納米不銹鋼粉末燒結(jié)試樣晶粒度的x射線衍射分析

納米不銹鋼粉末燒結(jié)試樣晶粒度的x射線衍射分析

顆粒組織的大小是建筑材料最重要的組織特征之一。由于它對(duì)大多數(shù)金屬材料的性能和變化有重要影響，因此我們重視傳統(tǒng)的人工分析方法的計(jì)算。通過比較相同大小的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的測(cè)量組織，我們可以確定不同大小的晶體。標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)方案由國家發(fā)布。然而，這種方法不適用于納米級(jí)晶體金屬。由于普通的金相鏡無法看到納米級(jí)晶體，因此采用x射線衍射峰半高寬度法和電子顯微鏡等電子顯微鏡方法。然而，由于普通金相鏡無法看到納米級(jí)顆粒，因此確定納米顆粒的大小，可以通過x射線輻射峰半高寬度法以及電子顯微鏡等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行測(cè)量。x射線輻射銀行傳輸法測(cè)量了同一矩陣中貫穿的小晶的大小。這是最符合晶體含量含義的測(cè)量方法。然而，由于預(yù)射儀的設(shè)計(jì)和調(diào)試不理想，由于透射方向的偏差，以及反射峰的寬度。因此，為了正確計(jì)算樣品的平均顆粒度，有必要消除這些因素對(duì)實(shí)際折射峰寬度的影響。電子顯微鏡的形狀觀察與計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合，可以精確地計(jì)算出矩陣的平均大小。然而，只有大量的顆粒才能解釋整個(gè)結(jié)論的平均顆粒度。在形狀上的觀察中，可以將顆粒和顆粒一起視為一個(gè)小顆粒，從而造成誤差。在這項(xiàng)工作中，我們使用該方法計(jì)算納米級(jí)晶體晶體含量，并比較了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。1球磨法燒結(jié)ni按比列稱取SUS304不銹鋼粉末(粒度325目,化學(xué)成分見表1);氮化錳鐵粉末(300目,主要含有90%的錳和5.85%的氮);高氮鉻鐵粉末(200目,主要含有27.2%的鐵,62.6%的Cr和8.48%的氮)以及少量的Ni粉(粒度200目,純度為99.5%)裝入行星式球磨機(jī)(QM-1SP4-CL,南京大學(xué)設(shè)備制造廠生產(chǎn))進(jìn)行360ks的球磨,球磨后的粉末在SPS-1050型等離子電火花燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)成型,燒結(jié)溫度選取900℃,燒結(jié)壓力分別為30MPa和50MPa,升溫時(shí)間600s,在900℃下保溫300s,然后燒結(jié)設(shè)備斷電,試樣在爐內(nèi)由900℃降至200℃,再放入空氣中自然冷至室溫,燒結(jié)后的試樣為圓柱體,直徑Φ32mm,高5~6mm.2采用輻射峰寬化法計(jì)算平均顆粒度2.1儀器寬度roe晶塊細(xì)化和晶格畸變而引起的衍射線寬化統(tǒng)稱為物理寬化.在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中,即使沒有物理加寬因素,衍射線本身也會(huì)具有一定的寬度.這種寬度是由于衍射線的不平行性、試樣的吸收、光闌尺寸等儀器因素造成的,故稱為儀器寬度.無論是儀器寬化還是小晶粒寬化效應(yīng),都應(yīng)首先從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中剝離出Ka2的相關(guān)強(qiáng)度.由于本實(shí)驗(yàn)所用的X衍射儀可以直接分離出Ka1的峰,求出Ka1峰的半高寬,因此,在這里不再詳述剝離Ka2的方法.2.2儀器因子校正曲線的繪制眾所周知,晶粒足夠大,無晶格畸變,結(jié)晶完好的α-石英,其Ka1對(duì)應(yīng)的衍射峰也有一定的寬度,這個(gè)寬度顯示了儀器寬化效應(yīng)的存在和寬化程度,通常以它的Ka1對(duì)應(yīng)的峰寬作為校正儀器寬化因子的依據(jù).當(dāng)小晶粒寬化效應(yīng)和儀器寬化效應(yīng)同時(shí)存在時(shí),實(shí)驗(yàn)所得的衍射峰形是以兩個(gè)相關(guān)的函數(shù)f(x)和g(y)卷積的結(jié)果h(z)函數(shù)表示.為從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中求出晶粒效應(yīng)對(duì)應(yīng)的函數(shù)f(y),應(yīng)從h(z)函數(shù)出發(fā)解卷積.h(z)=∫?∞∞f(y)dy=∫?∞∞g(x)f(z?x)dxh(z)=∫-∞∞f(y)dy=∫-∞∞g(x)f(z-x)dx晶粒因子函數(shù)以Cauchy函數(shù)f(x)=1/(1+K2x2)表示時(shí),其半高寬為β1/2=2/K,求f(x)和g(x)的卷積得h(z),將其結(jié)果按h(z)~z的關(guān)系作圖,即求得其半高寬β1/2,改變K值,可獲得一系列的f(x)和相應(yīng)的h(z),以及一系列的半高寬β1/2的數(shù)值.依照β1/2/B1/2~b1/2/B1/2的關(guān)系即可得到一條以半高寬表示的儀器因子校正曲線.制作以上工作曲線,首先應(yīng)求卷積以獲得h(z)的峰形,求卷積較為直觀的方法是褶積法.如圖1,將g(x)和f(x)以某固定間隔x取其n個(gè)g(x)和f(x)數(shù)值,分上下兩列列在紙條上.gm(x)和fm(x)居中對(duì)齊,設(shè)h(z)函數(shù)的自變量z=2x,則x=z/2,著眼于某一定點(diǎn)z/2,其左邊的第n點(diǎn)為某一x值時(shí),右邊第n點(diǎn)將為[x+2(z/2-x)=z-x],若將紙條在某一個(gè)x=z/2處褶疊,褶疊后g(x)的位置和f(z-x)位置上下相對(duì),將g(x)和f(z-x)各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值相乘,再將諸乘積求加和即得h(z/2)的數(shù)值.改變不同的z,即得一系列的h(z),依照h(z)~z關(guān)系,可得相關(guān)的半高寬b1/2的數(shù)值.x取值越小,n的數(shù)值越大,所得h(z)函數(shù)的峰形越平滑.圖2為半高寬法制作的儀器因子校正曲線,其中,g(y)取5~15m的α-石英以(110)和(223)衍射分別與f(x)求卷積得兩個(gè)h(z)分布,分別求出其半高寬,則得兩條β/B~b/B儀器因子校正曲線(a)和(b).其中B為試樣的Ka1對(duì)應(yīng)半高寬,b為α-石英Ka1對(duì)應(yīng)的半高寬,β為我們要求的試樣晶粒細(xì)化引起的半高寬.2.3平均晶粒度的測(cè)定圖3為燒結(jié)不銹鋼的X射線衍射譜線.由圖譜可得該鋼樣的主體相為奧氏體相,測(cè)得奧氏體(111)Kα1峰的半高寬為0.280°,對(duì)應(yīng)的2θ角為50.742°.α-石英標(biāo)樣在相同的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得(110)Kα1衍射峰的半高寬為0.23°.因此b/B=0.23/0.28=0.82.將0.82代入圖2(110)衍射峰對(duì)應(yīng)的曲線中,得出β/B=0.23,因?yàn)锽=0.28所以得出鋼樣由晶粒細(xì)化引起的寬化β=0.0644°根據(jù)Scherrer公式Dhkl=kλ/βhklcosθ將K=0.89,λ(Co)=0.17902(nm),β=0.07°=0.00112,θ=25.37°代入公式得:平均晶粒度Dhkl≈157nm3透射電鏡圖像分析圖4為使用JEM-2000FXI透射電子顯微鏡對(duì)納米不銹鋼拍攝的8張照片,圖5為利用Image-Pro軟件對(duì)8張透射電鏡照片中的225個(gè)晶粒進(jìn)行等圓周統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)計(jì)圖,從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出,晶粒尺寸的大小分布在50~360nm之間,其平均晶粒度為164nm,由該種方法計(jì)算平均晶粒度與用X射線衍射峰寬化法計(jì)算出的晶粒度相差僅為5%.4-石英半高寬度b和-石英半高寬b的衍射bragg角的檢測(cè)1)由于晶粒足夠大,無晶格畸變,結(jié)構(gòu)完好的α-石英不存在晶塊細(xì)化和晶格畸變引起的物理寬化,因此,α-石英的Kα1峰寬b即顯示了儀器寬化的存在和寬化的程度.2)與試樣半高寬B和α-石英半高寬b相關(guān)的兩個(gè)衍射Bragg角應(yīng)盡量接近,當(dāng)試樣取低角度的衍射峰時(shí),應(yīng)使用α-石英(110)衍射校正曲線進(jìn)行校正,當(dāng)試樣取高角度衍射峰時(shí),應(yīng)使用α-石英(