鋼是當(dāng)今世界上重要的金屬合金材料之一。因此，鋼合金生產(chǎn)是全球工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分。目前合金鋼的種類已經(jīng)超過2,500種，它們具備眾多不同的屬性，而且隨著產(chǎn)品和應(yīng)用的要求逐漸升高，更多新等級(jí)的鋼產(chǎn)品正在源源不斷地開發(fā)中。

鋼材生產(chǎn)涉及多個(gè)步驟：從巖石中提取鐵礦石、熔煉鐵礦獲得原料生鐵、使用氧氣轉(zhuǎn)爐工藝將富碳生鐵轉(zhuǎn)化為鋼^[1,2]。很多年前，人們便知道鋼材微結(jié)構(gòu)（夾雜物、晶粒、沉淀物和其它相）對合金屬性和質(zhì)量的影響巨大^[1,3-6]。為保持在全球市場的競爭力，鋼材生產(chǎn)商必須通過材料分析準(zhǔn)確評估鋼材質(zhì)量。對于很多產(chǎn)品和應(yīng)用（如新合金、車輛、建筑、船舶、管道和回收再利用）而言，了解鋼材的質(zhì)量都非常重要。

通常人們會(huì)使用配置精密分析軟件的光學(xué)顯微鏡成像對鋼材夾雜物進(jìn)行分類，分類標(biāo)準(zhǔn)包括尺寸、顏色/光澤、形狀和結(jié)構(gòu)等一系列標(biāo)準(zhǔn)特性（參見圖1）^[3,5-6]。除此之外，各種成分（如氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物）的含量也非常重要。而且按全球工業(yè)材料規(guī)定要求，生產(chǎn)商必須快速提供他們鋼合金的屬性和規(guī)格參數(shù)等數(shù)據(jù)，以便對照相關(guān)區(qū)域和國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

合金生產(chǎn)和失效分析中通常根據(jù)鋼材非金屬夾雜物分析評估質(zhì)量。以前，常用方法是人工比對圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖表的差異，以此來評定NMI的等級(jí)。這種方法不僅耗時(shí)，而且評級(jí)結(jié)果主要取決于用戶的主觀判斷。今天，拋光鋼的視覺檢驗(yàn)通過顯微鏡系統(tǒng)執(zhí)行，顯微鏡上配置的圖像分析軟件會(huì)自動(dòng)掃描樣本、檢測定義的夾雜物、顯示原始數(shù)據(jù)，并按照國家和國際標(biāo)準(zhǔn)對夾雜物進(jìn)行評級(jí)^[3,5-6]。如果要讓鋼材質(zhì)量的評估結(jié)論更加可靠，還可以同時(shí)參考微結(jié)構(gòu)圖像和成分?jǐn)?shù)據(jù)。然而，元素/化學(xué)分析方法（如X射線能量色散譜（EDS））需要使用掃描電子顯微鏡（SEM），不僅耗時(shí)而且成本高昂^[7,8]。

大多數(shù)情況下，即使時(shí)間和預(yù)算有限，在基于夾雜物（圖1）的鋼材質(zhì)量評級(jí)中，精準(zhǔn)、可靠的數(shù)據(jù)對于快速、自信的決策至關(guān)重要。二合一解決方案可以在一臺(tái)儀器中生成精準(zhǔn)、可靠的視覺和化學(xué)分析結(jié)論[7,9]。對鋼材執(zhí)行NMI分析時(shí)，相比SEM/EDS，這種方法所需的樣本制備量更少，無需在系統(tǒng)間轉(zhuǎn)移樣本，而且可以在空氣條件下分析樣本，因此可以有效節(jié)省時(shí)間和成本。

本報(bào)告介紹了一種類似的解決方案，即徠卡顯微系統(tǒng)的DM6 M LIBS材料分析系統(tǒng)和鋼鐵專家軟件。它結(jié)合了光學(xué)顯微鏡（視覺分析）、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀 LIBS ^[1-2,8]（化學(xué)分析）和專用于鋼材評級(jí)NMI的軟件^[3]，包括與ASTM E45、ISO 4967、DIN 50602和GB/T 10561-2005等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)^[3,5-6]進(jìn)行對比。用于分析鋼材的二合一解決方案具備以下優(yōu)勢。

專用軟件可用于對鋼合金中不同類型的夾雜物進(jìn)行評級(jí)。通常通過灰度值/顏色、尺寸、形狀和幾何排列對夾雜物進(jìn)行評級(jí)，同時(shí)也可以確定成分。下方表1中列出了大多數(shù)夾雜物的屬性。軟件會(huì)根據(jù)不同夾雜物的含量和尺寸，為鋼材樣本生成一個(gè)質(zhì)量評級(jí)。圖2中顯示了一個(gè)使用鋼鐵專家軟件對夾雜物執(zhí)行的評級(jí)示例。

表1：鋼材中的常見非金屬夾雜物及其基本屬性概覽。

視覺分類完成后，一般還有其他分析環(huán)節(jié)。不同的夾雜物在顏色或灰度上可能非常接近，但成分卻存在較大差異。氧化物夾雜物一般為黑色或深灰色，可由鐵（Fe）、錳(Mn）、鋁（Al）[鋁酸鹽]、鈣（Ca）、鉻（Cr）、硅（Si）[硅酸鹽]和其他元素組成^[3,5-6]。

硫化物夾雜物呈淺灰色，由鐵（Fe）、錳（Mn）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等元素組成^[3,5-6]。

氮化物夾雜物可以有多種顏色，由鈦（Ti）、鋁（Al）、碳（C）、氧（O）等元素組成^[3,5-6]。例如，氮化鈦（TiN）夾雜物呈黃粉紅色，含有少量氧，但隨著氧的增加會(huì)變?yōu)辄S橙色^[3,10,11]。

氧和碳的含量增加后，氮化鈦夾雜物變成深藍(lán)色或黑色 ^[11]。成分?jǐn)?shù)據(jù)有助于理解鋼材生產(chǎn)過程的結(jié)果，以及確定最終的鋼材質(zhì)量。

獲取成分信息需要借助其他的分析技術(shù)，如制備更多樣本、儀器間的樣本轉(zhuǎn)移以及目標(biāo)區(qū)域的重新定位。因此，結(jié)果更為復(fù)雜，工作流程也更冗長。

使用徠卡顯微系統(tǒng)的二合一解決方案，可以同步執(zhí)行鋼材夾雜物的視覺分析和化學(xué)分析。使用LIBS可快速分析鋼材夾雜物的圖像及其成分，如圖3所示。

圖3介紹了如何結(jié)合視覺分析和化學(xué)分析，簡單、直接地分析NMI（顯微鏡和LIBS）的方法。圖3A展示了尺寸超過激光束尺寸的夾雜物。通過基礎(chǔ)分析可使用波譜數(shù)據(jù)庫直接揭示它的成分。在當(dāng)前示例中，鈣和鋁是主要的NMI成分。借助視覺檢驗(yàn)提供的信息，可確定夾雜物為鈣鋁氧化物。圖3B和3C中可看到細(xì)小的NMI，通過對比它們的LIBS波譜與鋼材基質(zhì)的波譜，可對其進(jìn)行分析。特性元素信號(hào)的差異顯示了NMI的化學(xué)成分。圖3B中看到的線狀?yuàn)A雜物主要為錳。 

圖3C中細(xì)小的橙色夾雜物包含鈦。