СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ СТАЛИ Российский патент 2014 года по МПК G01N21/62 G01J3/443 

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры стали на аналитический сигнал при проведении оптического эмиссионного спектрального анализа элементного состава.

В материаловедении известно, что свойства веществ и различных материалов зависят от химического состава и от структуры. Структура на различных уровнях (макроструктура, микроструктура, субструктура) характеризуется компонентами структуры, их взаимным расположением и характером связи. При равенстве структур и равном химическом составе набор технологических и эксплуатационных свойств материала будет одинаковым. При одинаковом химическом составе различия в свойствах материалов определяются различием их структур, изменение которых происходит за счет изменения энергосодержания системы и сопровождается изменением взаимодействия атомов. Размер ядра атома на пять порядков меньше размера самого атома. Таким образом, изменения структуры и свойств происходят из-за изменения взаимодействий электронной среды одних структурных единиц с электронной средой других структурных единиц.

При изменении химического состава структура материала никогда не будет равна исходной и, как следствие, обязательно изменится набор свойств.

Для оценки свойств анализируемого объекта следует учитывать все структурные параметры, в том числе, и на уровне межатомного взаимодействия, поскольку свойства всех материалов и, соответственно, их структура являются функцией химического состава и внутренней энергии системы.

Известен способ анализа фазового состава порошковой пробы минерала, осуществляемый для оценки технологических свойств минерального сырья, в котором отбирают исследуемую и эталонную пробы, возбуждают эмиссионные спектры и путем сравнения интенсивностей спектральных линий, обнаруженных в спектрах проб, с учетом удельного веса и размера частиц оценивают содержание анализируемых минералов в пробе (RU 2056627, 27.03.1996).

Известен способ контроля состояния вещества, в котором для диагностирования этапов формирования кристаллической решетки в аморфном веществе определяются параметры электронно-колебательных спектров примесных центров, наблюдают изменение относительной интенсивности спектра и выносят суждение о возникновении зародышей кристаллической фазы по появлению бесфононных линий, по появлению фононного крыла с энергией 1-10 см^-1 - о развитии ближнего порядка структуры новой фазы, по появлению фононного крыла с энергией 10-100 см^-1 - о наличии второй координационной сферы, по появлению фононового крыла с энергией более 100 см^-1 - о формировании дальнего порядка кристаллической фазы (RU 2178165, 10.02.2002).

Однако описанные выше способы не могут быть применены для характеристики структуры стали и оценки ее влияния на аналитический сигнал.

Известен способ определения содержания массовых долей элементов в материалах и сплавах путем эмиссионного спектрального анализа, при котором производится возбуждение излучения образца в низкотемпературной плазме, регистрация эмиссионного спектра образца, измерение интенсивности аналитической линии элемента и линии сравнения, расчет содержания искомого элемента в пробе по физической модели, содержащей выражения для параметров, характеризующих устойчивое состояние низкотемпературной плазмы в стандартном образце по отношению к пробе и способность к излучению низкотемпературной плазмы относительно стандартного образца по каждому элементу (RU 2314516,10.01.2008).

Известный способ позволяет осуществить элементный анализ с высокой точностью и достоверностью, но он не дает сведений о состоянии структуры исследуемой стали.

Известен способ контроля структуры алюминиевого сплава позволяющий диагностировать структуру контрольных образцов, сравнивая аналитические сигналы атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов до и после термической обработки (RU 2442139, 10.02.2012), аналог.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа контроля структуры стали, который позволяет учитывать влияние структуры стали на аналитический сигнал при использовании эмиссионно-спектрального метода анализа.

Используется особенность аллотропического а↔у превращения железа и его сплавов. Железо в а-форме имеет плотность более высокую, чем плотность у-формы, которая является высокотемпературной. Форма у-железа аккумулирует в себе больше энергии в виде энтропийной составляющей по сравнению с а-формой.

Поставленная задача решается описываемым способом контроля структуры стали, согласно которому осуществляют измерение интенсивностей спектральных линий химических элементов исходного образца эмиссионно-спектральным методом, подвергают исходный образец стали термообработке в течение 20 минут при температуре 800°С с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры, эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов термообработанного образца стали, сравнивают значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице в значениях интенсивностей химических элементов констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.

Также при проведении эмиссионно-спектрального анализа могут выбираться используемые спектральные линии от 190 нм до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой области спектра и дополнительно осуществляться химический анализ состава стали.

Использование заявленного способа с получением технического результата основано на различии а и у структурных модификаций железа и сталей. Низкотемпературная модификация (а) достигается при отжиге образцов, а высокотемпературная модификация (у) достигается при закалке без изменения химического состава.

В реальных условиях эмиссионного анализа зависимость между интенсивностью линий и концентрацией может часто нарушаться из-за различных побочных эффектов как оптической, так и физико-химической природы (см., например, А.Н.Путьмаков «Об ошибках в практике атомно-эмиссионного спектрального анализа». Материалы 7-го международного симпозиума «Применение анализаторов МАЭС в промышленности», Новосибирск 15-18 августа 2006 г.). Поэтому решающее влияние на точность и достоверность результатов анализа имеет выбор условий атомизации и измерения аналитического сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что, имея равные условия возбуждения и анализируя образцы одного и того же химического состава, изменив только их структурные соотношения путем описанной выше термообработки, можно получить статистически различимые аналитические сигналы с обеспечением возможности их интерпретации.

Пример.

Берется проба инструментальной штампованной стали марки Х6ВФ в виде ножовочного полотна толщиной 0,6 мм, шириной 14 мм и длиной ~50 мм. Ножовочные полотна подвергнуты прессованию, давлению и закалены.

От полотна отбирают 6 образцов длиной около 50 мм. Поверхность обрабатывают наждачной шкуркой для получения чистых поверхностей. Все шесть образцов подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу для получения интенсивностей линий химических элементов, которые образуют сталь, на приборе AtomComp 81 с возбуждением высоковольтной искрой.

Для снижения влияния флуктуации условий возбуждения на интенсивность линий определяемого элемента при выполнении анализов используют так называемый внутренний стандарт или элемент сравнения. В этом случае аналитическим сигналом служит отношение I_ан/I_ср,

где I_ан - интенсивность аналитической линии определяемого элемента;

I_cp - интенсивность спектральной линии элемента сравнения.

Чаще всего за линию сравнения принимают линию, принадлежащую основному компоненту пробы (в нашем случае Fe2599).

Прибор AtomComp 81 (производство компании Thermo Jarrel AshCorp) является эмиссионным спектрометром прямого считывания, использующий в качестве источника высоковольтную искру. Прибор оснащен оптической системой Пашена Рунге с фокусным расстоянием 0,75 м. Источник выполняет две функции: а) превращает образец в пар, состоящий преимущественно из свободных атомов и ионов; б) заставляет испускать этот пар свет, характеризующий тип и количество атомов, из которых состоит пар.

Полученные данные химического состава в пределах погрешности метода дают одинаковые результаты для всех шести образцов по всем химическим элементам стали Х6ВФ.

Произвольным образом из этих образцов отбирают три и подвергают их термообработке при температуре 800°С в течение 20 минут и охлаждают в печи (отжиг).

Поверхности всех образцов (повергшихся термообработке и без термообработки) снова подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу на приборе AtomComp 81, причем замеры делают, чередуя термообработанный - не термообработанный для исключения сомнений в тренде.

Полученные значения по всем химическим элементам разбивают на группы попарно: термообработанные и не термообработанные.

Каждую пару групп цифр для каждого химического элемента обрабатывают математически методом сравнения средних в дисперсионном анализе и, используя критерий Фишера, делают заключение о том, какие химические элементы в данной стали изменили свое взаимодействие с железной матрицей.

Таким образом, характеризуют изменения в структуре данного сплава и делают вывод, за счет каких химических элементов произошли изменения в структуре стали.

Математическая обработка проводилась по пяти параллельным определениям для каждой группы образцов.

В таблице 1 представлены результаты измерений I_ан/I_ср (I_cp - интенсивность линии Fe₂₅₉₉) исследуемых образцов: термообработанных (отожженных) и без термообработки (исх.).

Таблица 1 №№ Si₃₉₀₅ Cr₂₉₈₉ Мn₂₉₃₃ Ni₃₄₁₄ Ni₂₂₅₃ V₃₁₀₂ Cu₂₉₆₁ исх 1 0,0143 0,0092 0,0805 0,0136 0,0431 0,0142 0,0280 Т/об1 отожженный 0,0339 0,0057 0,0397 0,0102 0,0288 0,0093 0,0145 исх 2 0,0166 0,0076 0,0640 0,0127 0,0343 0,0126 0,0222 Т/об 2 отожженный 0,0300 0,0048 0,0313 0,0107 0,0237 0,0087 0,0116 исх 3 0,0166 0,0085 0,0744 0,0133 0,0382 0,0140 0,0258 Т/об3 отожженный 0,0238 0,0068 0,0545 0,0097 0,0326 0,0103 0.0192 исх 4 0,0150 0,0101 0,0928 0,0149 0,0460 0,0159 0,0314 Т/об 4 отожженный 0,0185 0,0074 0,0623 0,0107 0,0363 0.0116 0,0216 исх 5 0,0148 0,0101 0,0940 0,0148 0,0475 0,0157 0,0317 Т/об 5 отожженный 0,0272 0,0068 0,0548 0,0104 0,0331 0,0105 0,0189

Обработав статистику таблицы 1, получаем таблицу 1а, в которой отображены критерии Фишера

Таблица 1а №№ Si3905 Сr2989 Мn2933 Ni3414 Ni2253 V3102 CU2961 исх,ср 0,0154 0.0091 0,0811 0,0138 0,0418 0,0144 0,0278 Т/об ср отожженный 0,0266 0,0063 0,0485 0,0103 0,0309 0.0100 0,0171 F 17,57 17,5 16,6 56,5 11,1 31,2 17,69

Таблица 1а построена так, что в ней отображены средние значения относительных интенсивностей и представлены значения критерия Фишера. Необходимо отметить, что для пяти пар критическое значение Фишера при доверительной вероятности 0,95 равно 5,32, а при доверительной вероятности 0,99 равен 11,3. Ниже критического значения образцы считаются неразличимыми.

Различные линии одного и того же химического элемента имеют различную чувствительность к структурной перестройке. Так, например, видно, что линия никеля Ni₃₄₁₄ значительно чувствительней к изменению структуры данной стали, чем линия никеля Ni₂₂₅₃.

Интенсивность линии кремния после отжига увеличилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь кремния с матричным элементом (железом) ослабилась.

Интенсивности линий других химических элементов после отжига уменьшилась, это можно интерпретировать, что происшедшая структурная перестройка привела к образованию более плотных структурных единиц за счет диссипации внутренней энергии при отжиге.

Дополнительно проведен контроль элементного состава образцов путем мокрого химического анализа, который показал неизменность химического состава до термообработки и после термообработки сплава.

Установлено, что варьируя температурой и временем термообработки, можно выявить последовательность движения определенных химических элементов и объяснить перестройку структуры стали.

Информацию, полученную заявленным способом, можно использовать для контроля состояния стали при диагностике ее качества. Способ обеспечивает высокую точность и информативность контроля не только для элементного состава стали, но и для ее структуры.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры стали на аналитический сигнал при проведении эмиссионного спектрального анализа элементного состава. способ включает измерение интенсивностей входящих в состав стали химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры стали. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ контроля структурных изменений в стали, в котором эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов исходного образца стали, подвергают исходный образец стали термообработке в течение 20 минут при температуре 800°С c последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры, эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов термообработанного образца стали, сравнивают значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице в значениях интенсивностей химических элементов констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.

2. Способ по п.1, в котором при проведении эмиссионно-спектрального анализа выбирают спектральные линии в диапазоне от 190 до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

3. Способ по п.1, в котором дополнительно осуществляют анализ элементного состава стали химическими методами.