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!




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    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。

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    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。

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    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

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    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:

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    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。

    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

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    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?

    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

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    镀锌钢板的结构一般为表面纯锌层、中间合金层铁基体。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。

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    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。

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    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。


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    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~


    此文章来源于《HORIBA科学仪器事业部》公众号


GDS解密:如何打造钢铁侠的战衣盔甲?