分享：低合金钢中低含量元素的定量测试及不确定度评估

赵同新1,崔会杰2,孙友宝1,黄涛宏1

[1.岛津企业管理(中国)有限公司 上海分析中心,上海 200233; 2.岛津企业管理(中国)有限公司 北京分析中心,北京 100020]

摘 要:采用校准曲线法对低合金钢中常见的微量元素 Mn和Si进行电子探针微区定量测试和 不确定度计算。结果表明:取包含因子k=2时,试样中 Mn元素的质量分数为0.12%,扩展不确定 度为0.0048%;Si元素的质量分数为1.36%,扩展不确定度为0.042%。

关键词:低合金钢;低含量元素;电子探针显微分析;校准曲线法;不确定度 中图分类号:TB31;TH841;O213.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0025-03

电子探针显微分析仪(EPMA)在金属行业中 应用广泛[1],一般使用 ZAF理论修正模型进行微 区定量计 算[2-3]。ZAF 理 论 修 正 模 型 由 原 子 序 数 效应(Z,包括背散射效应和基 体 阻 碍 能 两 部 分)、 吸收效应(A)和荧光效应(F)构成。对于低含量元 素,特别是在 基 体 中 主 量 元 素 可 能 会 对 低 含 量 元 素产生严重干扰 的 情 况 下,ZAF 理 论 修 正 模 型 中 的修正量 会 很 大,导 致 定 量 分 析 的 误 差 变 大。因 此,可以使用 校 准 曲 线 法 对 钢 中 低 含 量 合 金 元 素 进行定量计算。校准曲线法采用一系列元素含量 呈梯度变化的标准试样,建立了元素含量和特征 X 射线计数强 度 之 间 的 对 应 关 系 曲 线,该 曲 线 可 用 于基体效应与标准试样相同或类似的待测试样定 量转换。 在 GB/T17360—2020《微束分析 钢中低含量 硅、锰的电子探针定量分析方法》中给出了低含量元 素的测试方法,但其中存在一些待商榷的技术细节, 如在用测试低含量 Mn,Si元素相同的测试条件测 试纯物质标准试样的 Mn,Si元素含量时,计数器存 在饱和及死时间问题,且引入计数强度比参与计算 会带 来 更 多 的 传 递 误 差。 针 对 上 述 问 题,依 据 GB/T15247—2008《微束分析 电子探针显微分析 测定钢中碳含量的校正曲线法》,笔者结合了 GB/T 17360—2020,GB/T 15247—2008 两 个 标 准 的 优 点 度 , 计 给 算 出 的 了 可 钢 行 中 方 低 法 含 。 

1 测试方法

取一套基体类似、各元素含量不同的低合金钢 标准试样5个,用于建立校准曲线。待测试样经导 电树脂热镶嵌后,使用不同粒度砂纸对表面进行机 械磨制,然后分别使用3,6,9μm 等粒径的金刚石 悬 浮 抛 光 剂 进 行 抛 光 处 理。 测 试 仪 器 为 岛 津 EPMA-1720H 型 EPMA。加速电压为20kV,电子 束流为0.20μA,束斑直径为30μm。

2 校准曲线的建立

使用低合金钢标准试样建立校准曲线,标准试 样中 Mn元素的质量分数分别为0.660%,1.040%, 1.500%,0.255%,0.006%,Si元素的质量分数分别 为0.233%,0.390%,0.740%,0.067%,0.008%。在 每个标准试样上随机选择10个无污染的区域,采集 Mn,Si元素的特征 X射线计数强度,测量结果分别 如表1,2所示,去掉最大值和最小值后,取平均值建 立校准曲线(见图1)。

从图1可以看出,Mn,Si元素的质量分数和特 征 X 射 线 计 数 强 度 具 有 很 好 的 线 性 关 系。根 据 GB/T15247—2008附录 A,计算可得 Mn,Si元素 的质量分数(w)和特征 X 射线计数强度(I)的关系 分别如式(1),(2)所示。 IMn =515.54wMn +347376.17 (1) ISi=46.63wSi+108737.49 (2) 

3 定量测试结果及不确定度计算

3.1 定量测试结果 

在待测试样上随机选择3个点,分别测量 Mn, Si元素的特征 X 射线计数强度,结果如表3所示。 将 Mn,Si元素的特征 X 射线计数强度平均值分别 代入式(1)和(2),可以得到 Mn和Si元素的质量分 数分别为0.12%和1.36%。 

3.2 不确定度

将表1,2中的数据代入 GB/T15247—2008附 录 A 中的不确定度计算公式,得到待测试样中不确 定度计算的相关数值如表4所示。由表4中的相关数值计算可得,待测试样中 Mn元素的测量不确定 度为0.0024%,Si元素的测量不确定度为0.021%。

3.3 重复性

使用同一台仪器,在同样的测试条件和方法下, 对待测试样进行5组测试,每组3个测试点,Mn和 Si元素质量分数的测试结果分别如表5,6所示。 将表5,6中的数据代入JJF1059.1—2012 《测 量不确定度评定与表示》中的计算公式可得:Mn元 素5组测试值合并样本的标准偏差为0.00228,重 复性相对标准不确定度为0.00059;Si元素5组测 试值合并样本的标准偏差为0.00693,重复性相对 标准不确定度为0.0018。

3.4 扩展不确定度 

取包含因子k=2时,Mn元素的扩展不确定度 为0.0048%,Si元素的扩展不确定度为0.042%. 在建立校准曲线的标准试样中,Mn元素的质 量分数为 0.006% ~1.5%,Si元 素 的 质 量 分 数 为 0.008%~0.74%。在待测试样中,Mn元素的质量 分数为0.12%,Si元素的质量分数为1.36%,其中 待测试样中Si元素的质量分数超出了标准试样中 Si元素的质量分数,这也是导致Si元素的扩展不确 定度略大一些的原因。

4 结论

对于低合金钢中低合金元素的电子探针微区定 量测试,使用标准试样建立校准曲线法是一种很好 的定量分析方法。各低含量合金元素在测试条件合 适的情况下,元素的质量分数和特征 X 射线计数强 度具有很好的线性关系。 使用校准曲线法对待测试样进行定量测试和测 量不确定度的计算,低含量元素的定量结果也有很 好的稳定性和重现性。取包含因子k=2时,待测 试样中 Mn元素的质量分数为0.12%,扩展不确定 度为0.0048%;Si元素的质量分数为1.36%,扩展 不确定度为0.042%。

来源：材料与测试网