郭秋娟　邵奎祥

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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鋼中超輕元素C的能譜定量測(cè)試研究

郭秋娟邵奎祥

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

對(duì)7個(gè)C含量小于1%的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣進(jìn)行了測(cè)試研究，得到了不同C含量鋼樣準(zhǔn)確定量所需的SEC因子以及C含量與SEC因子之間的關(guān)系，大大提高了利用能譜儀測(cè)量超輕元素C的準(zhǔn)確性。

能譜儀定量分析；超輕元素；C含量

C是鋼鐵材料的主要組成元素，C含量的高低對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等都有很大的影響。C含量檢測(cè)分析在材質(zhì)鑒別、材料研究和失效分析中經(jīng)常用到，尤其是在C含量較低的大型鑄鍛件中。準(zhǔn)確測(cè)量出此范圍內(nèi)的C元素含量對(duì)分析研究有著重要的意義。

X射線能譜儀主要用來分析材料表面的微區(qū)成分，可檢測(cè)的元素范圍為Be4～U92，定性分析和定量分析可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成，還具有不破壞樣品等其他分析方法不具備的優(yōu)勢(shì)[1]。原子序數(shù)小于11的輕元素，尤其是C元素，由于X射線的產(chǎn)額低、表面碳化等原因，其準(zhǔn)確定量對(duì)能譜儀來說一直是個(gè)難題[2]。GENESIS能譜儀定量分析程序的SEC因子修正技術(shù)為此提供了一種解決方案，但不同的元素與不同含量對(duì)應(yīng)的SEC因子需要具體的確定[3]。

本文對(duì)7個(gè)C含量小于1%的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣進(jìn)行了測(cè)試研究，得到了不同C含量的準(zhǔn)確定量所需的SEC因子以及C含量與SEC因子之間的關(guān)系，大大提高了利用能譜儀快速測(cè)量超輕元素C的準(zhǔn)確性，在工程及材料研究方面都有廣泛的應(yīng)用。

1　實(shí)驗(yàn)儀器、樣品與實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是QUANTA400環(huán)境掃描電子顯微鏡和GENESISX射線能譜儀。

表1　7個(gè)標(biāo)樣的C含量標(biāo)準(zhǔn)值與不確定度Table 1　Standard values and uncertainties ofC contents of 7 standard samples

實(shí)驗(yàn)用樣品為編號(hào)為GSB03-2021—2006的7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品。此標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)均勻性檢驗(yàn)合格，由8家分析水平較高的單位進(jìn)行定值，見表1。

為了得到最佳的分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)在統(tǒng)一的測(cè)試條件下進(jìn)行：環(huán)境模式為高真空模式，束斑大小為4.5μm，時(shí)間常數(shù)為51.2μs，死時(shí)間為30%左右，每處的采集時(shí)間為80s，工作距離為10mm。為減小試樣不均勻性引起的測(cè)量誤差，試樣的放大倍數(shù)選擇50倍。因?yàn)閽呙桦婄R的加速電壓的大小會(huì)影響到輕元素的SEC因子[4]，本實(shí)驗(yàn)選用鋼鐵材料檢測(cè)中最適合也最常用的加速電壓為20kV。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1不進(jìn)行SEC因子修正時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在能譜儀EDAX默認(rèn)程序下，只進(jìn)行ZAF修正，即原子序數(shù)Z、吸收因子A和熒光效應(yīng)F的修正，在此條件下測(cè)得了7個(gè)標(biāo)樣的C含量值及其與標(biāo)準(zhǔn)值間的相對(duì)誤差，見表2。

表2　7個(gè)標(biāo)樣不進(jìn)行SEC修正時(shí)C的測(cè)量值及相對(duì)誤差Table 2　Measured values and relative errors of C contents of 7 standard samples without SEC correction

從表2可以看出，不進(jìn)行SEC因子修正時(shí)測(cè)量結(jié)果均偏高，而且隨著C含量的減小，相對(duì)誤差越來越大。在所測(cè)的標(biāo)樣中，最小的相對(duì)誤差為760.70%，最高已經(jīng)達(dá)到8 559.10%，測(cè)量結(jié)果基本不可用。

2.2進(jìn)行SEC因子修正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

SEC即非標(biāo)準(zhǔn)樣輕元素修正因子，SEC因子修正法是介于完全無標(biāo)樣定量分析與有標(biāo)樣定量分析之間的一種方法[5]。SEC方法使用的標(biāo)準(zhǔn)樣品比有標(biāo)樣定量分析方法使用的標(biāo)樣的要求要低得多，且操作簡單，用時(shí)短。SEC因子修正是先通過其它途徑獲得正常產(chǎn)品或者標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中的輕元素的含量，以此為依據(jù)修正這些輕元素的修正因子，反過來，用修正后的因子計(jì)算待測(cè)樣品的輕元素。另外，工作條件與參數(shù)盡量保持相同。

具體實(shí)驗(yàn)方法如下：使用能譜儀的Spectrum界面，采集譜線，標(biāo)定所有元素，點(diǎn)擊Quant(定量)按鈕右側(cè)的展開按鈕，在彈出的選項(xiàng)中選擇SEC，彈出SECFactor對(duì)話框，選擇USER模式，然后選擇K線系修正，在下面的列表中找到C元素，其默認(rèn)修正值為1.00，單擊C元素及因子一行，調(diào)整C的SEC因子數(shù)值，回車確認(rèn)，點(diǎn)擊Ok，完成SEC因子修改，點(diǎn)擊Quant按鈕，出現(xiàn)定量分析結(jié)果，比較C的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值，不斷的進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，直到此SEC因子修正所得的C含量為標(biāo)準(zhǔn)含量。能譜儀定量及SEC因子修正實(shí)驗(yàn)界面見圖1。

為減少試樣不均勻性等帶來的誤差，移動(dòng)試樣位置，在另外4個(gè)不同的位置進(jìn)行上述同樣的測(cè)試計(jì)算，把五次測(cè)量結(jié)果的平均值作為此C含量對(duì)應(yīng)的SEC因子的最終值，見表3。

以7個(gè)試樣的C含量為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的SEC因子的最終值(平均值)為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，見圖2。

從圖2可以看出，當(dāng)C含量增大時(shí)，SEC因子隨之減小。當(dāng)C<0.4%時(shí)，SEC因子隨之變化較快；當(dāng)C>0.4%時(shí)，SEC因子則變化較慢。從圖2可以大致得出當(dāng)C含量在0.04%～0.85%時(shí)C含量所對(duì)應(yīng)的SEC因子值，此結(jié)果可用于超輕元素C的準(zhǔn)確定量。

圖1　能譜儀定量及SEC因子修正實(shí)驗(yàn)界面Figure 1　Quantification and SEC factor correctionexperimental interface of energy spectrometer表3　7個(gè)標(biāo)樣的C標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的SEC因子Table 3　SEC factor corresponding to carbonstandard values of 7 standard stamples

標(biāo)準(zhǔn)樣品編號(hào)18201a18207a18202a18203a18205a18204a18206a不同位置的SEC因子120.00100.0080.0095.00105.0035.0045.0040.0049.0052.0025.0027.0020.0020.0023.0014.5015.5018.5017.0015.5010.009.209.6010.8010.008.808.209.6010.608.807.807.008.409.409.20平均值100.0044.2023.0016.209.929.208.36

圖2　SEC因子與C含量的關(guān)系Figure 2　The relationship betweenSEC factor and carbon content

為驗(yàn)證上述SEC因子最終值的準(zhǔn)確性，進(jìn)行

了下面的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。即在試樣的另外3個(gè)位置，輸入得到的SEC因子，測(cè)量C的含量，并計(jì)算其與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差，7個(gè)標(biāo)樣均進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，見表4。

表4　7個(gè)標(biāo)樣的C含量驗(yàn)證結(jié)果及相對(duì)誤差Table 4　Verification results and relative error ofC contents of 7 standard samples

從表4可以看出，驗(yàn)證結(jié)果的相對(duì)誤差均在±10%以內(nèi)，相對(duì)誤差比不進(jìn)行SEC因子修正的結(jié)果顯著減??；并且隨著C含量的增大，相對(duì)誤差逐漸減小。

3　結(jié)論

(1)不進(jìn)行SEC因子修正時(shí)用能譜儀測(cè)得的超輕元素C的結(jié)果的相對(duì)誤差非常大。

(2)進(jìn)行SEC因子修正后的C元素的測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差明顯減小，均在±10%以內(nèi)。隨著C含量的增大，相對(duì)誤差則逐漸減少。

(3)當(dāng)C元素的含量增大時(shí)，SEC因子則隨之減小，二者成反比關(guān)系。當(dāng)C<0.4%時(shí)，SEC因子變化較快；當(dāng)C>0.4%時(shí)，SEC因子變化較慢。

(4)得到了SEC因子與C含量(0.04%～0.85%)的關(guān)系圖，可指導(dǎo)在此含量范圍內(nèi)C元素的準(zhǔn)確定量。

[1]趙鴻飛.X射線能譜精確定量技術(shù)的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[2]GoldsteinJI.掃描電子顯微技術(shù)與X射線顯微分析[M]. 張大同，譯.北京: 科學(xué)出版社, 1988：288-292.

[3]張素新，翁澤婷，肖少泉，等. 方解石、白云石樣品能譜無標(biāo)樣定量分析準(zhǔn)確性探討[J]. 礦物巖石, 2010, 30(3)：109-115.

[4]張素新，翁澤婷，肖少泉，等. 能譜儀定量分析含C鋼鐵樣品的準(zhǔn)確性研究[C]//全國電子顯微學(xué)會(huì)議暨海峽電子顯微學(xué)研討會(huì).2010.

[5]馬永恒. 不銹鋼X射線能譜定量分析方法研究[D].上海:上海材料研究所, 2013.

編輯杜青泉

ResearchonEnergySpectrumQuantitativeMeasurementofUltraLightElementCinSteel

GuoQiujuan,ShaoKuixiang

Sevenstandardsteelsamplesofwhichcarboncontentsarelessthan1%havebeentestedandstudied.TheSECfactorandtherelationshipbetweenCcontentandSECfactorareobtained,whichcanbeusedforaccuratequantificationofstandardsteelsampleswithdifferentCcontents,soastogreatlyincreasethemeasuringaccuracyofultralightelementCbyusingtheenergydispersivespectrometer.

EDSquantitativeanalysis;ultralightelement;Ccontent

2016—03—28

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