鋼中超輕元素C的能譜定量測試研究

郭秋娟　邵奎祥

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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鋼中超輕元素C的能譜定量測試研究

郭秋娟邵奎祥

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

對7個C含量小于1%的標準鋼樣進行了測試研究，得到了不同C含量鋼樣準確定量所需的SEC因子以及C含量與SEC因子之間的關系，大大提高了利用能譜儀測量超輕元素C的準確性。

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含量的高低對材料的強度、硬度、塑性和韌性等都有很大的影響。C含量檢測分析在材質鑒別、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。準確測量出此范圍內(nèi)的C元素含量對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[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，其準確定量對能譜儀來說一直是個難題[2]。GENESIS能譜儀定量分析程序的SEC因子修正技術為此提供了一種解決方案，但不同的元素與不同含量對應的SEC因子需要具體的確定[3]。

本文對7個C含量小于1%的標準鋼樣進行了測試研究，得到了不同C含量的準確定量所需的SEC因子以及C含量與SEC因子之間的關系，大大提高了利用能譜儀快速測量超輕元素C的準確性，在工程及材料研究方面都有廣泛的應用。

1　實驗儀器、樣品與實驗條件

實驗設備是QUANTA400環(huán)境掃描電子顯微鏡和GENESISX射線能譜儀。

表1　7個標樣的C含量標準值與不確定度Table 1　Standard values and uncertainties ofC contents of 7 standard samples

實驗用樣品為編號為GSB03-2021—2006的7個標準樣品。此標準樣品經(jīng)均勻性檢驗合格，由8家分析水平較高的單位進行定值，見表1。

為了得到最佳的分析結果，實驗在統(tǒng)一的測試條件下進行：環(huán)境模式為高真空模式，束斑大小為4.5μm，時間常數(shù)為51.2μs，死時間為30%左右，每處的采集時間為80s，工作距離為10mm。為減小試樣不均勻性引起的測量誤差，試樣的放大倍數(shù)選擇50倍。因為掃描電鏡的加速電壓的大小會影響到輕元素的SEC因子[4]，本實驗選用鋼鐵材料檢測中最適合也最常用的加速電壓為20kV。

2　實驗結果及分析

2.1不進行SEC因子修正時的實驗結果

在能譜儀EDAX默認程序下，只進行ZAF修正，即原子序數(shù)Z、吸收因子A和熒光效應F的修正，在此條件下測得了7個標樣的C含量值及其與標準值間的相對誤差，見表2。

表2　7個標樣不進行SEC修正時C的測量值及相對誤差Table 2　Measured values and relative errors of C contents of 7 standard samples without SEC correction

從表2可以看出，不進行SEC因子修正時測量結果均偏高，而且隨著C含量的減小，相對誤差越來越大。在所測的標樣中，最小的相對誤差為760.70%，最高已經(jīng)達到8 559.10%，測量結果基本不可用。

2.2進行SEC因子修正的實驗結果及分析

SEC即非標準樣輕元素修正因子，SEC因子修正法是介于完全無標樣定量分析與有標樣定量分析之間的一種方法[5]。SEC方法使用的標準樣品比有標樣定量分析方法使用的標樣的要求要低得多，且操作簡單，用時短。SEC因子修正是先通過其它途徑獲得正常產(chǎn)品或者標準產(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，用修正后的因子計算待測樣品的輕元素。另外，工作條件與參數(shù)盡量保持相同。

具體實驗方法如下：使用能譜儀的Spectrum界面，采集譜線，標定所有元素，點擊Quant(定量)按鈕右側的展開按鈕，在彈出的選項中選擇SEC，彈出SECFactor對話框，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，其默認修正值為1.00，單擊C元素及因子一行，調整C的SEC因子數(shù)值，回車確認，點擊Ok，完成SEC因子修改，點擊Quant按鈕，出現(xiàn)定量分析結果，比較C的測量值與標準值，不斷的進行上述實驗，直到此SEC因子修正所得的C含量為標準含量。能譜儀定量及SEC因子修正實驗界面見圖1。

為減少試樣不均勻性等帶來的誤差，移動試樣位置，在另外4個不同的位置進行上述同樣的測試計算，把五次測量結果的平均值作為此C含量對應的SEC因子的最終值，見表3。

以7個試樣的C含量為橫坐標，以對應的SEC因子的最終值(平均值)為縱坐標，繪制曲線圖，見圖2。

從圖2可以看出，當C含量增大時，SEC因子隨之減小。當C<0.4%時，SEC因子隨之變化較快；當C>0.4%時，SEC因子則變化較慢。從圖2可以大致得出當C含量在0.04%～0.85%時C含量所對應的SEC因子值，此結果可用于超輕元素C的準確定量。

圖1　能譜儀定量及SEC因子修正實驗界面Figure 1　Quantification and SEC factor correctionexperimental interface of energy spectrometer表3　7個標樣的C標準值對應的SEC因子Table 3　SEC factor corresponding to carbonstandard values of 7 standard stamples

標準樣品編號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含量的關系Figure 2　The relationship betweenSEC factor and carbon content

為驗證上述SEC因子最終值的準確性，進行

了下面的驗證實驗。即在試樣的另外3個位置，輸入得到的SEC因子，測量C的含量，并計算其與標準值的相對誤差，7個標樣均進行同樣的實驗，見表4。

表4　7個標樣的C含量驗證結果及相對誤差Table 4　Verification results and relative error ofC contents of 7 standard samples

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

3　結論

(1)不進行SEC因子修正時用能譜儀測得的超輕元素C的結果的相對誤差非常大。

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

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

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

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

[2]GoldsteinJI.掃描電子顯微技術與X射線顯微分析[M]. 張大同，譯.北京: 科學出版社, 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樣定量分析準確性探討[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鋼鐵樣品的準確性研究[C]//全國電子顯微學會議暨海峽電子顯微學研討會.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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