金屬材料中夾雜物粒徑原位統計分布分析方法

專利名稱：金屬材料中夾雜物粒徑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，主要涉及金屬材料中各類夾雜物的粒徑計算。
背景技術：
鋼鐵材料中夾雜物以獨立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續性，增大了鋼組織的不均勻性，對鋼的性能產生強烈影響，而分布不均的夾雜物顆粒則是影響鋼性能的罪魁禍首。為此全面地檢測鋼中夾雜物形狀、粒徑及其分布，并以此適時調整或控制鋼中某些合金元素和有害元素，使所冶煉的鋼種獲得所要求的最佳性能，這是當今鋼鐵冶金系統所追求的目標之一。
在現有的鋼中夾雜物檢測技術中，金相檢測法可以檢測夾雜物形狀、粒徑分布，但難以作定量分析，而且只針對小面積范圍內夾雜物的分布。化學分析法可以進行夾雜物定量計算，但無法實現夾雜物的狀態、形貌以及粒徑分布分析，電鏡十能譜分析，可以分析夾雜物的形貌、組成結構，但只局限于小范圍的微區分析。總之上述傳統分析方法都存在一定不足之處，而且夾雜物的分布不能與樣品中的原位一一對應，另外分析過程繁瑣，分析速度太慢，因此已不適應現今快速分析的要求。要實現大面積范圍內、不同種類夾雜物粒徑分布的原位分析必須把這些分析手段結合起來，發明內容本發明的目的在于提供一種快速檢測金屬材料中夾雜物粒徑原位統計分布分析方法。本發明的另一目的在于通過一次檢測可以獲得不同廠家、不同冶煉工藝或不同爐次下，同一金屬脾號的夾雜物的種類、粒徑及其二維及三維分布，或者對相同工藝或相同牌號的鋼種中有代表性的一塊鋼樣應用常規手段分析和金屬原位分析相結合的方法，對被測樣品中夾雜物的分布規律確定，建立相應的數學分析模式后，則可以實現該工藝下或該牌號下所有鋼種中夾雜物的分布規律，并進而推導出各類夾雜物(內生或外來夾雜物)的生長規律。
基于上述目的，本發明金屬材料中夾雜物粒徑原位統計分析方法包括如下步驟常規手段分析、原位統計分布分析、確定信號閾值和建立數學分析模式，現分述如下(1)常規手段分析采用常規手段分析中金相檢測、化學相態分析和電鏡+能譜分析對被測樣品進行夾雜物檢測。
首先對被測樣品進行分析前預處理，金相檢測時對被測樣品進行線切割、粗磨、細磨、拋光等過程后，再進行各項檢測。
金相檢測在金相顯微鏡下觀測，并應用圖象分析儀統計，得到觀測面內的夾雜物的形狀、粒徑大小等詳細信息；化學相態分析則首先需要進行電解萃取分離，對得到的夾雜物顆粒進行X射線衍射分析，應用激光粒度儀對夾雜物的顆粒大小進行檢測，獲得不同種類的夾雜物的結構組成、夾雜物的含量以及顆粒大小分布信息。
電鏡+能譜分析則可以得到微區內夾雜物的形貌、顆粒大小以及結構狀態。
通過上述常規分析手段最終確定被測樣品中各類夾雜物的含量及粒徑分布規律。
(2)金屬原位統計分布分析采用金屬原位分析儀(參看CN1370987A)對被測樣品進行大面積、無預燃、低能、連續移動掃描激發，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平臺夾持試樣，確定一個相對零點。
然后啟動激發光源系統，對試樣實施連低能、無預燃的連續移動掃描，激發試樣的火花放電，通過分光，經光柵色散為線狀光譜，經單色計色散后輸入出射狹縫，由高速數據采集系統采集和儲存每次放電火花的譜線強度與位置，以數字方式實時紀錄，并通過統計解析，對試樣進行夾雜物的分布分析，獲得夾雜物的有關信息。其中掃描為線狀面掃描，沿X軸方向連續掃描，沿Y軸方向為步進式掃描。另外，由于不同鋼種樣品的激發性能是不同的，因此分析時要首先考察樣品的激發狀態；尤其要考察控樣與待分析樣品的激發性能；通過高速采集系統得到數萬乃至數百萬個表征試樣的原始信息，獲得單次火花光譜信號強度(見附圖1)，在分析軟件中進行系統分析所采集的單次火花光譜強度數據信號后，得到其分布規律(見附圖2)，即正態分布+拖尾峰分布；由于信號既包括固溶態信號(正態分布)也包含夾雜物信號(拖尾峰分布)，在此必須區分固溶態信號與夾雜物信號，根據夾雜物引起的異常火花放電理論，認為附圖1中呈“毛刺”狀的異常信號是由夾雜物產生的。
(3)對單次火花光譜強度數據，辨別固溶信號與夾雜物信號的界限，即確定信號閾值，并以閾值作為區分固溶態信號與夾雜物信號，大于閾值的單次火花光譜信號強度是由夾雜物產生的。
閾值計算步驟如下①應用離散數據中常用的統計方法-萊特準則，迭代計算法計算閾值，其計算公式為閾值＝Xm+KS其中，Xm為最大頻度對應的單次火花光譜強度值，K為與置信概率相關的系數，K值為1～3.5，S為剔除噪音信號后的全部單次火花光譜強度數據的標準偏差。
②據閾值計算公式，用剔除噪音后的火花強度數據進行第一次計算求出Xm和S1，然后求出第一個分界值Xm+KS1后，剔除此分界值以上的“異常火花強度”。
③用步驟②計算后余下的強度數據進行第二次計算并求出第二個分界值Xm+KS2，繼續剔除此分界值以上的“異常火花強度”。
④重復步驟③，一直持續n次后求出最后的分界值Xm+KSn后，已沒有高于此分界值的單次火花光譜強度數據為止，即已沒有可以剔除的異常火花強度數據。這時分界值Xm+KSn即是所要確定的夾雜物信號的閾值。
⑤依次對K值進行系列選取，并最終確定合適的K值，即最終確定閾值。
閾值大小是由光譜強度信號大小和信號分布規律確定的，而最終需要的信息是大于閾值的光譜強度信號。大于閾值的光譜強度信號即為夾雜物信號。
(4)建立數學分析模式依據常規手段分析中金相檢測所獲得的被測樣品的粒徑分布與單次火花光譜信號凈強度之間的相關性，即分布規律均符合指數衰減規律，據規律分析最終建立被測樣品中夾雜物粒徑計算的數學公式，被測樣品中夾雜物粒徑計算的數學公式為D=t2t1I+D0]]>式中D為夾雜物粒徑，I為單次火花光譜信號凈強度，t1、t2為各自衰減方程的系數，D0為夾雜物粒徑閾值，而當I＝I0＝0時，D＝D0。
至此，完成了本發明所述方法的所有步驟，獲得了夾雜物粒徑的有關數據及其分布規律，并與樣品的原始位置一一對應；這是其他分析方法所不能做到的。另外，數學模型建立所參照的常規分析中的夾雜物粒徑分布須以金相檢測結果為主，其他常規分析結果作為金相檢測結果的補充。
圖3B是根據金屬原位統計分布分析和上述數學公式所得到夾雜物粒徑分布規律，與應用常規分析手段得到樣品中夾雜物粒徑分布規律(圖3A)對比，兩者的結果表明，所建立的上述數學模式是正確的。
根據本發明所述的分析方法，只需對相同工藝或相同牌號的鋼種中有代表性的一塊鋼樣應用常規分析手段和金屬原位分析相結合的方法，對被測樣品中夾雜物的分布規律確定，建立相應的數學分析模式后，則可以實現該工藝下或該牌號下所有鋼種中夾雜物的分布規律，并進而推導出各類夾雜物(內生或外來夾雜物)的生長規律。若不同鋼種在進行原位分析時，首先需考察樣品的激發狀態，當樣品的激發狀態基本一致時，亦可應用同一分析數學模式對不同鋼種進行原位分析。
被測樣品與常規發射光譜法分析中所述的“控樣”，其作用相當。
被測樣品中夾雜物粒徑計算結果最終以夾雜物的異常單次火花放電強度和位置為參數、以異常單次火花放電強度和夾雜物粒徑為參數、以夾雜物粒徑和位置為參數，用二維圖、三維圖或柱狀分布圖方式來顯示夾雜物粒徑分布規律。
在所述的分析方法，解決夾雜物粒徑分布后，同時以異常光譜信號強度的平均值來計算被測樣品中夾雜物的平均粒徑；以最高異常光譜信號強度值來計算被測樣品中夾雜物的最大粒徑。
依據分析被測樣品建立的數學公式計算夾雜物粒徑為最低檢測限，即能測量的夾雜物最小粒徑。
若采用常規的分析手段則需要對每塊樣品進行分析，分析速度慢，而且必須結合金相檢測、化學相態分析、電鏡+能譜分析的手段才能全面地分析鋼樣中各類夾雜物粒徑的分布規律，而且得不到大面積范圍內夾雜物的原始位置分布。


圖1是單次火花光譜強度的分布圖，它是采用金屬原位分析儀，對普通金屬樣品進行連續移動掃描激發，高速采集系統所獲得的表征樣品原始信號的單次火花光譜強度的分布，其中橫座為掃描激發位置，縱座標為光譜強度，圖中細長的“毛刺”狀信號是由夾雜物產生的異常光譜信號。
圖2為所采集的單次火花光譜強度的統計分布圖，其中橫座標為單次火花光譜強度，縱座標為頻度，圖中正態分布為固溶態產生的信號強度，拖尾峰分布為夾雜物產生的信號強度。
圖3A和圖3B為實施例BG6#樣品的夾雜物粒徑分布圖，其中圖3A是采用金相法和圖象分析儀所測得的夾雜物粒徑分布圖，圖3B是采用金屬原位分析儀進行連續掃描激發，根據單次火花光譜強度所計算的夾雜物粒徑分布圖。兩圖對比，其結果表明，上述計算夾雜物粒徑所建立的數學公式是正確的。
圖4A和圖4B為實施例LY26#樣品的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖，其中圖4A是采用金相法和圖象分析儀所測得的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖，圖4B是采用金屬原位分析儀進行連續掃描激，根據單次火花光譜強度所計算的夾雜物粒徑分布圖。
圖5A和圖B為實施例TG1#樣品的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖，其中圖5A是采用金相法和圖象分析儀所測得的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖，圖5B是采用金屬原位分析儀進行連續掃描激發，根據單次火花光譜強度所計算的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖。
圖6A和圖6B為實施例BK1#樣品的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖，其中圖6A是采用金相法和圖象分析儀所測得的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖，圖6B是采用金屬原位分析儀進行連續掃描激發，根據單次火花光譜強度所計算的鋁夾雜物粒徑柱狀分布圖。
與現有技術相比，本發明具有如下優點1.利用金屬原位分析儀，對金屬樣品進行一次掃描分析，就能得到金屬材料中各種粒徑分布規律以及夾雜物的最大粒徑，進而推導出各類夾雜物(內生或外來夾雜物)的生長規律，檢測信息全面。
2.大面積內范圍內掃描，所有夾雜物信息都能與樣品原始位置一一對應，真正實現了夾雜物原位狀態分析。
3.能分別以二維圖形、三維圖形和柱狀分布圖方式顯示材料任意大小面積內各類夾雜物的粒徑分布，并標明夾雜物富集的位置，結果定量準確、形象直觀、實用性強。
4.分析周期短，適用于工藝流程、生產現場的監控。
5.只需對相同工藝或相同牌號的鋼種中有代表性的一塊樣品應用本發明所述的方法，就可獲得不同廠家、不同冶煉工藝和不同爐次下該牌號下所有鋼種中夾雜物的分布規律，并進而推導出各類夾雜物(內生或外來夾雜物)的生長規律。
具體實施例方式
采用本發明所述的金屬材中夾雜物原位分析方法，對三個鋼種樣品中的夾雜物進行了分析，三個樣品為鋁脫氧鋼LY26#、低碳鋼TG1#、純凈鋼BK1#，三塊樣品的化學成分如表1所示。
首先根據這三塊樣品的激發狀態、激發性能選擇一塊樣品做為控樣來進行常規分析手段，首先進行金相檢測分析，本方法完全按照金相制樣的要求，把該試樣進行線切割得到20mm×20mm×20mm的塊樣，然后經粗磨、細磨、拋光等過程后，在金相顯微鏡下進行了觀察，所用金相顯微鏡為Neophot-21型。因為在顯微鏡下觀察的視場范圍有限，為了使所觀察到的視場能基本代表樣品的全貌，盡量減小金相觀察的誤差，我們對每塊樣品隨機挑選了十多個不同的視場進行觀察，并同時利用圖象分析儀對這些視場范圍內的顆粒參數(主要是夾雜物的粒徑)進行了統計分析。在金相檢測的基礎上，對該試樣又進行了掃描電鏡+能譜分析確定該樣品中絕大部分夾雜物均以Al類夾雜物形態存在。由此根據二者分析結果確定Al類夾雜物粒徑分布規律。并依據權利說明書所述計算夾雜物粒徑閾值，并統計大于閾值以上的夾雜物粒徑分布規律。
其次，將被測樣品加工出一個平面，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的平臺上，確定一個相對零點(參看CN1370987A)。
火花光譜激發前，用氬氣沖洗激發光源系統，然后啟動激發光源系統，對試樣實施低能、無預燃的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。
金屬原位分析儀激發參數為頻率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，經單色計色散后輸入出射狹縫(Al元素波長396.2nm，參比元素Fe波長273.1nm)，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50kHz/通道，經A/D轉化，以數字形式記錄，存貯于計算機，經可執行程序處理后，檢測出試樣中Al夾雜物的粒徑信息。
1)分析確定夾雜物的閾值，應用本發明所述方法進行系統分析，有效提取Al系夾雜物信號；2)以夾雜物光譜信號強度的分布規律與夾雜物粒徑分布規律建立數學分析模式D＝0.000649 I+0.6 5D為Al夾雜物粒徑，I為火花光譜信號凈強度。
3)根據公式確定Al系夾雜物粒徑分布規律；見表2表1實施例鋼種的化學成分(重量％)

表2實施例鋼種Al系夾雜物粒徑分布

注帶※表示是應用數學分析模式方程計算出的粒徑分布以及統計權重。
表3實施例鋼種最大粒徑比較
權利要求
1.金屬材料中夾雜物粒徑原位統計分布分析方法，其特征在于該方法包括如下步驟常規手段分析、原位統計分布分析、確定信號閾值和建立數學分析模式，現分述如下(1)常規手段分析采用常規手段金相檢測、化學相態分析和電鏡+能譜分析對被測樣品進行夾雜物檢測，其中金相檢測獲得金屬材料中夾雜物的分布、顆粒大小相關信息；化學相態分析獲得不同種類的夾雜物的結構組成、夾雜物的含量以及顆粒大小分布信息；電鏡+能譜分析則獲得微區內夾雜物的形貌、顆粒大小以及結構狀態；(2)金屬原位統計分布分析采用金屬原位分析儀對被測樣品進行低能、無預燃、連續激發掃描，獲得單次火花光譜強度數據；(3)對單次火花光譜強度數據，并進行詳細解析，辨別固溶信號與夾雜物信號的界限，即確定信號閾值；所采集的單次火花光譜強度數據信號包括固溶態信號和夾雜物信號，并以閾值作為區分固溶態信號與夾雜物信號，固溶態信號呈正態分布，夾雜物信號呈拖尾峰分布，而且大于閾值的火花光譜強度信號是由夾雜物產生的；閾值計算步驟如下①應用離散數據中常用的統計方法-萊特準則，迭代計算法計算閾值，其計算公式為閾值＝Xm+KS其中，Xm為最大頻度對應的單次火花光譜強度值，K為與置信概率相關的系數，K值為1～3.5；S為剔除噪音信號后的全部單次火花光譜強度數據的標準偏差；②據閾值計算公式，用剔除噪音后的火花強度數據進行第一次計算求出Xm和S1，然后求出第一個分界值Xm+KS1后，剔除此分界值以上的“異常火花強度”；③用步驟②計算后余下的單次火花光譜強度數據進行第二次計算并求出第二個分界值Xm+KS2，繼續剔除此分界值以上的“異常火花強度”；④重復步驟③，一直持續n次后求出最后的分界值Xm+KSn后，已沒有高于此分界值的單次火花光譜強度數據為止，即已沒有可以剔除的異常火花光譜強度數據。這時分界值Xm+KSn即是所要確定的夾雜物信號的閾值；⑤依次對K值進行系列選取，并最終確定合適的K值，即最終確定閾值；(4)建立數學分析模式依據常規手段分析中金相檢測所得被測樣品的粒徑分布與單次火花光譜信號凈強度之間的相關性，最終建立被測樣品中夾雜物粒徑計算的數學公式，被測樣品中夾雜物粒徑計算的數學公式D=t2t1I+D0]]>式中D為夾雜物粒徑，I為火花光譜信號凈強度，t1、t2為指數衰減方程的系數，D0為夾雜物粒徑閾值，而當I＝I0＝0時，D＝D0。
2.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于只需對相同工藝或相同牌號的鋼種中有代表性的一塊鋼樣應用常規手段分析和金屬原位分析相結合的方法，對被測樣品中夾雜物的分布規律確定，建立相應的數學分析模式后，則可以實現該工藝下或該牌號下所有鋼種中夾雜物的分布規律，并進而推導出各類夾雜物(內生或外來夾雜物)的生長規律。
3.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于被測樣品與常規發射光譜法分析樣品中所述的“控樣”，其作用相當。
4.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于被測樣品中夾雜物粒徑計算結果最終以夾雜物的異常單次火花放電強度和位置為參數、以異常單次火花放電強度和夾雜物粒徑為參數、以夾雜物粒徑和位置為參數，用二維圖、三維圖、柱狀分布圖方式來顯示夾雜物粒徑分布規律。
5.根據權利要求1或4所述的分析方法，其特征在于以異常光譜信號強度的平均值來計算被測樣品中夾雜物的平均粒徑；以最高異常光譜信號強度值來計算被測樣品中夾雜物的最大粒徑。
6.根據權利要求1或2所述的分析方法，其特征在于依據分析被測樣品建立的數學公式計算夾雜物粒徑為最低檢測限。
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，主要涉及金屬材料中各類夾雜物的粒徑計算。本發明金屬材料中夾雜物粒徑原位統計分布分析方法包括如下步驟常規分析手段，對被測樣品進行金相檢測、化學相態分析、電鏡+能譜分析，得到該樣品中各類夾雜物粒徑分布的相關數據；原位統計分布分析，采用金屬原位分析儀對被測樣品進行連續激發掃描，得到與樣品原始位置一一對應的單次火花光譜強度數據；系統解析所得單次火花光譜強度數據并確定信號閾值；建立數學分析模式，對采用常規分析手段和原位統計分布分析得到的數據進行相互對照分析，最終得到被測樣品中各類夾雜物粒徑分布信息，并輸出上述結果。
文檔編號G01N15/02GK1609591SQ20041009061
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月10日 優先權日2004年11月10日
發明者王海舟, 張秀鑫, 賈云海, 陳吉文, 趙雷, 李美玲 申請人:鋼鐵研究總院