钢中超轻元素C的能谱定量测试研究

郭秋娟　邵奎祥

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)



钢中超轻元素C的能谱定量测试研究

郭秋娟邵奎祥

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

对7个C含量小于1%的标准钢样进行了测试研究，得到了不同C含量钢样准确定量所需的SEC因子以及C含量与SEC因子之间的关系，大大提高了利用能谱仪测量超轻元素C的准确性。

能谱仪定量分析；超轻元素；C含量

C是钢铁材料的主要组成元素，C含量的高低对材料的强度、硬度、塑性和韧性等都有很大的影响。C含量检测分析在材质鉴别、材料研究和失效分析中经常用到，尤其是在C含量较低的大型铸锻件中。准确测量出此范围内的C元素含量对分析研究有着重要的意义。

X射线能谱仪主要用来分析材料表面的微区成分，可检测的元素范围为Be4～U92，定性分析和定量分析可以在数分钟内完成，还具有不破坏样品等其他分析方法不具备的优势[1]。原子序数小于11的轻元素，尤其是C元素，由于X射线的产额低、表面碳化等原因，其准确定量对能谱仪来说一直是个难题[2]。GENESIS能谱仪定量分析程序的SEC因子修正技术为此提供了一种解决方案，但不同的元素与不同含量对应的SEC因子需要具体的确定[3]。

本文对7个C含量小于1%的标准钢样进行了测试研究，得到了不同C含量的准确定量所需的SEC因子以及C含量与SEC因子之间的关系，大大提高了利用能谱仪快速测量超轻元素C的准确性，在工程及材料研究方面都有广泛的应用。

1　实验仪器、样品与实验条件

实验设备是QUANTA400环境扫描电子显微镜和GENESISX射线能谱仪。

表1　7个标样的C含量标准值与不确定度Table 1　Standard values and uncertainties ofC contents of 7 standard samples

实验用样品为编号为GSB03-2021—2006的7个标准样品。此标准样品经均匀性检验合格，由8家分析水平较高的单位进行定值，见表1。

为了得到最佳的分析结果，实验在统一的测试条件下进行：环境模式为高真空模式，束斑大小为4.5μm，时间常数为51.2μs，死时间为30%左右，每处的采集时间为80s，工作距离为10mm。为减小试样不均匀性引起的测量误差，试样的放大倍数选择50倍。因为扫描电镜的加速电压的大小会影响到轻元素的SEC因子[4]，本实验选用钢铁材料检测中最适合也最常用的加速电压为20kV。

2　实验结果及分析

2.1不进行SEC因子修正时的实验结果

在能谱仪EDAX默认程序下，只进行ZAF修正，即原子序数Z、吸收因子A和荧光效应F的修正，在此条件下测得了7个标样的C含量值及其与标准值间的相对误差，见表2。

表2　7个标样不进行SEC修正时C的测量值及相对误差Table 2　Measured values and relative errors of C contents of 7 standard samples without SEC correction

从表2可以看出，不进行SEC因子修正时测量结果均偏高，而且随着C含量的减小，相对误差越来越大。在所测的标样中，最小的相对误差为760.70%，最高已经达到8 559.10%，测量结果基本不可用。

2.2进行SEC因子修正的实验结果及分析

SEC即非标准样轻元素修正因子，SEC因子修正法是介于完全无标样定量分析与有标样定量分析之间的一种方法[5]。SEC方法使用的标准样品比有标样定量分析方法使用的标样的要求要低得多，且操作简单，用时短。SEC因子修正是先通过其它途径获得正常产品或者标准产品中的轻元素的含量，以此为依据修正这些轻元素的修正因子，反过来，用修正后的因子计算待测样品的轻元素。另外，工作条件与参数尽量保持相同。

具体实验方法如下：使用能谱仪的Spectrum界面，采集谱线，标定所有元素，点击Quant(定量)按钮右侧的展开按钮，在弹出的选项中选择SEC，弹出SECFactor对话框，选择USER模式，然后选择K线系修正，在下面的列表中找到C元素，其默认修正值为1.00，单击C元素及因子一行，调整C的SEC因子数值，回车确认，点击Ok，完成SEC因子修改，点击Quant按钮，出现定量分析结果，比较C的测量值与标准值，不断的进行上述实验，直到此SEC因子修正所得的C含量为标准含量。能谱仪定量及SEC因子修正实验界面见图1。

为减少试样不均匀性等带来的误差，移动试样位置，在另外4个不同的位置进行上述同样的测试计算，把五次测量结果的平均值作为此C含量对应的SEC因子的最终值，见表3。

以7个试样的C含量为横坐标，以对应的SEC因子的最终值(平均值)为纵坐标，绘制曲线图，见图2。

从图2可以看出，当C含量增大时，SEC因子随之减小。当C<0.4%时，SEC因子随之变化较快；当C>0.4%时，SEC因子则变化较慢。从图2可以大致得出当C含量在0.04%～0.85%时C含量所对应的SEC因子值，此结果可用于超轻元素C的准确定量。

图1　能谱仪定量及SEC因子修正实验界面Figure 1　Quantification and SEC factor correctionexperimental interface of energy spectrometer表3　7个标样的C标准值对应的SEC因子Table 3　SEC factor corresponding to carbonstandard values of 7 standard stamples

标准样品编号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

图2　SEC因子与C含量的关系Figure 2　The relationship betweenSEC factor and carbon content

为验证上述SEC因子最终值的准确性，进行

了下面的验证实验。即在试样的另外3个位置，输入得到的SEC因子，测量C的含量，并计算其与标准值的相对误差，7个标样均进行同样的实验，见表4。

表4　7个标样的C含量验证结果及相对误差Table 4　Verification results and relative error ofC contents of 7 standard samples

从表4可以看出，验证结果的相对误差均在±10%以内，相对误差比不进行SEC因子修正的结果显著减小；并且随着C含量的增大，相对误差逐渐减小。

3　结论

(1)不进行SEC因子修正时用能谱仪测得的超轻元素C的结果的相对误差非常大。

(2)进行SEC因子修正后的C元素的测量结果的相对误差明显减小，均在±10%以内。随着C含量的增大，相对误差则逐渐减少。

(3)当C元素的含量增大时，SEC因子则随之减小，二者成反比关系。当C<0.4%时，SEC因子变化较快；当C>0.4%时，SEC因子变化较慢。

(4)得到了SEC因子与C含量(0.04%～0.85%)的关系图，可指导在此含量范围内C元素的准确定量。

[1]赵鸿飞.X射线能谱精确定量技术的研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[2]GoldsteinJI.扫描电子显微技术与X射线显微分析[M]. 张大同，译.北京: 科学出版社, 1988：288-292.

[3]张素新，翁泽婷，肖少泉，等. 方解石、白云石样品能谱无标样定量分析准确性探讨[J]. 矿物岩石, 2010, 30(3)：109-115.

[4]张素新，翁泽婷，肖少泉，等. 能谱仪定量分析含C钢铁样品的准确性研究[C]//全国电子显微学会议暨海峡电子显微学研讨会.2010.

[5]马永恒. 不锈钢X射线能谱定量分析方法研究[D].上海:上海材料研究所, 2013.

编辑杜青泉

ResearchonEnergySpectrumQuantitativeMeasurementofUltraLightElementCinSteel

GuoQiujuan,ShaoKuixiang

Sevenstandardsteelsamplesofwhichcarboncontentsarelessthan1%havebeentestedandstudied.TheSECfactorandtherelationshipbetweenCcontentandSECfactorareobtained,whichcanbeusedforaccuratequantificationofstandardsteelsampleswithdifferentCcontents,soastogreatlyincreasethemeasuringaccuracyofultralightelementCbyusingtheenergydispersivespectrometer.

EDSquantitativeanalysis;ultralightelement;Ccontent

2016—03—28

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