
技術領域：
本發明屬于借助測定材料的物理性質來分析材料的領域，主要涉及金屬材料的化學成分及其狀態分析。
背景技術：
化學成分、偏析、表面缺陷、夾雜物的含量是鋼鐵生產質量控制最重要的四項內容。在現有技術中，采用硫印試驗來檢驗元素在鋼中偏析或分布，用酸浸試驗來檢驗中心疏松，采用金相法檢驗夾雜物的形貌、分布，上述傳統方法手續繁鎖、分析速度慢，結果無法定量化(《光學顯微分析》P21-40孫業英著 清華大學出版社，1996.10)。
現有技術中的火花源原子發射光譜儀可以進行材料中的化學成分分析，但只能得到各元素平均含量，無法進行成分的分布分析，更無法進行偏析度、疏松度、夾雜物定量分布分析。究其原因，主要是目前火花源原子發射光譜儀存在以下三項主要技術缺陷一、靜態激發。分析過程中保持樣品固定，每次只是激發熔融一個5mm直徑的斑點，為靜態激發，不能記錄單次放電的位置，從而無法進行元素與夾雜物的分布分析；二、積分檢測方式。采集的對象為幾千個放電脈沖的積分電壓，無法識別每個火花特性，從而無法解析蘊藏在單次火花放電中的化學信息；三、高能預燃。經過20至30秒的預燃，大部分夾雜物被重融，從而無法觀察到那些反映夾雜物信息的異常火花。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能快速且準確的直接測定金屬材料化學成分、元素成分分布、偏析度、疏松度及夾雜物分布的金屬原位統計分布分析方法。
基于上述目的，本發明的技術方案如下本發明金屬原位統計分布分析方法采用光譜分析，其具體的測定步驟如下
激發光源系統對樣品實施連續激發和同步掃描定位——激發的光譜色散成線狀光譜——采集和記錄單次火花放電的光譜強度——對采集和儲存的線狀譜線強度進行統計解析和定量分析，從而測定樣品的化學成分與結構等參數。現分述如下一.激發光源系統對樣品實施連續激發和同步掃描定位在對樣品火花激發放電時，樣品夾持在連續激發同步掃描定位系統(一種可編程的自動化掃描平臺裝置)上，相對激發光源的電極，使樣品與電極之間能在X-Y軸兩個方向上作相對運動，或進行圓周運動，對樣品實施移動動態連續激發火花放電，同時通過檢測器實時記錄單次火花放電的位置，實現連續激發和定位掃描，并在連續激發同步定位掃描過程中，確定一個定位的相對零點。
二.將激發光譜色散成線狀光譜激發光源系統對樣品所激發的光譜通過入射狹縫進入單色計，色散成線狀光譜，并通過出射狹縫進入單次火花放電的光譜強度的采集系統。出射狹縫的個數達3-55個，即采用3-55個多通道的線狀光譜通道，可同時分析樣品中的多個元素。
三.采集和記錄單次火花放電的譜線強度由出射狹縫透過的線狀光譜進入采集記錄系統的光電倍增管，轉化為電信號，經放大后，由采集板進行A/D轉化，以數字形式實時記錄和儲存，即實現單次火花放電的光譜強度的采集和記錄。
四.對采集和儲存的線狀光譜強度進行統計解析所采集和儲存的單次火花放電的線狀光譜強度進入計算機，由相關的軟件進行統計解析，從而測定樣品的化學成分，成分偏析度、疏松度和夾雜物分布等。其激發光源采用無預燃連移動激發方式，在統計解析定量分析時，對應單次放電其具體的定量公式為Ri＝Ia，i/Ir，i＝KCib式中，Ri為第i次放電測量的譜線強度比值，Ia，i和Ir，i分別為第i次測量時分析線和參比線的強度值，Ci為第i次激發點的元素含量(即測量所求的含量)，b為與譜線性質相關的常數，b值為0-1；K是與試樣的蒸發、激發過程和試樣組成等有關的一個參數。
由此可確定樣品第i點的元素含量。
本發明所述的統計分布分析方法以掃描范圍內所有單次放電所對應元素含量的統計平均值來計算樣品的化學成份，其定量公式為C-=ΣinCin]]>式中C為樣品中元素含量的統計平均值，Ci為樣品第i點的元素含量。
以某一元素的最高點的含量與該元素各點的含量平均值的比值來表征元素的偏析度，其定量公式為S＝Cmax/C0(或(Cmax-C0)/C0)；也可以整個掃描區內不同含量單次放電頻度分布作為偏析度的表征。
其中S代表某元素偏析度，Cmax為掃描的線或面上的最高值，C0為該線或面的平均含量。
以基體元素的強度分布或轉化為表觀密度分布的方式來表征材料的疏松度；以異常單次放電在所有單次放電中所占比例來計算非固溶態金屬的含量，其定量公式為Cinsol＝C·n/N其中Cinsol代表某元素非固溶態的含量，C為樣品中該元素的含量，n為非固溶態的單次放電次數，N為全部單次放電次數。
通過多通道同步解析的方式來確定夾雜物的種類。當放電在夾雜物上進行時，由于夾雜物的局部富集，使得夾雜元素的譜線強度大大增強，將可以通過預先設定的夾雜物種類的組成進行聯合解析。例如，通過測量不同種類Al夾雜物各組成元素(氧、鋁、氮……)的單次放電所產生的異常信號，結合每個元素的不同形態火花行為的差異進行合成解析，能夠實現Al夾雜物的分類、定性、定量分析。
以各通道異常單次放電強度的頻度分布來表征夾雜物的粒度分布。不同粒度夾雜物的異常火花頻度強度分布與夾雜物的粒度分布之間存在對應關系。
以各元素的單次火花放電強度(或元素含量)和位置為參數，用二維、三維圖形方式顯示元素成分分布。
以非固溶態金屬的單次放電強度或夾雜物含量和位置為參數，用二維、三維圖形方式顯示夾雜物分布。
與現有技術相比，本發明具有如下優點<1>一次掃描分析，同時得到材料中各種元素含量、元素成分分布、偏析度、疏松度和夾雜物的定量分析結果。分析測試信息全面，對照性強。
<2>以掃描范圍內各點的元素含量的平均值來計算樣品的化學成分，避免了元素偏析時取樣點的差異而帶來的誤差，分析結果更可靠。
<3>以二維圖形顯示材料任意點、線上的各元素成分含量，并標明最嚴重偏析出現的位置，結果定量準確，實用性強。
<4>以二維圖形顯示材料任意點、線上的疏松狀況，并標明最嚴重疏出現的位置，結果定理準確，實用性強。
<5>以三維立體圖形顯示材料中元素成分和夾雜物的分布，形象直觀。
<6>分析周期短，適用于生產現場的監控。


附圖1為本發明實施例中樣品A2中碳含量的三維顯示圖。
附圖2為本發明實施例中樣品A2中碳含量的二維等高圖。
附圖3為本發明實施例中樣品A1中碳含量的二維等高圖。
附圖4為本發明實施例中樣品C中焊縫間熔敷區元素錳的成分分布圖。
在附圖1中，X、y軸為樣品移動掃描的位移(mm)，Z軸(縱軸)為譜線強度，即元素含量。
實施例采用本發明所述金屬原位統計分布分析方法對三個樣品的化學成分、偏析度、疏松度和夾雜物分布進行了分析。
三個樣品分別為樣品A是普碳連鑄板坯，其中A1為連鑄板坯出連鑄機后通過軋輥對鑄坯進行了輕壓，A2則是未經輕壓的鑄坯；樣品B為20MnSi的方坯；樣品C為船舶用低碳鋼焊縫金屬。表1分別列出樣品A、B鋼種在冶煉時設計的化學成分，樣品C則母材冶煉時的設計化學成分。
從樣品中切取試樣，并將試樣加工出一個平面，用砂紙或磨床磨出新鮮面，試樣夾持在連續激發同步掃描定位系統(一種可編程的自動化掃描平臺裝置，參看申請在前的申請號為02116294.8的專利申請文件)上。
火花光譜激發前，一是用氬氣沖洗激發光源系統，一是由連續激發同步掃描定位系統夾持試樣，確定一個相對零點。
然后啟動激發光源系統，對試樣實施連續激發和移動掃描，試樣掃描為線狀面掃描，沿X軸方向連續掃描，掃描速度為1mm/sec，沿Y軸方向為步進式掃描。
三個試樣的火花光譜的激發參數為頻率500HZ，電感130μH，電容2.2μF，電阻1.0Ω，火花間隙2.0mm，電極材料為45°頂角線鎢電極，直徑5mm。
連續移動激發所產生的光譜經單色計入射狹縫，進入分光系統，經光柵色散為線狀光譜，經單色計出射狹縫，被檢測系統所采集，單次火花放電的線狀光譜信號采集速度為100kHz/通道，經A/D轉化，以數字形式記錄，存貯于計算機，經軟件處理后，測出試樣中各元素的含量。
表2列出三個樣品中各元素的波長及元素含量。測定時的參比元素為Fe。
各樣品中的所含元素測定之后，用三維形式顯示了樣品A2中碳含量的三維顯示圖(相應于附圖1)。用二維形式顯示了樣品A1和A2中碳含量的二維等高圖(相應于附圖4和附圖3)。
附圖1說明了樣品中碳元素的分布。也表示了樣品化學成分的偏析情況。表1實施例樣品在冶煉時的設計化學成分(重量％) 表2實施例三個樣品所測出的元素含量(wt)及波長
權利要求
1.一種金屬原位統計分布分析方法，采用光譜分析，利用激發光源系統中的電極對需測試的樣品實施火花激發放電，所激發的光譜通過單色計色散成線狀光譜，并透過出射狹縫，進入采集記錄系統的光電倍增管，由光信號轉化為電流信號，經放大后進行A/D轉化，以數字形式記錄儲存，即實現單次火花放電的光譜強度的采集和記錄，隨后由計算機的相關軟件對所記錄和儲存的單次火花放電的線狀光譜強度進行統計解析，從而確定樣品的化學成分、偏析度、疏松度和夾雜物分布，其特征在于①在對樣品火花激發放電時，樣品夾持在一種可編程的自動化掃描平臺裝置上，相對激發光源系統的電極，使樣品與電極之間能在X-Y軸兩個方向上作相對運動，或進行圓周運動，對樣品實施移動動態連續火花激發放電，同時通過該裝置上的位置檢測器實時記錄單次火花放電的位置，實現連續激發同步定位掃描；②采用3--55個的線狀光譜通道，即一次同時可分析樣品的多個元素；③在對采樣儲存的線狀光譜單次放電強度進行統計解析及定量分析時，其激發光源采用無預燃連續移動激發方式，對應單次放電其具體的定量公式為Ri＝Ia，i/Ir，i＝KCib式中，Ri為分別為第i次單次放電測量的譜線強度比值，Ia，i和Ir，i分別為第i次測量時分析線和參比線的強度值，Ci為第i次激發點的元素含量(即測量所求的含量)，b為與譜線性質相關的常數，b值為0-1；K是與試樣的蒸發、激發過程和試樣組成等有關的一個參數。
2.根據權利要求1所述的統計分布分析方法，其特征在于以掃描范圍內各點的元素含量的平均值為計算樣品的化學成分，其定量公式為C-=ΣinCin]]>式中C為樣品中元素含量的統計平均值，Ci為樣品第i點的元素含量。
3.根據權利要求1所述的統計分布分析方法，以某一元素的最高點的含量與該元素各點的含量平均值的比值來表征元素的偏析度，其定量公式為S＝Cmax/C0(或(Cmax-C0)/C0)其中S代表某元素偏析度，Cmax為掃描的線或面上的最高值，C0為該線或面的平均含量。
4.根據權利要求1所述的統計分布分析方法，其特征在于以基體元素的強度分布或轉化為表觀密度來表征材料疏松度。
5.根據權利要求1所述的統計分布分析方法，其特征在于以異常火花在所有火花所占的比例來計算非固溶態金屬的含量，其定量公式為Cinsol＝C·n/N其中Cinsol代表某元素非固溶態的含量，C為樣品中該元素的含量，n為非固溶態的單次放電次數，N為全部單次放電次數。
6.根據權利要求1所述的統計分布分析方法，其特征在于通過多通道同步合成解析的方式確定夾雜物的種類，以各通道異常火花強度的頻度分布來表征夾雜物的粒度分布。
7.根據權利要求1、2所述的統計分布分析方法，其特征在于以各元素的單次火花放電強度(或元素含量)和位置為參數，用二維、三維圖形方式顯示元素成分分布。
8.根據權利要求6所述的統計分布分析方法，其特征在于以非固溶態金屬的單次火花放電強度和位置為參數，用二維、三維圖形方式顯示夾雜物分布分析。
全文摘要
本發明屬于借助測定材料的物理性質來分析材料的領域,主要涉及金屬材料的化學成分及其狀態分析。本發明金屬原位統計分布分析方法其步驟包括:激發光源系統對樣品實施無預燃連續激發和同步掃描定位、激發的光譜色散成線狀光譜、采集和記錄單次火花放電的光譜強度、對采集和儲存的線狀光譜譜線強度進行統計解析,經計算機處理,測出樣品的化學成分、偏析度、疏松度和夾雜物分布等參數。本發明的主要優點是測速快且準確。同時一次掃描就可測出樣品中的各種元素參數。
文檔編號G01N21/67GK1375692SQ0211711
公開日2002年10月23日 申請日期2002年4月19日 優先權日2002年4月19日
發明者王海舟, 陳吉文, 楊志軍, 楊新生, 高宏斌, 賈云海, 袁良經 申請人:鋼鐵研究總院