火花源直讀光譜儀測定汽車用熱成形鋼元素含量研究

摘要：結(jié)合金相組織及顯微硬度試驗(yàn)，進(jìn)行火花直讀光譜儀測定汽車用熱成形鋼原材料和成品件（車門防撞梁）元素含量的研究。研究發(fā)現(xiàn)，鋼材熱成型處理后，產(chǎn)品表面會生成一層脫碳層。此外，火花源直讀光譜儀檢測化學(xué)成分時(shí)，脫碳層的存在對Si、Mn、P、S、Alt元素含量的檢測結(jié)果影響不大，但對C元素含量的檢測結(jié)果存在顯著影響。若激發(fā)位置處于脫碳區(qū)域，C元素含量的檢測結(jié)果會顯著低于試樣實(shí)際的C含量。

關(guān)鍵詞：金相組織;顯微硬度;熱成形鋼;脫碳層

中圖分類號：U467.4 收稿日期：2022-06-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.018

1 前言

火花源直讀光譜儀是定量測定金屬材料化學(xué)成分的重要檢測設(shè)備之一，因其簡便、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在金屬材料成分快速分析、材料牌號檢定鑒別、冶金等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-3]。一般在直讀光譜儀分析過程中，由于受到人員、環(huán)境、儀器性能等方面的影響，理論上存在難以避免的誤差[4]。但是，有些因素是人為可以規(guī)范和控制的。例如，試驗(yàn)前期待測樣檢測面研磨時(shí)盡量避免過熱;針對鋁合金材料不使用砂紙?zhí)幚頇z測面，而是選用機(jī)床或銑床進(jìn)行表面處理[5-6]。

目前，關(guān)于直讀光譜儀的研究主要集中在標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定，在某鋼種的應(yīng)用、準(zhǔn)確度及不確定度評定等[7-9]。此外，由于直讀光譜儀對試樣尺寸的要求，研究者往往會更關(guān)注原材料的檢定。但是，在日常的檢測活動中會遇到一些異形件或者經(jīng)過特殊處理的成品件。針對以上試樣，往往更需明確其成形工藝或熱處理制度是否會改變試樣的元素含量。所以，需要加強(qiáng)對成品件及原材料的對比研究，以期更好地指導(dǎo)相關(guān)工作者未來的工作。

基于以上情況，本文利用金相組織試驗(yàn)、顯微硬度試驗(yàn)等表征手段，進(jìn)行火源花直讀光譜儀測定汽車用熱成形鋼原材料和成品件（車門防撞梁）元素含量的研究。此探究具有較高的實(shí)用性，尤其對相關(guān)從業(yè)者有較高的指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用牌號為CR950/1300HS的熱成形原料鋼板和成品件進(jìn)行，試樣情況說明詳見表1。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

化學(xué)成分測定所用的設(shè)備為火花源直讀光譜儀（德國斯派克，MAX×LMF15），金相組織試驗(yàn)所用的設(shè)備為金相顯微鏡（卡爾蔡司，AXIO Imager），顯微硬度試驗(yàn)所用的設(shè)備為顯微維氏硬度計(jì)（荷蘭軼諾，F(xiàn)ALCON 401AM）。此外，試樣的前期制備均用金相試樣磨拋機(jī)進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)步驟

化學(xué)成分測定前先用金相試樣磨拋機(jī)和氣槍對試樣按表1說明的要求進(jìn)行表面研磨并干燥，然后在同一試驗(yàn)環(huán)境及同一標(biāo)準(zhǔn)物塊建立的曲線下進(jìn)行化學(xué)成分測定，每種樣品測定10次，獲得C、Si、Mn、P、S、Alt元素的結(jié)果，并取10次結(jié)果的平均值進(jìn)行比較研究。金相組織試驗(yàn)及顯微硬度則先對試樣進(jìn)行冷鑲，然后用金相試樣磨拋機(jī)進(jìn)行研磨拋光。前者在用金相顯微鏡觀察前用2%的硝酸酒精進(jìn)行侵蝕，后者經(jīng)研磨拋光后直接進(jìn)行顯微硬度的測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)成分

試樣化學(xué)成分結(jié)果詳見表2及圖1，研究發(fā)現(xiàn)距兩種試樣表面均0.02 mm的位置所測定的六種元素中Si、Mn、P、S、Alt的檢測結(jié)果在圖中的分布幾乎是重合的，也就是說這五種元素含量的檢測結(jié)果相差不大。

表2所列的平均值也表明了Si、Mn、P、S、Alt這五種元素原料板和成品件在距試板表面0.02 mm的位置檢出結(jié)果的平均值極為接近。但是，由圖2不難發(fā)現(xiàn)，C元素含量的檢測結(jié)果存在顯著差別。其中，原料板在距表面0.02 mm位置C元素含量的檢測結(jié)果分布在0.206%～0.211%之間，其平均值為0.209%。而成品件在距表面0.02 mm位置C元素含量的檢測結(jié)果卻分布在0.179%～0.185%之間，其平均值在0.182%。

基于以上，本文對成品件試樣距表面0.40 mm位置也進(jìn)行檢測探究。結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)此檢測位置下，Si、Mn、P、S、Alt與距表面0.02 mm位置的檢測結(jié)果相差不大。但是，C元素含量的檢測結(jié)果也存在的顯著差別。成品件在距表面0.40 mm位置C元素含量的檢測結(jié)果分布在0.203%～0.207%之間，其平均值為0.205%。這一結(jié)果反而與原料板在距表面0.02 mm位置C元素含量的檢測結(jié)果相差不大。

針對此種現(xiàn)象，本文對試樣進(jìn)行金相組織及顯微硬度試驗(yàn)，以期更為深入地探究出現(xiàn)此種情況的原因。

3.2 金相組織及顯微硬度

試樣金相組織詳見圖3及圖4，由此發(fā)現(xiàn)原料板的組織為粒狀珠光體和鐵素體，并且整體呈現(xiàn)纖維狀的形貌特征，這符合冷軋鋼板的組織形態(tài)。成品件的組織則為馬氏體，這也符合熱成形處理后鋼材的組織特征。但是，仔細(xì)觀察圖4不難發(fā)現(xiàn)，成品件除了馬氏體組織，其試樣的表面還有一層深度約為60 μm的由塊狀鐵素體組成的脫碳層。仔細(xì)觀察圖3，可以發(fā)現(xiàn)原料板的表面未見明顯的脫碳層。為進(jìn)一步驗(yàn)證以上觀點(diǎn)，對試樣進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見表3及圖5。由此可知，原料板不同位置的硬度較為均勻，約為149 HV0.3。而成品件距試樣表面0.05 mm的硬度值很小，為366 HV0.3;距試樣表面0.10～0.70 mm的硬度值分布則較為均勻，平均值約為507 HV0.3。顯微維氏硬度的檢測結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了兩種材料的組織，也說明了成品件表面存在一層脫碳層。

綜上，本文中成品件試樣作為熱成形處理后的產(chǎn)品，其試樣表面生成了一層深度約0.06 mm的脫碳層。距試樣表面0.02 mm位置其實(shí)仍處于脫碳區(qū)域，若對此進(jìn)行直讀光譜儀檢定化學(xué)成分，其C元素含量的檢出結(jié)果就顯著小于距試樣表面0.40 mm位置的檢出結(jié)果。而原料板的試樣表面未見明顯的脫碳情況，因此其距試樣表面0.02 mm檢測結(jié)果與成品件距試樣表面0.40 mm位置的檢出結(jié)果相近。

4 結(jié)語

鋼材熱成形處理后，產(chǎn)品表面會生成一層脫碳層。火花源直讀光譜儀檢測化學(xué)成分時(shí)，脫碳層的存在對Si、Mn、P、S、Alt元素含量的檢測結(jié)果影響不大，但對C元素含量的檢測結(jié)果存在顯著影響。當(dāng)對試樣表面研磨不夠，即未完全去除脫碳層時(shí)，激發(fā)位置將處于脫碳區(qū)域，其C元素含量的檢測結(jié)果會明顯低于試樣實(shí)際的C含量。因此，相關(guān)工作者開展類似試樣的檢測工作時(shí)，需要考慮試樣的成形或熱處理工藝是否對檢測結(jié)果有影響。試驗(yàn)前，需更為規(guī)范地處理試樣，以保證檢測結(jié)果的正確性。

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作者簡介：

蔣有輝，男，1995年生，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚵悴考z驗(yàn)檢測。