激光诱导击穿光谱对焊缝熔合区的元素成分分布分析

激光诱导击穿光谱(LIBS)是近十几年来快速发展的一种新的表面分析工具,由于具有分析速度快、灵敏度高等优点,故在材料科学领域引起广泛的关注。文中采用LIBS、扫描电子显微镜／能谱仪(SEM/EDS)和电子探针显微分析(EPMA)三种分析方法,对两类不同焊缝的熔合线区域进行线扫描分析,研究了Ni,Mn,C,Si等元素在熔合线区域含量的变化情况。结果表明,对于含量较高且焊缝和母材成分差别较大的Ni和Mn元素,三种方法获得了一致的分析结果,两试样焊缝内的Ni和Mn含量均高于母材,在熔合线区域明显体现出浓度梯度分布。三种方法根据Ni和Mn的浓度分布测得的熔合线区宽度值比较接近。对于含量较低且焊缝和母材成分差别较小的C和Si元素,采用SEM/EDS和EPMA时,焊缝与母材之间的成分差异没有分析出来;而采用LIBS时,两区域的成分差异则可以清晰的展现出来,在熔合区域能够清楚观察到浓度梯度分布曲线。LIBS的分析灵敏度明显高于SEM/EDS和EPMA,在分析低含量元素时更具优势。     

B对Mo等元素在奥氏体钢/Cr2O3界面占位倾向影响的理论研究

超级奥氏体不锈钢中因含有更高铬、钼含量,具有极高的耐点蚀、晶间腐蚀性能,这与Mo等合金元素对钝化膜结构的影响密切相关,尤其含硼超奥钢钝化层表面Cr、Mo含量明显增加,但其原子层次的微观作用机制尚不清楚.本文采用第一性原理方法,研究了置换原子(Mo、Mn、Ni、Si),及间隙原子B在fcc-Fe/Cr₂O₃界面占位倾向,并分析了可稳定存在于界面B对这些元素偏析倾向的影响.结果表明:Mo、Mn、Ni、Si、B均可与fcc-Fe/Cr₂O₃界面结构体系形成稳定结构;Mo、Ni倾向分布于界面基体侧,Mo有向氧化层扩散的趋势,B处于fcc-Fe/Cr₂O₃界面基体侧更稳定,Mn、Si易分布于氧化层中;存在于界面B对四种元素在fcc-Fe/Cr₂O₃界面体系中的占位影响不同,有利于Mn、Mo偏析于界面基体侧,但抑制Mo向界面基体侧的偏析程度,使得Si、Ni更均匀的分布于基体. Mo等合金元素分布于界面时的态密度来看,界面处M...     

激光诱导击穿光谱技术对火车车轮钢中成分的原位统计分布分析表征

随着铁路规模的迅速扩大,对列车运行的可靠性及耐久性的要求也越来越高,车轮作为铁路机车车辆行走系统的核心部件,它与轨道之间的摩擦既要保证安全又要提升速度,车轮材料的性能直接影响车轮对磨损和滚动接触疲劳损伤的敏感性,其服役性能也受到高度关注。研究表明,车轮钢材料的成分及分布状态可对其组织性能产生显著影响,因此,运用激光诱导击穿光谱分析技术结合原位统计分布分析方法,通过其可多元素同步快速分析的高效性、较好的空间分辨能力、较大区域内的扫描分析能力等技术优势,结合统计分布分析方法,实现对车轮钢材料成分及其分布状态的快速表征。选取垂直于车轮轮辋外侧面作为分析面,对其进行低倍检测观察到在远离踏面的区域存在明显的粗大树枝晶结构,其组织结构存在不均匀性,并以此作为特征分析区域进行取样,采用320目的氧化铝砂纸进行表面处理,利用LIBSOPA系统进行成分分布分析。首先,在不同剥蚀条件下对各元素特征谱线的光谱信号强度及其稳定性进行比对分析,优化选定了20个预剥蚀10个剥蚀作为实验条件;其次,采用内标法建立了火车车轮钢中Si,Mn,P,S,Cr,Ni,Mo,Cu和V等九个元素的定量分析方法并对车轮钢样品中的元素含量进行测定,其定量结果与直读光谱分析的结果具有较好的一致性;最后对样品进行了区域扫描并运用统计偏析度对各元素的成分分布状态进行了统计表征,成分分布分区统计结果显示所有元素靠近踏面区域的统计偏析度均小于远离踏面区的统计偏析度,结合成分二维分布图可知,测试样品远离踏面区域的成分分布不均匀,其结果与低倍检验方法观察到的结果对应性较好。运用LIBSOPA 技术实现了对火车车轮钢材料中多元素的成分分布表征,为快速判定车轮钢材料成分及分布状态提供了全新的思路和表征手段。     

基于SMAW高温熔池流动的元素分布

本文对比了焊炬摆动对熔池内部流动和元素分布规律的影响。焊炬无摆动时元素分布呈双峰型,峰值位置在熔池中心左右3 mm处;熔池中心Mn、Mo、Ni和Cr含量较高,分别为1.298%、0.149%、0.146%和0.011%;旋涡中心C、Si、P和S含量最大,分别为0.048%、0.260%、0.014%和0.009%。焊炬摆动时元素分布呈单峰型;熔池中心C、Si、P和S含量最高,分别为0.050%、0.270%、0.016%和0.010%;熔池中心Mn、Mo、Ni和Cr含量最低,分别为1.121%、0.063%、0.062%和0.005%。     

X射线荧光光谱结合判别分析识别进口铁矿石产地及品牌

铁矿石是钢铁工业的重要原材料,不同产地、品牌的进口铁矿石在元素组成、含量上存在差异,进口铁矿石掺杂、掺假、以次充好等现象虽集中于个案,却危害经济安全。故建立主要进口国铁矿石产地与品牌的快速识别模型,对支撑进口铁矿石的风险监管,保障贸易便利化。该研究对象为澳大利亚、南非、巴西3个国家共14个品牌的236份进口铁矿石样品,包括皮尔巴拉混合粉(块)、杨迪粉铁矿,纽曼混合粉(块)铁矿、津布巴混合粉铁矿、国王粉、弗特斯克混合粉、昆巴标准粉(块)、卡拉加斯铁矿石等。应用波长色散-X射线荧光光谱无标样分析法测定所有研究样品的元素组成及含量,检出元素包括Fe, O, Si, Ca, Al, Mn, Tb, Ti, Mg, P, K, S, Cr, Na, Sr, Zr, Zn, V, Cu, Gd, Ba, Cl, Ni和Co,共计24种,选择其中Fe, O, Si, Ca, Al, Mn, Tb, Ti, Mg, P, Cr和S共12种所有样品全部检出的元素进行判别分析。采用逐步判别法筛选出Fe, O, Si, Ca, Al, Mn, Ti, Mg, P和S共10个元素含量作为有效变量,建立二维Fisher判别模型,实现对澳大利亚、南非、巴西进口铁矿石的识别,模型对建模样品识别正确率为97.40%,交叉验证正确率为95.30%,对测试样品的识别正确率达到95.50%。针对14种品牌铁矿石,使用Fe, O, Si, Ca, Al, Mn, Ti, Mg, P和S共10种元素含量,建立十维Fisher判别模型,模型对建模样品识别正确率为100%,交叉验证正确率为97.90%,对测试样品的识别正确率达到100%。波长色散-X射线荧光光谱无标样分析虽然是一种半定量分析方法,但分析快速,稳定性好,该方法结合逐步判别-Fisher判别分析,能实现对铁矿石产地与品牌的识别。     

双脉冲激光诱导光谱结合多变量GA-BP-ANN检测合金钢中C元素

在合金钢众多成分中碳(C)属于微量非金属元素,其含量决定了合金钢的主要力学性能,准确、实时掌握C元素的含量,对合金钢的生产及分类起到关键作用。双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)是一种可用于在线快速分析合金钢中元素的有效手段,不仅具有实时、样品预处理简单等优点,还能够增强物质的烧蚀度和信号强度,从而提高LIBS技术的检测灵敏度。为了减小基体效应影响,进一步提高LIBS技术对合金钢中微量C元素定量分析的精确性,采用多元素多谱线的修正方法,通过DP-LIBS结合反向传播人工神经网络(BP-ANN),建立多变量GA-BP-ANN定标法。首先在氩气环境对合金钢样品进行DP-LIBS采集,目标C元素选择了谱线强度变化能够体现其含量变化的C 193.09 nm处的原子谱线,同时选取共存元素Fe,Cr,Mn和Si对应的特征谱线,以提供更多的光谱信息,提高C元素定量分析的准确度,共选择15条特征分析谱线,其中Fe元素含量丰富且相对稳定,作为内标元素引入以减小谱线波动;之后通过遗传算法(GA)寻优,对C/Fe,Cr/Fe,Mn/Fe和Si/Fe的谱线强度比进行优化选择;最后将GA选择的多谱线强度比作为BP-ANN网络的输入,输出为目标C元素浓度值,建立多变量GA-BP-ANN定标方法。为比较该方法预测结果的精确性,同时建立传统定标曲线法与以C/Fe为输入的单变量BP-ANN定标方法。利用标准合金钢样品,通过留一法交叉预测C元素含量值,与内标法和单变量BP-ANN定标方法相比,预测样品的平均相对误差分别由14.78%和14.75%减小到8.29%,预测值与真实值之间的决定系数R2分别由0.967 4和0.974 4提升至0.989 3。结果说明了多变量GA-BP-ANN定标法预测的C元素含量更接近于真实含量,证明了该方法用于LIBS检测合金钢中C元素含量的可行性。     

激光诱导击穿光谱同时分析钢中夹杂物尺寸和含量的方法研究

钢中夹杂物是影响钢性能的重要因素。有很多手段可以分析夹杂物的形貌尺寸和组成,但同时分析夹杂物含量和尺寸的手段未见报道。金相显微镜和扫描电镜等分析夹杂物尺寸要求样品表面精细制备,通常钢铁样品要用800目砂纸打磨表面后用抛光膏磨成镜面,费时费力。采用激光诱导击穿光谱LIBS可以方便地同时分析钢中大于1μm的夹杂物含量和尺寸分布,同时LIBS分析时样品制备不需要像金相制样那样精细,采用80目以上砂纸打磨表面,无需将样品表面处理成镜面。LIBS分析钢铁样品,如果激发斑点激发到同时含有固溶元素及其夹杂物时,均匀分布于基体铁中的固溶元素强度呈正态分布,夹杂物作为夹杂元素的"富集体"会产生较高光谱强度并叠加在固溶光谱信号中,可以将夹杂物产生的光谱强度解析分离出来,这个解析出的夹杂物光谱强度包含了夹杂物尺寸大小和夹杂物平均浓度的信息。夹杂物作为夹杂元素对比其固溶元素,本质上相当于夹杂元素的"局部富集",在激发到夹杂物时,富集的元素进入激发等离子体中释放出更强的分析谱线。采用含Al_2O_3夹杂物及MnS夹杂物的钢铁样品,以扫描电镜测得的夹杂物尺寸和面积测量结果作参照,分析验证夹杂物面积、尺寸与分析同样样品获得的LIBS的夹杂物光谱强度关联,得出结论是夹杂物的面积与夹杂物光谱强度呈直线相关。球状夹杂物的直径与夹杂物强度呈抛物线关系。包含多个激发位置的夹杂物的平均浓度与夹杂物平均强度呈直线相关。系统地给出了采用LIBS分析钢中夹杂物尺寸(面积)和夹杂物平均浓度的三个公式,利用LIBS分析夹杂物的同一组光谱强度数据,可以同时测定钢中夹杂物面积、尺寸和含量。分析了LIBS同时分析夹杂物尺寸(面积)和成分的原理。并用钢中氧化铝夹杂物分析进行了验证,理论公式和实际分析基本一致。     

LIBS技术在污染土壤重金属含量分布测量中的应用

诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实时快速、多元素同时探测的优势,并且无需样品预处理,检测成本低,是土壤重金属定量分析检测的一种重要分析手段。将LIBS技术应用于冶炼厂区周围土壤中重金属的含量分布分析研究,利用Cu,Pb和Cr三种元素的特征谱线强度分析了冶炼厂区周围土壤中Cu,Pb和Cr三种元素的含量分布。实验结果表明冶炼厂区土壤LIBS光谱中Cu和Pb两种元素的特征谱线强度分布与实际含量分布呈较好的线性关系,而Cr元素的特征谱线强度分布与实际含量分布相关性较差。为了提高Cr元素含量分布分析的准确性,利用CF-LIBS结合Saha方程应用于土壤Cr元素的含量分布分析中。实验结果表明基于CF-LIBS计算的Cr和Si两种元素含量比值分布与土壤Cr元素的实际含量分布之间具有良好的一致性。相比于其他的化学分析方法,LIBS技术结合CF-LIBS可以快速的对区域土壤重金属元素的含量分布进行检测,因此将LIBS技术与CF-LIBS相结合用于土壤重金属的含量分布检测中,为污染区域的重金属防治提供方向。     

LIBS技术在污染土壤重金属含量分布测量中的应用（英文）

诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实时快速、多元素同时探测的优势,并且无需样品预处理,检测成本低,是土壤重金属定量分析检测的一种重要分析手段。将LIBS技术应用于冶炼厂区周围土壤中重金属的含量分布分析研究,利用Cu,Pb和Cr三种元素的特征谱线强度分析了冶炼厂区周围土壤中Cu,Pb和Cr三种元素的含量分布。实验结果表明冶炼厂区土壤LIBS光谱中Cu和Pb两种元素的特征谱线强度分布与实际含量分布呈较好的线性关系,而Cr元素的特征谱线强度分布与实际含量分布相关性较差。为了提高Cr元素含量分布分析的准确性,利用CF-LIBS结合Saha方程应用于土壤Cr元素的含量分布分析中。实验结果表明基于CF-LIBS计算的Cr和Si两种元素含量比值分布与土壤Cr元素的实际含量分布之间具有良好的一致性。相比于其他的化学分析方法,LIBS技术结合CF-LIBS可以快速的对区域土壤重金属元素的含量分布进行检测,因此将LIBS技术与CF-LIBS相结合用于土壤重金属的含量分布检测中,为污染区域的重金属防治提供方向。     

利用LIBS技术实现钢液中多元素含量检测

在钢铁冶炼中,成分含量检测是保证冶炼质量的关键之一,激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有遥测的特点,非常适合于炉内钢水成分的检测。实验室搭建了一熔融合金LIBS检测实验系统,该系统由 Nd:YAG调Q激光器(重复频率10 Hz,波长1 064 nm,脉冲宽度10 ns,单脉冲能量约240 mJ),高频感应电炉(温度1 600 ℃),光谱仪(波长范围186～310 nm,光谱分辨率0.1 nm),激光聚焦和信号光收集系统组成。实现了对钢液中多元素的LIBS光谱检测,通过内标法建立了相应元素的定标曲线,并给出了系统的检测限。采用深紫外镀膜探测器的光谱仪和抗紫外曝光处理的光纤,在大气环境下得到的C,S,Mn和Cr元素定标曲线的线性相关系数优于0.96,检测限分别达到169,15,58.9和210 μg·g-1。对比发现,不同元素得到最佳定标曲线所需延时条件不同。     

Cr掺杂以及Mo和Cr双掺Mn4Si7的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论中第一性原理的赝势平面波法,分别对本征Mn4Si7、Cr掺杂Mn4Si7以及Cr和Mo双掺Mn4Si7的电子结构及光学性质进行了计算和分析。计算结果表明本征Mn4Si7禁带宽度为Eg=0.813 eV,Cr掺杂Mn4Si7禁带宽度为Eg=0.730 eV,Cr和Mo双掺Mn4Si7禁带宽度为Eg=0.620 eV,均为间接带隙半导体、p型掺杂。此外,在低能区掺杂体系的介电函数、折射率、消光系数、吸收系数以及光电导率均强于本征Mn4Si7,表明Cr掺杂Mn4Si7以及Cr和Mo双掺Mn4Si7有运用于红外光电子器件的巨大潜力。     

Study on parameters influencing analytical performance of laser-induced breakdown spectroscopy

Lens-to-sample distances, delay time, atmospheric condition, laser pulse energy, etc. had obvious effects on the analytical performance of laser-induced breakdown spectroscopy. In this paper, these parameters are investigated in greater detail and we will explain how they have influences on the analytical performance. The results show that the focal plane under the sample surface can improve precision and detection limit, and the delay time should be decided according to sensitivity and accuracy. Spectral line intensity is stronger in argon than helium, nitrogen and air gas environment. Pulse energy should exceed energy threshold (about 50 mJ) which can generate plasma, and the energy should not exceed about 300 mJ to avoid plasma shielding. Under optimum parameters, concentration relative standard deviation of C, Si, Mn, P, S, Ni, and Cr for low-alloyed steel (sample number 11278) which were measured 11 times is 2.37%, 2.18%, 2.23%, 7.8%, 9.34%, 1.92%, and 2.13%, respectively. And the detection limit of C, Si, Mn, P, S, Ni, and Cr for pure steel is 0.0045%, 0.0072%, 0.0069%, 0.0027%, 0.0024%, 0.0047%, and 0.0024%, respectively.     

Characterization of the globular oxide inclusion ratings in steel using laser-induced breakdown spectroscopy

Grade assessment of steel is generally performed via the metallographic method, which is timeconsuming and is not able to provide the elemental distribution information. In this paper, we present a method to measure the globular oxide inclusion ratings in steel using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). The measurement is performed in two basic steps: steel samples are polished using metallographic sand paper and the Al₂O₃ inclusion number and size distribution in a marked area are observed using scanning electron microscope/energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDS) for further LIBS scanning analysis. The threshold intensity that distinguishes soluble aluminum and insoluble aluminum inclusions is determined using LIBS combined with the SEM/EDS statistical data. Carbon steel (the sample number is S9256) and bearing steel (the sample number is GCr15) are analyzed in scanning mode, and the number of Al₂O₃ inclusions in different size ranges is obtained from the statistical information derived from the Al₂O₃ size calibration curve. According to heavy and thin series for globular oxide inclusions grade assessment, the method we propose is comparable to the traditional metallographic method in terms of accuracy; however, the process is simplified and the measurement speed is significantly improved.     

Solute segregation to grain boundaries and free surfaces in an Fe---Si multicomponent alloy

Solute segregation was measured at both the {310} symmetrical tilt grain boundary and the (310) free surface of a sample of an Fe-6at%Si alloy containing traces of P, S, N and C at 873 K. Large phosphorus enrichment and silicon depletion characterize the grain boundary segregation in spite of a different bulk concentration of nitrogen. The surface segregation in nitrogen-containing samples is controlled by strong cosegregation of Si and N, resulting in the formation of a stable Si_xN_y 2D surface compound, whereas pronounced surface segregation of sulphur dominates in denitridized samples. The differences of grain boundary and surface segregation are discussed as a kind of “anisotropy of interfacial segregation” on the basis of Guttmann's theory with different values of free energies of segregation to grain boundary and free surface. They also suggest that the measurements of surface segregation cannot be unambiguously used for predicting the grain boundary segregation. In some non-brittle multicomponent systems, a better way of predicting segregation behavior at grain boundaries would be the measurement of grain boundary segregation in a related system with solute concentrations that cause embrittlement. The findings can then be applied to the required alloy composition on the basis of Guttmann's theory.     

ZnSⅩⅣMn水溶胶的合成

在不同条件下合成了ZnSⅩⅣMn水溶胶,ZnSⅩⅣMn微粒的尺寸与溶液pH、S^2-浓度等有关.pH>7时所得样品因氧化致使其颜色随pH的增加而由白色向棕色变化.Mn²⁺离子的特征发射强度亦受合成条件影响.掺杂浓度为4%时,可获得最大的发射强度.样品在酸性及碱性范围内均有最强发射峰,碱性条件下的最大发射强度约为酸性下的两倍.此外,过量的S^2-可引起Mn²⁺发射的猝灭.     

Two-dimensional fractal-like growth on semiconductors: The formation of continuous manganese monosilicide ultrathin films on Si(111)

Continuous crystalline MnSi ultrathin films with atomically flat surfaces, which are highly expected to find an application in Si-based spintronics, are grown on Si(111)-7×7 by solid phase epitaxy method. The interfacial reaction between Mn and Si and the formation processes of the films as well as their morphological variation with annealing temperature are investigated using scanning tunneling microscopy. The MnSi ultrathin films form in a two-dimensional (2D) fractal-like mode only at a Mn coverage above ∼2 ML and at an annealing temperature in the narrow range of ∼250-300 °C. Above ∼300 °C, the growth mode gradually transforms into Volmer-Weber mode and correspondingly, the continuous films transform into 2D compact islands. The films grow with a thickness unit of quadruple layer, which is consistent with the B20-type MnSi structure.     

Element segregation on the surfaces of pure aluminum foils

The surface segregation trend of trace elements in pure aluminum foils was investigated by density functional theory. The model of nine-layer Al(1 0 0) slab substituted partially by trace element atoms was proposed for calculating surface segregation energy. The calculating results show that (i) B, Mg, Si, Ga, Ge, Y, In, Sn, Sb, Pb and Bi exhibit negative segregation energy and possibly move to the surface, while Be, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zr exhibit positive segregation energies and migrated into the bulk; (ii) the segregation energy was found to be related with the covalent radius, the relaxed position at the surface of the substituting atom and the surface energy; (iii) the segregation behavior of trace element generates lots of defects and dislocation, which can increase the initial pitting nucleation sites in the surface of aluminum foils; (iv) the impurity atom concentration was tested with Pb-doped surfaces, the calculated negative segregation energies in all coverage increases rapidly with the Pb coverage. These conclusions are helpful for designing of the chemical composition and to advance the tunnel etching of aluminum foils.     

第一性原理研究B掺杂Mn_4Si_7的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及B掺杂Mn_4Si_7的电子结构和光学性质进行理论计算.研究结果表明,未掺杂Mn_4Si_7是间接带隙半导体,其禁带宽度为0.786 eV,B掺杂后其禁带宽度下降为0.723 eV. B掺杂Mn_4Si_7是p型半导体材料.未掺杂Mn_4Si_7在近红外区的吸收系数达到10~5 cm~(-1),B掺杂引起Mn_4Si_7的折射率、吸收系数、反射系数及光电导率增加.     

Ge，Al掺杂锰硅化合物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法,对本征Mn4Si7以及Ge,Al单掺杂和共掺杂Mn4Si7的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明：本征态Mn4Si7的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge,Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn4Si7的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.