趙同新1,崔會杰2,孫友寶1,黃濤宏1

[1.島津企業管理(中國)有限公司 上海分析中心,上海 200233; 2.島津企業管理(中國)有限公司 北京分析中心,北京 100020]

摘 要:采用校準曲線法對低合金鋼中常見的微量元素 Mn和Si進行電子探針微區定量測試和 不確定度計算。結果表明:取包含因子k=2時,試樣中 Mn元素的質量分數為0.12%,擴展不確定 度為0.0048%;Si元素的質量分數為1.36%,擴展不確定度為0.042%。

關鍵詞:低合金鋼;低含量元素;電子探針顯微分析;校準曲線法;不確定度 中圖分類號:TB31;TH841;O213.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)11-0025-03

電子探針顯微分析儀(EPMA)在金屬行業中 應用廣泛[1],一般使用 ZAF理論修正模型進行微 區定量計 算[2-3]。ZAF 理 論 修 正 模 型 由 原 子 序 數 效應(Z,包括背散射效應和基 體 阻 礙 能 兩 部 分)、 吸收效應(A)和熒光效應(F)構成。對于低含量元 素,特別是在 基 體 中 主 量 元 素 可 能 會 對 低 含 量 元 素產生嚴重干擾 的 情 況 下,ZAF 理 論 修 正 模 型 中 的修正量 會 很 大,導 致 定 量 分 析 的 誤 差 變 大。因 此,可以使用 校 準 曲 線 法 對 鋼 中 低 含 量 合 金 元 素 進行定量計算。校準曲線法采用一系列元素含量 呈梯度變化的標準試樣,建立了元素含量和特征 X 射線計數強 度 之 間 的 對 應 關 系 曲 線,該 曲 線 可 用 于基體效應與標準試樣相同或類似的待測試樣定 量轉換。 在 GB/T17360—2020《微束分析 鋼中低含量 硅、錳的電子探針定量分析方法》中給出了低含量元 素的測試方法,但其中存在一些待商榷的技術細節, 如在用測試低含量 Mn,Si元素相同的測試條件測 試純物質標準試樣的 Mn,Si元素含量時,計數器存 在飽和及死時間問題,且引入計數強度比參與計算 會帶 來 更 多 的 傳 遞 誤 差。 針 對 上 述 問 題,依 據 GB/T15247—2008《微束分析 電子探針顯微分析 測定鋼中碳含量的校正曲線法》,筆者結合了 GB/T 17360—2020,GB/T 15247—2008 兩 個 標 準 的 優 點 度 , 計 給 算 出 的 了 可 鋼 行 中 方 低 法 含 。 

1 測試方法

取一套基體類似、各元素含量不同的低合金鋼 標準試樣5個,用于建立校準曲線。待測試樣經導 電樹脂熱鑲嵌后,使用不同粒度砂紙對表面進行機 械磨制,然后分別使用3,6,9μm 等粒徑的金剛石 懸 浮 拋 光 劑 進 行 拋 光 處 理。 測 試 儀 器 為 島 津 EPMA-1720H 型 EPMA。加速電壓為20kV,電子 束流為0.20μA,束斑直徑為30μm。

2 校準曲線的建立

使用低合金鋼標準試樣建立校準曲線,標準試 樣中 Mn元素的質量分數分別為0.660%,1.040%, 1.500%,0.255%,0.006%,Si元素的質量分數分別 為0.233%,0.390%,0.740%,0.067%,0.008%。在 每個標準試樣上隨機選擇10個無污染的區域,采集 Mn,Si元素的特征 X射線計數強度,測量結果分別 如表1,2所示,去掉最大值和最小值后,取平均值建 立校準曲線(見圖1)。

從圖1可以看出,Mn,Si元素的質量分數和特 征 X 射 線 計 數 強 度 具 有 很 好 的 線 性 關 系。根 據 GB/T15247—2008附錄 A,計算可得 Mn,Si元素 的質量分數(w)和特征 X 射線計數強度(I)的關系 分別如式(1),(2)所示。 IMn =515.54wMn +347376.17 (1) ISi=46.63wSi+108737.49 (2) 

3 定量測試結果及不確定度計算

3.1 定量測試結果 

在待測試樣上隨機選擇3個點,分別測量 Mn, Si元素的特征 X 射線計數強度,結果如表3所示。 將 Mn,Si元素的特征 X 射線計數強度平均值分別 代入式(1)和(2),可以得到 Mn和Si元素的質量分 數分別為0.12%和1.36%。 

3.2 不確定度

將表1,2中的數據代入 GB/T15247—2008附 錄 A 中的不確定度計算公式,得到待測試樣中不確 定度計算的相關數值如表4所示。由表4中的相關數值計算可得,待測試樣中 Mn元素的測量不確定 度為0.0024%,Si元素的測量不確定度為0.021%。

3.3 重復性

使用同一臺儀器,在同樣的測試條件和方法下, 對待測試樣進行5組測試,每組3個測試點,Mn和 Si元素質量分數的測試結果分別如表5,6所示。 將表5,6中的數據代入JJF1059.1—2012 《測 量不確定度評定與表示》中的計算公式可得:Mn元 素5組測試值合并樣本的標準偏差為0.00228,重 復性相對標準不確定度為0.00059;Si元素5組測 試值合并樣本的標準偏差為0.00693,重復性相對 標準不確定度為0.0018。

3.4 擴展不確定度 

取包含因子k=2時,Mn元素的擴展不確定度 為0.0048%,Si元素的擴展不確定度為0.042%. 在建立校準曲線的標準試樣中,Mn元素的質 量分數為 0.006% ~1.5%,Si元 素 的 質 量 分 數 為 0.008%~0.74%。在待測試樣中,Mn元素的質量 分數為0.12%,Si元素的質量分數為1.36%,其中 待測試樣中Si元素的質量分數超出了標準試樣中 Si元素的質量分數,這也是導致Si元素的擴展不確 定度略大一些的原因。

4 結論

對于低合金鋼中低合金元素的電子探針微區定 量測試,使用標準試樣建立校準曲線法是一種很好 的定量分析方法。各低含量合金元素在測試條件合 適的情況下,元素的質量分數和特征 X 射線計數強 度具有很好的線性關系。 使用校準曲線法對待測試樣進行定量測試和測 量不確定度的計算,低含量元素的定量結果也有很 好的穩定性和重現性。取包含因子k=2時,待測 試樣中 Mn元素的質量分數為0.12%,擴展不確定 度為0.0048%;Si元素的質量分數為1.36%,擴展 不確定度為0.042%。

來源：材料與測試網