2023-11-03 14:35:59, HORIBA HORIBA科学仪器事业部
在漫威系列电影中,小罗伯特·唐尼饰演的科技天才托尼·史塔克在逃难时为自己造了钢铁盔甲,成功逃脱后,又不断改进战衣盔甲,化身“钢铁侠”,凭着钢铁战衣和各种敌人斗争,守卫世界和平。
那你有没有好奇过?他的钢铁战衣在制作的时候,是如何保证质量呢?
其实这跟GDS技术分不开。前两期的GDS微课堂已经带大家了解了GDS的基本原理,常用概念,这节课开始就要带大家了解GDS在各领域的实际应用了。
这一篇,我将解密GDS在钢铁侠战衣打造过程中的重要作用,以及GDS技术是如何凭借自身优势在钢铁领域大放异彩的!
图片来源:Pixabay
GDS与钢铁行业的渊源
GDS最初就是诞生于钢铁行业的,1968年,Dr. Grimm将辉光光源与光谱仪耦联,用于铜合金的含量分析,造就了GDS的雏形;随后法国钢铁研究院(IRSID)的一群研究人员首次将GDS用于镀锌板表面深度分析,自此开启了GDS在钢铁行业检测的事业版图。
图片来源:Pixabay
很快的,凭借着分析速度够快、没有污染、无需繁琐的样品制备,而且还能快速获得任意深度元素含量等特点,GDS成功KO了当时盛行的化学分析方法,成为钢铁行业中的“后起之秀”。
今天我们就从三个方面来看看,GDS是如何对钢铁产品进行成分分析、材料筛选和质量控制的。
成分分析
GDS测定基体材料的成分
基体材料是金属基复合材料的主要组成部分,它的成分构成将影响复合材料的各种性能,如钢铁侠盔甲的金钛合金,美队盾牌的振金,金刚狼全身骨架的艾德曼金属等。因此,如何测定基底材料的成分构成就显得尤为重要。
图片来源自网络
我们知道,GDS可以对样品进行表面深度剖析,获得元素随深度的分布,并通过和小伙伴“标准曲线”的默契合作,帮你获悉各元素浓度水平。
通过类似上图我们能够知道,在已知镀层厚度和元素含量的参比样品时,可以建立定量分析的标准校正曲线。通过标准曲线将获取的定性结果转化为浓度VS深度的定量分析结果,从而获悉各元素浓度水平随深度的变化。
所以它能够很容易地测出材料中不同元素的含量、看看各元素的含量是否达标、是否在可接受范围。我们来看个例子:
上图为均匀基体的成分分析结果,通过GDS,样品中C、P、S、Si、Mn等元素的含量信息一览无余。
材料筛选
GDS测定渗氮能力的强弱
如何确保钢铁侠战衣的性能呢?为了增强金属产品的性能,比如高硬度,更抗打等,通常都会对金属材料进行表面处理,例如渗氮、渗碳、脱碳、离子注入、钝化、氧化、磷化等。
什么是渗氮
渗氮是通过一定方法使得氮原子渗入材料表层的一种技术,它能够改变样品表层的化学成分和组织,从而提高表层性能,是钢铁行业用来获得高硬度和疲劳强度的一种常用工艺。
为了获得最好的性能,会在钢中加入能与氮形成稳定氮化物的合金元素,提高钢的渗氮能力。
但如何测定不同材料的渗氮能力是很多材料研究人士的一大难题,现在我们一起来看看GDS针对这一难题的应对方法。
假设现在我们有10种材料,需要了解它们的渗氮能力。在相同的条件下,我们分别对这些材料进行注氮,然后用GDS测定氮元素的注入深度及渗入量。
10种材料在400℃渗氮后的GDS分析结果
在上面的测试结果图中,横坐标表示深度,纵坐标为渗入氮的含量,我们可以直观地看到:氮元素在这10种材料的中渗入的深度和渗入量均不一样,单晶材料由于结构致密,导致氮的渗入深度以及渗入量都比较低,而多晶材料中,氮的渗入深度和渗入量相对较高。
通过这种简单的测试,我们就可以快速筛选出合适的渗氮材料,进而提高金属的性能,是不是非常方便?
质量控制
GDS判断钢铁镀层产品的好坏
妮妮的战衣如何能上天下海还不腐蚀?这也靠GDS技术来支撑。为了防止钢铁材料在使用和运输过程出现磨损,腐蚀等问题,也为了更加的美观,经常会对钢铁进行各种表面涂覆处理,比如镀锌钢板、硅钢、彩涂板等,那如何判断镀层的好坏呢?
以镀锌钢板为例,由于锌在大气中具有很好的耐腐蚀性,所以钢板表面常做镀锌处理,以提高钢板的防腐能力,延长其使用寿命。
镀锌钢板的结构一般为表面纯锌层、中间合金层及铁基体。而在镀层中,铁的含量是衡量合金化效果的一个重要指标,不同工艺会造成镀锌钢板合金层中铁和锌的比例不同,随着镀层中铁含量增加,镀层抗粉化性能会不断下降。
所以通过镀层中铁和锌的比例信息,我们可以轻易地推断出钢板的基本性能、产品是否合格。
简单的说,当GDS检测出钢板中铁的比例为20.5%~28%时,我们就得当心了!这说明这个镀锌层会很容易脱落、断裂。
而获取铁和锌的比例信息对GDS来说,简直是小菜一碟。
上图是镀锌钢板的典型测试结果,通过这张图我们可以很直观地了解到样品各层的厚度、元素含量随深度的变化,以及任意深度各元素的具体含量,有了这些信息后,分析钢板的基本性能也就不是难事啦。
通过上面的分析我们可以看出,打造出适合妮妮的钢铁战衣,GDS技术功不可没。
总结下来,GDS是一种非常适合对镀层样品进行分析的技术,能够帮助我们了解钢铁产品中的元素种类,镀层结构,镀层深度是否均一等信息,帮助我们进行质量控制和材料筛选。
除此之外,GDS还在哪些领域有重要作用呢?我们下一期继续跟大家讲解~
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