钢中MnS夹杂物的激光诱导击穿光谱统计表征

       激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）是近二十年发展很快的一种原子发射光谱分析方法，具有样品制备简单、分析速度快、烧蚀量小、易于实现在线和远距离分析等优点，在冶金领域具有广阔的应用前景。研究总结了钢中非金属夹杂物的识别和定性表征手段，统计分析了夹杂物对元素信号强度的影响，并建立了一种硫化锰夹杂物的定量评级表征方法。

       研究表明，扫描分析过程中，当激光烧蚀位置存在夹杂物时，会引发夹杂物组成元素的信号出现异常高的现象，这种异常信号的数量反映了材料中夹杂物的多少，而异常信号的强度则反映了夹杂物尺寸的大小。通过不同元素的通道合成图能够快速确定夹杂物的组成元素，进而实现夹杂物类型的判定；通过夹杂物组成元素的二维分布图能够直观、快速的确定夹杂物在样品上的具体位置以及分布状态；通过考察夹杂物组成元素信号强度的相对变化，可以快速判断夹杂物的组成是否稳定。对氧化铝夹杂物的分析中，使用Nalimov准则去除异常信号，以平均强度加3倍的标准偏差作为区分酸溶铝及酸不溶铝的阈值强度，然后采用酸不溶铝信号的总强度与全部铝信号的总强度之比计算酸不溶铝含量，获得了与传统湿法分析吻合的结果。

      统计得到，硫化锰夹杂物的面积、长度和周长与信号强度之间都存在比较强的线性相关性，其中夹杂物面积与信号强度之间的线性相关性最好，夹杂物宽度与信号强度之间没有显著的线性相关性。根据激光烧蚀特点建立简化物理模型，从理论角度分析了夹杂物面积与元素含量之间的关系，证明了夹杂物面积与元素信号强度之间的线性关系。采用校准曲线和理论公式计算两种途径分别计算了易切削钢中的各个统计点的Mn含量，两组结果能够很好的吻合，理论计算能够很好的解释实验结果。基于夹杂物面积与信号强度的线性相关性，提出了使用校准曲线将夹杂物信号强度转换成夹杂物面积，然后根据夹杂物面积对其进行评级的思路。参考已有金相检验标准方法，制定了一套用LIBS对钢中硫化锰夹杂物进行定量评级的分析方法，其评级结果与传统金相法能够很好的吻合。

LIBS分析中，使用大光阑时分析精密度高、时间短，但是空间分辨率低；使用小光阑可以获得较高的空间分辨率，但单脉冲的分析精密度差，需要增加积分脉冲数量、延长分析时间才能获得较好的精密度。确定仪器参数需同时兼顾分析精密度、空间分辨率和分析效率。利用LIBS对表面渗碳层深度的测定值能够与传统方法的测量结果很好吻合。对焊缝熔合区域合金元素分布的对比分析表明，LIBS的分析灵敏度和精密度比SEM/EDS及EPMA高，但空间分辨率低。

图1  重轨钢中Si、Al、Ca、Mg元素通道合成图

图2  S、Mn信号强度关系

图3  MnS夹杂物面积与Mn信号强度的统计关系