高铁车轮中复合夹杂物的火花光谱原位分析

摘要

火花发射光谱分析钢中单一夹杂物的研究已有文献报导,但用火花光谱分析钢中复合夹杂物一直是个难题。钢中复合夹杂物是一种单一夹杂物包裹另外一种单一夹杂物组成的复合体,或由两个及以上单一夹杂物紧密相邻结合体。如何区分材料中同时存在但不相邻的两种单一夹杂物和二者复合夹杂物,用火花发射光谱技术难于实现。该工作采用火花光谱原位统计分布分析(OPA)进行高铁车轮截面的夹杂物分析,OPA通过对经连续扫描的火花放电激发所产生的元素光谱信号进行采集和分析,可实现大尺度金属材料的成分及夹杂物统计分布表征,在同一激发位置下,当既有Al_(2)O_(3)夹杂物光谱信号,也有MnS夹杂物光谱信号,通过对Al_(2)O_(3)夹杂物和MnS夹杂物的火花光谱强度时序耦合处理,获得此时序对应位置处的复合夹杂物信息。根据超过阈值以上的火花光谱强度和夹杂物平均面积之间的良好线性关系,在同一位置下,分别获得Al_(2)O_(3)/MnS复合夹杂物中Al_(2)O_(3)夹杂物和MnS夹杂物的面积,将Al_(2)O_(3)夹杂物面积和MnS夹杂物面积加和,得到Al_(2)O_(3)/MnS复合夹杂物的面积。同时结合扫描电镜(SEM)分析小区域内的复合夹杂物,将每一个扫描电镜复合夹杂物面积对应一个OPA分析夹杂物的归一化面积,建立SEM和OPA两种分析方法获得的复合夹杂物面积的关系曲线,二者具有良好线性关系,线性相关系数大于0.99。取高铁车轮截面中另外两部分进行验证实验,得到的结果也与扫描电镜结果基本一致,即在分析小面积区域内Al_(2)O_(3)/MnS复合夹杂物,OPA分析的归一化结果也能够满足表征需要。除此之外,由于OPA可以进行部件全域分析,可检测到更多的较大Al_(2)O_(3)/MnS复合夹杂物颗粒,可有效避免扫描电镜(SEM)因分析区域有限造成大尺寸夹杂物漏检问题,为大尺寸金属构件的夹杂物分析特别是Al_(2)O_(3)/MnS复合夹杂物的分析提供了一种有效手段。