金属原位分析的方法

金属原位分析方法通则

(TheGeneralRuleoftheOriginalPositionAnalysis)

钢铁研究总院(CentralIron＆SteelResearchInstitute)

2006-10-15２、原位分析技术推广与应用１、原位分析技术原理金属原位统计分布分析技术：

a

单次火花放电解析技术b同步扫描及无预燃连续激发c专业高速采集及分析处理系统

原位分析方法在保留材料表面信息的原始性和原位性基础上，实现了钢铁材料大面积（cm2）范围内微米(μm)尺寸上的单火花信息采集，通过对这些信息进行统计分析，实现对钢铁材料较大尺度范围内化学组成和组织形态的定量统计分布分析。并得到位置分布、含量分布、状态分布等综合统计规律。技术创新基础理论：原子发射光谱法分析原理原位分析技术推广与应用原位统计分布分析技术已承接了大量国内委托试验研究，并已成功应用于国家863等重大专题以及国防军工重大课题项目，为国内外材料领域内产品质量的判据提供了一种新的检测手段。该项技术已应用于宝钢、唐钢、马钢、国家连铸工程中心、725所、首钢、重钢、珠钢、武钢、北京科技大学、瑞典金属研究所等诸多冶金单位及科研院所，实现了产品质量解析以及冶金工艺参数的优化。因此随着原位统计分布技术的推广应用，有必要建立一套原位分析方法的基础标准。1、主题内容与适用范围1.1本标准通则规定了金属原位分析方法共同的一般事项1.2本标准通则适用于金属原位分析。以金属固体试样直接作移动电极，预先设定试样的待分析面积，利用符合分析要求的激发条件使之放电发光、光栅色散分光、连续采集元素特征光谱分析线的光谱强度，利用预先用标准样品绘制的工作曲线求出该分析面积内试样中各待分析元素的平均含量、成分分布以及缺陷（偏析、疏松、夹杂物）分析。在制（修）订金属金属原位分析国家标准时，应遵守本通则。金属原位分析方法通则a仪器设备b取样、制样的用具c机械、材料、样品制备d测量操作及定量统计分析方法e分析方法及监控f仪器的安装条件g安全防护及注意事项等2、通则提要金属原位分析方法的基本要求:

a样品运动控制部分:预先设定待分析试样的分析面积，夹持该样品与对电极做相对运动。

b连续激发光源部分:使试样能够连续激发放电。连续激发光源部分与样品控制部分一起使移动中的试样在预设定的分析面积内连续放电发光。c分光部分:把光色散成各个元素的特征谱线。d放大采集部分:通过光电转换来测量各个元素在单次火花下产生的特征谱线强度，并加以记录保存。

e数据统计处理部分:将采集保存后的大量数据以数理统计方法进行分析处理。

仪器设备Instrument3.1概要光源电极架装置X轴、Y轴及Z轴方向可控扫描平台及样品夹持装置透镜及入射系统光栅色散元件及出射狭缝

分光部分３

光电倍增管信号采集、转换及放大统计分析方法处理（计算机）

相关操作电路运动控制部分１连续激发光源部分２信号放大采集部分４3.2仪器的组成Componentsofinstrument

3.2.1.1X轴、Y轴及Z轴方向可控系统

X轴、Y轴及Z轴方向可控系统是一种可编程的自动化机械装置，它由电磁控制制动阀、电机驱动器、升降臂、悬臂组带、铝制叉架、夹杆、X轴运动导轨、Y轴运动导轨、Z轴升降臂、步进电机组成。升降臂固定在X轴导轨上，升降臂通过悬臂组带与叉架相连然后固定在叉架上，步进电机通过其丝杠分别与X、Y轴导轨相接，两者构成X-Y直角坐标扫描轨道。在主机的控制下，该系统可以在X轴及Y轴方向做匀速及变速运动，运动速度可控，运动速度可以达到0.1-30mm/sec，运动范围和运动轨迹可根据分析任务随时调整。

3．2．1运动控制部分Controlparts1升降臂；2铝制叉架；3夹杆；4样品夹持杆

图1机械手扫描装置

3.2.1.2扫描平台及样品夹持装置系统3.2.2连续激发光源---火花发生器部分1电容；2火花发生器；3电阻器；4二极管；5IG-B管；6待测样品；7低压发生器；8整流桥；9变压器

实现长时间连续激发

3.2.2.1

光源的电极架及扫描装置1凸透镜；2待测样品；3夹持悬臂；4扫描平台；5排气道；6激发电极；7进气管道；

3.2.3分光部分3.2.3.1透镜及入射狭缝系统3.2.3.2光栅色散元件及出射狭缝系统

分光部分由凸透镜、入射狭缝、凹面光栅以及出射狭缝组成，进入入射狭缝的光经透镜聚光，平面镜反光投射到凹面光栅上进行分光，由出射狭缝系统选择各自元素的特征谱线，整套光路系统均在真空系统下运行。1234

1—光源2—凸透镜3—入射狭缝4—凹面光栅

3.2.3.1透镜及入射狭缝系统1入射狭缝2出射狭缝3罗兰圆4凹面光栅5折射镜片

3.2.3.2帕邢-龙格凹面光栅装置法

3.2.4信号高速采集系统Collectionsystemofsignals

信号高速采集系统由光电倍增管、高压板、放大板和高速采集板（A/D板）组成。该系统可以高速采集单火花的脉冲激发信号，其工作流程是将分光系统产生的某分析元素的单次火花谱线信号，通过光电转换元件转化为光电流信号，然后经过积分放大系统、高速A/D转换，以数字方式存储。对于n组光谱通道，将对应n组单次火花高速采集线路。每一组单次火花放电采集系统中光电倍增管、放大板和高速采集板均通过导线串联，各组之间则相互并联，高压板则通过导线与每一组中的光电倍增管相通。该采集系统实现了高速连续采集由连续激发系统对待测样品放电所产生的数十万、乃至百万的单次火花信号，并加以存储。

由于一个火花脉冲中包含几十个单次放电、每个单次放电信号与放电位置的状态相关，因此该系统把由高速采集系统所采集存储到的数万乃至数百万个单次火花信号进行数理统计分析方法处理，即可得到与原始位置一一对应的元素成分定量分布及相关缺陷状态分布的信息。该统计分析方法处理系统具有谱线绝对强度分析、谱线相对强度分析、浓度计算、工作曲线绘制、RSD计算、分类和牌号鉴别、样品缺陷的定位、分布、以及状态分析。同时该处理系统中应用图形显示模块对待测样品的扫描面积，各个元素定量成分分布、缺陷分布分别以二维、三维、火花数字图以及统计分布图的形式加以显示，并配以局部分析功能、图形的旋转及数据汇总、比较和统计等功能，快捷、有效地实现样品的整体分析。

3.2.５统计分析方法处理系统3.2.６操作电路操作电路是由微处理器、继电器、电磁阀、开关及定时器等组成，它能准确、自动地向运动控制装置、连续激发发光装置以及光信号采集装置发出相关动作指令。

4.1取样用具及方法

该取样方法视分析者的要求而定，根据分析者对待测试样的分析要求、工艺条件及参照方法的要求而定。可以采用线切割机取样、锯床取样、乙炔火焰切割（需要避开高温产生的热影响区）等方法，取样的尺寸大小要大于分析者所要求分析的面积，样品的形状最好能有一定的规则，以方便夹持。

4.2制样的用具及方法

在对金属固体的表面进行加工处理时，首先保证待分析面的清洁及平整度，然后是待分析面的光洁度，可使用砂纸磨盘、砂带研磨机、立铣床等，为保证样品的平整度，研磨工具以砂纸为例颗粒度要控制在40-60目范围内。研磨材料有氧化铝、氧化锆、碳化硅和硬质合金铣刀等，对不同的分析要求选择不同的研磨材料。

4、取样、制样的用具及方法Sampling5、材料Material5.1对电极

对电极一般使用直径1～4mm，长20～100mm的钨材质的圆棒，其一端制成可以稳定放电的形状，一般以45度弧即可，或制成带半球形顶端的圆锥形，如图9所示。

圆锥形带半球形顶端的圆锥形

5.2

块状电极

块状电极即待测金属样品，样品形状方、圆、棒等均可，但大小有限制，试样尺寸大小不小于100平方毫米（mm2）。1高纯氩气；2减压阀；3手动调节阀；4电磁阀；5流量计；6火花台；7透镜

5.3控制气氛的气体6、样品Samples6.1标准样品绘制工作曲线使用

6.2标准化样品校正工作曲线使用6.3控制样品与待分析样品的成分相当

6.4分析样品分析样品的表面应大于100平方毫米（mm2）

、样品的制备Preparationofsample

该分析方法所需要的样品形状都是块状样品，样品的分析面不小于100平方毫米（mm2），制备时要充分注意切割和研磨对样品分析表面可能产生的沾污，特别是由研磨材料引起的沾污，应根据分析目的选择合适的研磨材料的种类和粒度。制备时要注意样品表面的平整度及光洁度，能够稳定激发是最佳条件。分析样品、标准样品、标准化样品、和控制样品的制备条件必须一致。、测量操作及统计分析方法Operatingprocedureandstatisticanalysismethod8.1仪器调整

运动控制部分的调整；连续激发光源发生器及其光源部分的调整；分光部分的调整；信号高速采集系统的调整。

8.2测量操作软件可控下自动分析

8.3分析方法标准工作曲线

待测样品偏析分析－统计处理

根据所建立的标准工作曲线，由分析样品的平均谱线强度大小可求出待测样品的扫描激发面内各元素的平均含量。采用偏析用标准工作曲线对连续激发扫描得到的各元素单次火花数据进行数理统计分析即可得到相应元素的成分分布。表征样品偏析程度可以有不同的参数，根据该分析仪器的软件处理，得到用于评价各元素含量分布和偏析的各种指标：最大偏析度、统计均匀度及统计偏析度，这些参数分别从特定的角度对该样品的偏析进行表征。分析方法：Analysismethod（1）最大偏析度(M)

样品中某元素的最大偏析度的计算：从数以万乃至百万计的单次火花放电数据中选出最高含量值与总体平均值的比值。其中为单次放电位置处某元素最高含量；

为某元素总体平均值最大偏析度越大，表明该样品某一位置含量富集程度越高，该元素偏析越严重。

（2）统计偏析度（S）

某元素数万乃至百万计的单次火花放电信号转变含量数据后，以数理统计方式进行处理，求得以中位值为中心、统计频度为95%时的含量置信区间（C１—C２）；C0

：含量的中位值统计偏析度数值越大（以百分比表示），偏析越严重；无偏析时，统计偏析度为0。（3）统计均匀度（H）

统计均匀度，是某元素所有数万乃至数百万的单次含量在平均含量规定的允许差范围内的统计频度。统计均匀度(H)越大，表明样品中该元素的分布越均匀。最高100%，最低趋于0

９、分析误差及其监控本方法中对分析误差的定义包括两个部分，一是测量化学成分的精度，二是待测样品分析面内相关偏析分布的重现性（各参数表征以及位置分布等信息）。本方法中的成分测定精度需在两类样品中实现：一是选择均匀、无缺陷样品（元素的含量最好在日常的测定含量范围内）进行连续面内扫描分析（每次分析完毕后需要重新制样），根据分析面内各化学成分的数据的分布，以最大偏析度、统计偏析度、统计均匀度来表征该样品内不同元素的成分分布情况来监控测量的精度。二是选择带有一定偏析（如中心偏析、锭型偏析等）缺陷的样品，在要求的分析面内进行连续扫描激发分析，根据偏析分布的连续性，分布的范围，不同元素的有差异偏析分布规律，以最大偏析度、统计偏析度、统计均匀度来表征该样品内不同元素的成分分布情况。

精度的控制要特别注意如下事项：（1）选择第一类样品的均匀性；选择偏析样品中元素偏析的连续性、规律性（2）电源的波动(电压，频率等)；（3）分析条件的变化(电极位置、分析间隙、试样面光洁度、试样面平整度对电极的形状和氩气气体流量等)；（4）取样方法、样品的制备及样品的污染等。１０、仪器的安装条件

安装仪器时，必须满足仪器要求的安装条件，一般应注意下列事项：a仪器要安装在灰尘少、无腐蚀气体的实验室内。b实验室时温度和湿度应满足仪器规定的要求。c分光计要安装在振动尽可能小的地方，必要时使用防震架等使之免受振动影响。d向仪器供电的电源应接上稳压装置，使其电压波动保持在1%内，同时希望其频率变