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널리 사용되는 스테인리스강과 그 가공품은 크롬 산화물로 구성된 부동태층 덕분에 주변 환경에서 부식에 강합니다. 강철의 부식 및 침식은 전통적으로 이러한 부동태층의 파괴와 관련되어 있지만, 표면 불균일성의 원인에 따라 미시적 수준에서의 부식 발생은 드물게 연구됩니다. 본 연구에서는 분광 현미경 및 화학량론적 분석을 통해 검출된 나노 규모의 표면 화학적 불균일성이 냉간 압연된 세륨 개질 초이중 스테인리스강 2507(SDSS)의 열간 변형 과정에서 발생하는 분해 및 부식에 예상치 못한 주요 요인으로 작용함을 밝혀냈습니다. X선 광전자 현미경 분석 결과 자연적인 Cr2O3 층이 비교적 균일하게 덮여 있는 것으로 나타났지만, 냉간 압연된 SDSS는 Fe/Cr 산화물 층 상에 Fe3+가 풍부한 나노섬이 국부적으로 분포되어 있어 부동태화 효과가 미흡했습니다. 이러한 원자 수준에서의 연구 결과는 스테인리스강 부식에 대한 심층적인 이해를 제공하며, 유사한 고합금 금속의 부식 방지에도 도움이 될 것으로 기대됩니다.
스테인리스강이 발명된 이후, 페로크롬 합금의 내식성은 대부분의 환경에서 부동태화 작용을 나타내는 강한 산화물/수산화산화물을 형성하는 크롬에 기인하는 것으로 알려져 왔습니다. 기존의 (오스테나이트계 및 페라이트계) 스테인리스강과 비교하여, 내식성이 우수한 슈퍼듀플렉스 스테인리스강(SDSS)은 우수한 기계적 특성을 지니고 있습니다.^1,2,3 기계적 강도가 향상됨에 따라 더욱 가볍고 소형화된 설계가 가능해졌습니다. 또한, 경제적인 SDSS는 공식 및 틈새 부식에 대한 저항성이 뛰어나 수명이 길고 오염 제어, 화학 물질 용기, 해양 석유 및 가스 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.⁴ 그러나 열처리 온도 범위가 좁고 성형성이 좋지 않아 실용화가 제한적입니다. 따라서 SDSS의 이러한 특성을 개선하기 위한 다양한 개량 연구가 진행되어 왔습니다. 예를 들어, 2507 SDSS(Ce-2507)에는 세륨(Ce) 개량 및 질소(N)의 고함량 첨가가 도입되었습니다.^6,7,8 적절한 농도인 0.08 wt.%의 희토류 원소(Ce)는 결정립 미세화 및 결정립계 강도 향상을 통해 DSS의 기계적 특성에 유익한 영향을 미칩니다. 내마모성 및 내식성, 인장 강도 및 항복 강도, 열간 가공성 또한 향상됩니다.9 다량의 질소는 고가의 니켈 함량을 대체할 수 있어 SDSS의 비용 효율성을 높입니다.10
최근 SDSS는 다양한 온도(저온, 냉간 및 고온)에서 소성 변형을 통해 우수한 기계적 특성을 얻는 데 성공했습니다.6,7,8 그러나 SDSS의 우수한 내식성은 표면에 형성된 얇은 산화막 덕분인데, 이 산화막은 다양한 결정립계를 가진 여러 상의 존재, 원치 않는 석출물, 다양한 반응 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 또한, 다양한 오스테나이트 및 페라이트 상의 불균일한 내부 미세구조가 변형됩니다.7 따라서 SDSS 부식을 이해하기 위해서는 이러한 산화막의 미세영역 특성을 전자 구조 수준에서 연구하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 복잡한 실험 기술이 필요합니다. 현재까지 오제 전자 분광법11 및 X선 광전자 분광법12,13,14,15과 같은 표면 민감 분석법과 경질 X선 광전자 분광 시스템은 나노 규모에서 공간적으로 다른 지점에 있는 동일 원소의 화학적 상태를 구별할 수 있지만, 종종 분리하는 데에는 한계가 있습니다. 최근 몇몇 연구에서 크롬의 국부 산화가 오스테나이트계 스테인리스강(17), 마르텐사이트계 스테인리스강(18), 그리고 SDSS(19, 20)에서 관찰되는 부식 거동과 관련이 있음을 밝혀냈습니다. 그러나 이러한 연구들은 주로 크롬의 불균일성(예: Cr3+ 산화 상태)이 내식성에 미치는 영향에 초점을 맞추었습니다. 원소의 산화 상태에서 나타나는 측면 불균일성은 산화철과 같이 동일한 구성 원소를 가진 다양한 화합물에 의해 발생할 수 있습니다. 이러한 화합물들은 열기계적 가공을 통해 서로 매우 가깝게 작은 크기를 가지지만, 조성과 산화 상태는 다릅니다(16, 21). 따라서 산화막 파괴와 그에 따른 피팅 현상을 규명하기 위해서는 미시적 수준에서의 표면 불균일성에 대한 이해가 필수적입니다. 이러한 요구에도 불구하고, 특히 나노/원자 규모에서 철의 측면 산화 불균일성과 같은 정량적 평가는 아직 부족하며, 내식성에 미치는 영향 또한 제대로 연구되지 않았습니다. 최근까지 Fe와 Ca와 같은 다양한 원소의 화학적 상태는 나노 규모의 싱크로트론 방사선 시설에서 연 X선 광전자 현미경(X-PEEM)을 사용하여 강철 시료에서 정량적으로 분석되었습니다. 화학적으로 민감한 X선 흡수 분광법(XAS) 기술과 결합된 X-PEEM은 높은 공간 및 분광 해상도로 XAS 측정을 가능하게 하여 나노미터 규모까지의 공간 해상도로 원소 조성 및 화학적 상태에 대한 화학 정보를 제공합니다.23 현미경을 이용한 개시 부위의 이러한 분광학적 관찰은 국소적인 화학 실험을 용이하게 하고 Fe 층에서 이전에는 탐구되지 않았던 화학적 변화를 공간적으로 보여줄 수 있습니다.
본 연구는 나노스케일에서 화학적 차이를 감지하는 데 있어 PEEM의 장점을 확장하고, Ce-2507의 부식 거동을 이해하기 위한 통찰력 있는 원자 수준 표면 분석 방법을 제시합니다. K-평균 클러스터링 기법을 사용하여 관련된 원소들의 전체적인 화학적 조성(이질성)을 매핑하고, 그 화학적 상태를 통계적으로 표현했습니다. 크롬 산화막 파괴로 인한 기존 부식과는 달리, 본 연구에서는 불량한 부동태화 및 낮은 내식성이 Fe/Cr 산화층 근처에 국부적으로 존재하는 Fe3+가 풍부한 나노섬 때문인 것으로 분석되었으며, 이는 보호 산화물의 결과일 수 있습니다. 산화막 파괴 부위에는 부식을 유발하는 막이 형성됩니다.
변형된 SDSS 2507의 부식 거동은 먼저 전기화학적 측정을 통해 평가되었습니다. 그림 1은 상온에서 산성(pH = 1) FeCl₃ 수용액에 담근 일부 시료에 대한 나이퀴스트 곡선과 보드 곡선을 보여줍니다. 선택된 전해질은 강력한 산화제로 작용하여 부동태 피막의 파괴 경향을 나타냅니다. 이 재료는 상온에서 안정적인 피팅 현상을 보이지는 않았지만, 이러한 분석을 통해 잠재적인 파손 현상과 부식 후 과정에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 등가 회로(그림 1d)를 사용하여 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 스펙트럼을 피팅했으며, 해당 피팅 결과는 표 1에 나타나 있습니다. 용액 처리 및 열간 가공된 시료를 테스트했을 때는 불완전한 반원이 나타났고, 냉간 압연된 시료에서는 압축된 반원이 나타났습니다(그림 1b). EIS 스펙트럼에서 반원의 반지름은 분극 저항(Rp)으로 간주할 수 있습니다.²⁵,²⁶ 표 1의 용액 처리된 SDSS의 Rp는 약 135 kΩ cm⁻²이지만, 열간 가공 및 냉간 압연된 SDSS의 경우 각각 34.7 및 2.1 kΩ cm⁻²로 훨씬 낮은 값을 나타냅니다. Rp의 이러한 현저한 감소는 이전 보고서 27, 28, 29, 30에서 나타난 바와 같이 소성 변형이 부동태화 및 부식 저항성에 악영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
a) 나이퀴스트, b, c) 보드 임피던스 및 위상 다이어그램, d)에 대한 등가 회로 모델. 여기서 RS는 전해질 저항, Rp는 분극 저항, QCPE는 비이상적인 정전 용량(n)을 모델링하는 데 사용된 정위상 요소 산화물이다. EIS 측정은 무부하 전위에서 수행되었다.
보드 선도에는 1차 상수가 표시되어 있으며, 고주파수 평탄 영역은 전해질 저항 RS26을 나타냅니다. 주파수가 감소함에 따라 임피던스가 증가하고 음의 위상각이 나타나는데, 이는 정전 용량이 지배적임을 나타냅니다. 위상각은 비교적 넓은 주파수 범위에서 최대값을 유지하며 증가하다가 감소합니다(그림 1c). 그러나 세 경우 모두 최대값이 90° 미만이므로 정전 용량 분산으로 인한 비이상적인 정전 용량 특성을 나타냅니다. 따라서 QCPE(정상 위상 요소)는 표면 거칠기 또는 불균일성, 특히 원자 규모, 프랙탈 기하학, 전극 다공성, 불균일한 전위 및 표면 의존적 전류 분포 측면에서 파생된 계면 정전 용량 분포를 나타내는 데 사용됩니다. 전극 기하학31,32. CPE 임피던스:
여기서 j는 허수이고 ω는 각주파수입니다. QCPE는 전해질의 활성 개방 면적에 비례하는 주파수 독립적인 상수입니다. n은 커패시터의 이상적인 용량성 거동에서 벗어난 정도를 나타내는 무차원 지수입니다. 즉, n이 1에 가까울수록 CPE는 순수 용량성에 가깝고, n이 0에 가까우면 저항에 가깝습니다. n이 1에 가까운 작은 편차는 분극 시험 후 표면의 비이상적인 용량성 거동을 나타냅니다. 냉간 압연 SDSS의 QCPE는 유사 제품보다 훨씬 높으며, 이는 표면 품질이 균일하지 않다는 것을 의미합니다.
대부분의 스테인리스강의 내식성 특성과 마찬가지로, SDSS의 비교적 높은 Cr 함량은 표면에 형성된 수동적 보호 산화막으로 인해 우수한 내식성을 나타냅니다.17 이 부동태화막은 주로 Fe2+, Fe3+ 산화물 및/또는 (옥시)수산화물을 포함하는 Cr3+ 산화물 및/또는 수산화물이 풍부합니다.33 현미경 이미지에서 확인된 바와 같이 표면의 균일성, 부동태화 산화층, 그리고 표면에 눈에 띄는 균열이 없음에도 불구하고,6,7 열간 가공 및 냉간 압연 SDSS의 부식 거동은 다르므로, 강재의 변형 미세구조 및 구조적 특성에 대한 심층적인 연구가 필요합니다.
변형된 스테인리스강의 미세구조는 내부 X선 및 싱크로트론 고에너지 X선을 이용하여 정량적으로 분석하였다(보충 그림 1, 2). 자세한 분석은 보충 자료에 제시되어 있다. 주상의 종류는 대부분 일치하지만, 상의 부피 분율에는 차이가 있었으며, 이는 보충 표 1에 나타나 있다. 이러한 차이는 표면의 불균일한 상 분율과 다양한 에너지의 입사광자를 사용하는 X선 회절 분석에서 검출 깊이에 따른 부피 분율(XRD) 차이 때문일 수 있다. 실험실에서 얻은 XRD 데이터를 이용하여 냉간 압연 시편의 오스테나이트 비율이 상대적으로 높게 나타난 것은 더 나은 부동태화와 그에 따른 우수한 내식성을 시사하는 반면, 보다 정확하고 통계적인 분석 결과는 상 분율에서 반대 경향을 보인다. 또한, 강철의 내식성은 열기계적 처리 과정에서 발생하는 결정립 미세화, 결정립 크기 감소, 미세 변형 증가 및 전위 밀도에도 영향을 받는다. 열간 가공된 시편은 미크론 크기의 입자를 나타내는 더욱 거친 형태를 보이는 반면, 냉간 압연된 시편에서 관찰되는 매끄러운 고리 모양(보충 그림 3)은 이전 연구6에서 밝혀진 바와 같이 나노 스케일로의 상당한 입자 미세화를 나타내며, 이는 피막 부동화 형성과 내식성 증가에 기여할 것으로 예상됩니다. 일반적으로 높은 전위 밀도는 피팅 저항성 저하와 관련이 있으며, 이는 전기화학적 측정 결과와도 잘 일치합니다.
X-PEEM을 이용하여 원소 미세영역의 화학적 상태 변화를 체계적으로 연구하였다. 다양한 합금 원소 중에서도 Cr, Fe, Ni, Ce39를 선택하였다. Cr은 부동태 피막 형성에 핵심적인 원소이고, Fe는 강철의 주요 구성 원소이며, Ni는 부동태화를 강화하고 페라이트-오스테나이트 상 구조의 균형을 맞추는 역할을 하며, Ce는 상변화를 유도하는 역할을 한다. 싱크로트론 방사선의 에너지를 조절하여 Cr(L2.3 에지), Fe(L2.3 에지), Ni(L2.3 에지), Ce(M4.5 에지)의 주요 특징을 갖는 RAS를 표면에서 코팅하였다. 열간 성형 및 냉간 압연된 Ce-2507 SDSS를 사용하였다. 에너지 보정을 통해 기존에 발표된 데이터(예: Fe L2, 3 에지에 대한 XAS40, 41)를 적용하여 적절한 데이터 분석을 수행하였다.
그림 2는 열간 가공(그림 2a) 및 냉간 압연(그림 2d)된 Ce-2507 SDSS의 X-PEEM 이미지와 각각 표시된 위치에서 Cr 및 Fe의 L2,3 XAS 에지를 보여줍니다. XAS의 L2,3 에지는 스핀-궤도 분리 레벨 2p3/2(L3 에지) 및 2p1/2(L2 에지)에서 전자 광여기 후 비점유 3d 상태를 탐지합니다. Cr의 원자가 상태에 대한 정보는 그림 2b, e의 L2,3 에지에서 얻은 XAS로부터 얻었습니다. 42,43의 연구 결과와 비교했을 때, L3 에지 근처에서 A(578.3 eV), B(579.5 eV), C(580.4 eV) 및 D(582.2 eV)라는 네 개의 피크가 관찰되었으며, 이는 Cr2O3 이온에 해당하는 팔면체 Cr3+를 반영합니다. 실험 스펙트럼은 패널 b와 e에 나타낸 이론적 계산 결과와 일치하며, 이 계산 결과는 2.0 eV⁴⁴의 결정장을 사용하여 Cr L₂.₃ 계면에서 결정장을 여러 번 계산하여 얻은 것입니다. 열간 가공 및 냉간 압연된 SDSS의 두 표면 모두 비교적 균일한 Cr₂O₃ 층으로 코팅되어 있습니다.
(a) 열 변형된 SDSS의 X-PEEM 열화상 이미지(b는 Cr L2.3 에지, c는 Fe L2.3 에지), (d) 냉간 압연된 SDSS의 X-PEEM 열화상 이미지(e는 Cr L2.3 에지, f는 Fe L2.3 에지 측면). XAS 스펙트럼은 열화상 이미지(a, d)에 표시된 서로 다른 공간 위치에 플롯되었으며, (b)와 (e)의 주황색 점선은 결정장 값이 2.0 eV인 Cr3+의 시뮬레이션된 XAS 스펙트럼을 나타냅니다. X-PEEM 이미지의 가독성을 높이기 위해 열 팔레트를 사용했으며, 파란색에서 빨간색까지의 색상은 X선 흡수 강도(낮음에서 높음)에 비례합니다.
이러한 금속 원소들의 화학적 환경과 관계없이, 두 시료 모두에서 Ni 및 Ce 합금 원소의 첨가물의 화학적 상태는 변하지 않았습니다. 추가 도면. 그림 5-9는 열간 가공 및 냉간 압연 시편 표면의 다양한 위치에서 Ni 및 Ce의 X-PEEM 이미지와 해당 XAS 스펙트럼을 보여줍니다. Ni XAS는 열간 가공 및 냉간 압연 시편의 측정된 전체 표면에 걸쳐 Ni2+의 산화 상태를 나타냅니다(보충 설명 참조). 열간 가공 시료의 경우 Ce의 XAS 신호가 관찰되지 않았지만, 냉간 압연 시료의 경우 Ce3+ 스펙트럼이 관찰되었습니다. 냉간 압연 시료에서 Ce 반점이 관찰된 것은 Ce가 주로 석출물 형태로 존재함을 보여줍니다.
열변형된 SDSS에서는 Fe L2,3 에지에서 XAS의 국부적인 구조 변화가 관찰되지 않았습니다(그림 2c). 그러나 냉간압연된 SDSS의 경우, 그림 2f에서 볼 수 있듯이 무작위로 선택된 7개 지점에서 Fe 기지의 화학적 상태가 미세하게 변화했습니다. 또한, 그림 2f에서 선택된 위치에서의 Fe 상태 변화를 정확하게 파악하기 위해 더 작은 원형 영역을 선택하여 국부 표면 연구를 수행했습니다(그림 3 및 보충 그림 10). α-Fe2O3 시스템과 Fe2+ 팔면체 산화물의 Fe L2,3 에지 XAS 스펙트럼은 1.0(Fe2+) 및 1.0(Fe3+)44의 결정장을 사용한 다중 결정장 계산을 통해 모델링되었습니다. 우리는 α-Fe2O3와 γ-Fe2O3가 서로 다른 국소 대칭성을 가지고 있다는 점45,46, Fe3O4는 Fe2+와 Fe3+의 조합을 가지고 있다는 점47, 그리고 FeO45는 형식적으로 2가 Fe2+ 산화물(3d6)이라는 점을 주목합니다. 우리는 α-Fe2O3와 γ-Fe2O3가 서로 다른 국소 대칭성을 가지고 있다는 점45,46, Fe3O4는 Fe2+와 Fe3+의 조합을 가지고 있다는 점47, 그리고 FeO45는 형식적으로 2가 Fe2+ 산화물(3d6)이라는 점을 주목합니다.α-Fe2O3와 γ-Fe2O3는 서로 다른 국소 대칭성을 갖고 있다는 점에 유의하십시오.45,46 Fe3O4는 Fe2+와 Fe3+를 모두 결합하고,47 FeO45는 형식적으로 이가 산화물 Fe2+(3d6)의 형태를 갖습니다.α-Fe2O3와 γ-Fe2O3는 서로 다른 국소 대칭성을 가지며45,46, Fe3O4는 Fe2+와 Fe3+의 조합을 포함하고47, FeO45는 형식적으로 2가 Fe2+ 산화물(3d6)로 작용합니다. α-Fe2O3의 모든 Fe3+ 이온은 Oh 위치에만 존재하지만, γ-Fe2O3는 일반적으로 eg 위치에 공극이 있는 Fe3+ t2g [Fe3+5/3V1/3]eg O4 스피넬로 표현됩니다. 따라서 γ-Fe2O3의 Fe3+ 이온은 Td 위치와 Oh 위치를 모두 가집니다. 이전 논문45에서 언급했듯이, 두 피크의 강도 비율은 다르지만 eg/t2g 강도 비율은 ≈1입니다. 이 경우 관찰된 eg/t2g 강도 비율도 약 1입니다. 이는 현재 상황에서 Fe3+만 존재한다는 가능성을 배제합니다. Fe2+와 Fe3+가 모두 존재하는 Fe3O4의 경우를 고려할 때, Fe에 대해 더 약한(더 강한) L3 에지를 갖는 것으로 알려진 첫 번째 특징은 비점유 t2g 상태의 수가 더 적음(더 많음)을 나타냅니다. 이는 Fe2+(Fe3+)에 적용되며, 증가 추세의 첫 번째 특징은 Fe2+ 함량의 증가를 나타냅니다.47 이러한 결과는 복합재료의 냉간 압연 표면에서 Fe2+와 γ-Fe2O3, α-Fe2O3 및/또는 Fe3O4의 공존이 지배적임을 보여줍니다.
그림 2d의 선택된 영역 2와 E 내의 다양한 공간 위치에서 Fe L2,3 에지를 가로지르는 XAS 스펙트럼의 확대된 광전자 열화상 이미지(a, c) 및 (b, d).
얻어진 실험 데이터(그림 4a 및 보충 그림 11)를 플롯하고 순수 화합물 40, 41, 48의 데이터와 비교했습니다. 실험적으로 관찰된 Fe L-edge XAS 스펙트럼은 세 가지 유형(XAS-1, XAS-2 및 XAS-3: 그림 4a)이 있습니다. 특히, 그림 3b의 스펙트럼 2-a(XAS-1)와 그 뒤를 이은 스펙트럼 2-b(XAS-2)는 전체 검출 영역에서 관찰된 반면, 그림 3d(XAS-3)에서 관찰된 E-3과 같은 스펙트럼은 특정 위치에서 관찰되었습니다. 일반적으로 연구 대상 시료의 원자가 상태를 식별하기 위해 다음 네 가지 매개변수를 사용했습니다. (1) 스펙트럼 특성 L3 및 L2, (2) 특성 L3 및 L2의 에너지 위치, (3) L3-L2 에너지 차이, (4) L2/L3 강도 비율. 육안 관찰 결과(그림 4a)에 따르면, 연구 대상인 SDSS 표면에는 Fe0, Fe2+, Fe3+의 세 가지 Fe 성분이 모두 존재합니다. 계산된 강도 비율 L2/L3 또한 세 가지 성분이 모두 존재함을 나타냅니다.
a. 세 가지 다른 실험 데이터(실선 XAS-1, XAS-2 및 XAS-3은 그림 2 및 3의 2-a, 2-b 및 E-3에 해당)를 사용하여 시뮬레이션한 Fe의 XAS 스펙트럼 비교. 결정장 값이 각각 1.0 eV 및 1.5 eV인 Fe2+ 및 Fe3+ 팔면체에 대해 bd로 측정한 실험 데이터(XAS-1, XAS-2, XAS-3)와 해당 최적화된 LCF 데이터(검은색 실선)를 비교하고, 또한 Fe3O4(혼합 Fe 상태) 및 Fe2O3(순수 Fe3+) 표준을 사용한 XAS-3 스펙트럼도 함께 나타낸다.
세 가지 표준물질 40, 41, 48에 대한 선형 조합 적합(LCF)을 사용하여 산화철 조성을 정량화했습니다. LCF는 가장 높은 대비를 보이는 세 가지 Fe L-edge XAS 스펙트럼(XAS-1, XAS-2, XAS-3)에 대해 수행되었으며, 이는 그림 4b~d에 나타나 있습니다. LCF 적합 시 모든 데이터에서 작은 단차가 관찰되었고, 또한 금속철이 강철의 주성분이라는 점을 고려하여 모든 경우에 10% Fe0를 포함시켰습니다. 실제로 Fe에 대한 X-PEEM의 탐지 깊이(~6 nm)49는 추정 산화층 두께(약 4 nm 초과)보다 크기 때문에 패시베이션 층 아래의 철 매트릭스(Fe0)에서 신호를 감지할 수 있습니다. 실제로 Fe에 대한 X-PEEM의 탐지 깊이(~6 nm)49는 추정 산화층 두께(약 4 nm 초과)보다 크기 때문에 패시베이션 층 아래의 철 매트릭스(Fe0)에서 신호를 감지할 수 있습니다. Действительно, пробная глубина X-PEEM для Fe (~ 6nm)49 больше, чем предполагаемая толчина слоя окисления (немного > 4nm), что позволяет обнаружить сигнал от железной matrицы (Fe0) под пассивирувим слоем. 실제로 Fe에 대한 프로브 X-PEEM 깊이(~6 nm)49는 산화층의 예상 두께(약 >4 nm)보다 크기 때문에 패시베이션층 아래의 철 매트릭스(Fe0)에서 신호를 감지할 수 있습니다.실제로 X-PEEM은 Fe(~6 nm) 49nm의 진동 속도를 가지며, 4 nm의 진동 속도를 가지며 자동으로 철화되는 방식입니다.실제 , X-PEEM 对 Fe (~ 6 nm) 49 의 마모도 大于 의 진동률 율 略略> 4 nm) 允许 检测 来自 钝化层 下方 铁基体（fe0) ​​的。Фактически, глубина обнаружения Fe (~ 6 nm) 49 с помочески X-PEEM bolьше, чем предполагаемая толчина оксидного слоя (немного > 4 nm), что позволяет обнаруживать сигнал от железной MATрицы (Fe0) ниже пассивирушего слоя. 실제로 X-PEEM에 의한 Fe(~6 nm) 49의 검출 깊이는 예상되는 산화층 두께(약 4 nm 초과)보다 크므로 패시베이션 층 아래의 철 매트릭스(Fe0)에서 나오는 신호를 검출할 수 있습니다. .관찰된 실험 데이터에 대한 최적의 해를 찾기 위해 Fe2+와 Fe3+의 다양한 조합을 시도했습니다. 그림 4b는 Fe2+와 Fe3+의 조합에 대한 XAS-1 스펙트럼을 보여주는데, Fe2+와 Fe3+의 비율이 약 45%로 유사하여 Fe의 산화 상태가 혼합되어 있음을 나타냅니다. XAS-2 스펙트럼에서는 Fe2+와 Fe3+의 비율이 각각 약 30%와 60%로 나타나 Fe2+의 양이 Fe3+보다 적습니다. Fe2+와 Fe3+의 비율이 1:2인 경우, 동일한 Fe 이온 비율에서 Fe3O4가 형성될 수 있음을 의미합니다. 또한, XAS-3 스펙트럼에서는 Fe2+와 Fe3+의 비율이 각각 약 10%와 80%로 나타나 Fe2+가 Fe3+로 더 많이 전환되었음을 보여줍니다. 앞서 언급했듯이 Fe3+는 α-Fe2O3, γ-Fe2O3 또는 Fe3O4에서 유래할 수 있습니다. Fe3+의 가장 유력한 공급원을 이해하기 위해 그림 4e에서 XAS-3 스펙트럼을 다양한 Fe3+ 표준과 함께 플롯했습니다. B 피크를 고려할 때 두 표준과 유사함을 보여줍니다. 그러나 어깨 피크(A: Fe2+에서 유래)의 강도와 B/A 강도 비율은 XAS-3 스펙트럼이 γ-Fe2O3 스펙트럼과 유사하지만 완전히 일치하지는 않음을 나타냅니다. 벌크 γ-Fe2O3와 비교했을 때, A SDSS의 Fe 2p XAS 피크는 약간 더 높은 강도를 보이며(그림 4e), 이는 Fe2+의 강도가 더 높다는 것을 의미합니다. XAS-3 스펙트럼은 Fe3+가 Oh 및 Td 위치에 존재하는 γ-Fe2O3의 스펙트럼과 유사하지만, L2,3 에지 또는 L2/L3 강도 비율만을 따라 다양한 원자가 상태와 배위를 식별하는 것은 여전히 ​​어려운 문제입니다. 이는 최종 스펙트럼에 영향을 미치는 다양한 요인의 복잡성으로 인해 지속적인 논의 주제입니다.41
앞서 설명한 관심 영역의 화학적 상태에 대한 스펙트럼 차이 외에도, 주요 원소인 Cr과 Fe의 전반적인 화학적 불균일성을 평가하기 위해 K-평균 클러스터링 방법을 사용하여 시료 표면에서 얻은 모든 XAS 스펙트럼을 분류했습니다. Cr L 에지 프로파일은 그림 5에 나타낸 바와 같이 열간 가공 및 냉간 압연 시편에 공간적으로 분포된 두 개의 최적 클러스터를 형성하도록 설정되었습니다. XAS Cr 스펙트럼의 두 중심점이 유사하기 때문에 국부적인 구조적 변화가 유사하게 나타나지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 이 두 클러스터의 스펙트럼 형태는 Cr2O342에 해당하는 형태와 거의 동일하며, 이는 Cr2O3 층이 SDSS 표면에 비교적 균일하게 분포되어 있음을 의미합니다.
Cr L2.3 K-평균 클러스터의 경계 영역과 b에 해당하는 XAS 중심점. 냉간 압연 SDSS의 K-평균 X-PEEM 비교 결과: c는 K-평균 클러스터의 Cr L2.3 경계 영역이고 d는 해당 XAS 중심점이다.
보다 복잡한 FeL 에지 맵을 나타내기 위해 열간 가공 시편과 냉간 압연 시편에 대해 각각 4개와 5개의 최적화된 클러스터와 그에 따른 중심점(스펙트럼 프로파일)을 사용했습니다. 따라서 그림 4에 나타낸 LCF를 피팅하여 Fe2+와 Fe3+의 비율(%)을 구할 수 있습니다. 표면 산화막의 미세화학적 불균일성을 나타내기 위해 Fe0의 함수로서의 유사전극 전위 Epseudo를 사용했습니다. Epseudo는 혼합 법칙을 이용하여 대략적으로 추정할 수 있습니다.
여기서 \(\rm{E}_{\rm{Fe}/\rm{Fe}^{2 + (3 + )}}\)는 \(\rm{Fe} + 2e^ – \ to \rm { Fe}^{2 + (3 + )}\)와 같으며, 각각 0.440V와 0.036V입니다. 전위가 낮은 영역은 Fe3+ 화합물의 함량이 더 높습니다. 열 변형된 시료의 전위 분포는 최대 약 0.119V의 변화를 보이는 층상 구조를 나타냅니다(그림 6a, b). 이러한 전위 분포는 표면 지형과 밀접한 관련이 있습니다(그림 6a). 하부 층상 내부에서는 위치에 따른 다른 변화는 관찰되지 않았습니다(그림 6b). 반면에, 냉간 압연된 SDSS에서 Fe2+와 Fe3+ 함량이 다른 이종 산화물의 접합부에서는 유사 전위의 불균일한 특성을 관찰할 수 있습니다(그림 6c, d). Fe3+ 산화물 및/또는 (옥시)수산화물은 강철 녹의 주요 구성 성분이며 산소와 물에 투과성이 있습니다.50 이 경우 Fe3+가 풍부한 영역은 국부적으로 분포되어 있으며 부식된 영역으로 간주될 수 있습니다. 동시에 전위의 절대값보다는 전위장의 기울기를 활성 부식 부위의 국소화를 나타내는 지표로 사용할 수 있습니다. 냉간 압연 SDSS 표면에서 Fe2+ 및 Fe3+의 이러한 불균일한 분포는 국부적인 화학적 성질을 변화시키고 산화막 파괴 및 부식 반응에서 더 넓은 활성 표면적을 제공하여 하부 금속 매트릭스의 지속적인 부식을 유발하고 내부 부식을 초래합니다. 이는 특성의 불균일성과 부동태층의 보호 특성 저하로 이어집니다.
냉간 압연 SDSS의 열간 변형 X-PEEM ac 및 df 이미지에서 Fe L2.3 경계 영역의 K-평균 클러스터와 해당 XAS 중심점을 나타낸다. a, d는 X-PEEM 이미지 위에 중첩된 K-평균 클러스터 플롯이다. 계산된 유사 전극 전위(Epseudo)는 K-평균 클러스터 플롯과 함께 표시된다. 그림 2의 색상과 같이 X-PEEM 이미지의 밝기는 X선 흡수 강도에 비례한다.
크롬은 비교적 균일하지만 철의 화학적 상태가 다르기 때문에 열간 가공 및 냉간 압연된 Ce-2507에서 산화막 손상 및 부식 패턴이 다르게 나타납니다. 냉간 압연된 Ce-2507의 이러한 특성은 이미 잘 연구되어 있습니다. 거의 중성인 이 작업 환경에서 대기 중 철 산화물 및 수산화물의 생성과 관련된 반응은 다음과 같습니다.
위의 반응은 X-PEEM 분석을 기반으로 다음 시나리오에서 발생합니다. Fe0에 해당하는 작은 어깨 피크는 기저 금속 철과 관련이 있습니다. 금속 Fe가 환경과 반응하면 Fe(OH)2 층이 형성되고(식 (5)), 이는 Fe L-edge XAS에서 Fe2+ 신호를 증가시킵니다. 공기에 장시간 노출되면 Fe(OH)252,53 이후 Fe3O4 및/또는 Fe2O3 산화물이 형성될 수 있습니다. Fe의 두 가지 안정한 형태인 Fe3O4와 Fe2O3는 Cr3+가 풍부한 보호층에서도 형성될 수 있으며, 이 중 Fe3O4는 균일하고 점착성 있는 구조를 선호합니다. 두 가지 형태가 모두 존재하면 혼합 산화 상태가 나타납니다(XAS-1 스펙트럼). XAS-2 스펙트럼은 주로 Fe3O4에 해당합니다. 여러 곳에서 XAS-3 스펙트럼이 관찰된 것은 γ-Fe2O3로 완전히 전환되었음을 나타냅니다. 펼쳐진 X선의 침투 깊이가 약 50nm이기 때문에, 아래쪽 층에서 오는 신호로 인해 A 피크의 강도가 더 높아집니다.
XPA 스펙트럼은 산화막 내 Fe 성분이 Cr 산화물 층과 결합된 층상 구조를 가지고 있음을 보여줍니다. 부식 과정에서 Cr2O3의 국부적인 불균일성으로 인한 부동태화 현상과는 대조적으로, 본 연구에서는 Cr2O3 층이 균일함에도 불구하고, 특히 냉간 압연 시편에서 낮은 내식성이 관찰되었습니다. 이러한 현상은 상부층(Fe)의 화학적 산화 상태의 불균일성으로 인해 부식 성능에 영향을 미치는 것으로 이해할 수 있습니다. 상부층(산화철)과 하부층(산화크롬)의 화학양론적 조성이 동일하면^52,53 두 층 사이의 상호작용(접착력)이 향상되어 격자 내 금속 또는 산소 이온의 이동 속도가 느려지고, 결과적으로 내식성이 향상됩니다. 따라서 급격한 화학양론적 변화보다는 연속적인 화학양론적 비율, 즉 Fe의 단일 산화 상태가 바람직합니다. 열변형된 SDSS는 더욱 균일한 표면, 더욱 치밀한 보호층, 그리고 우수한 내식성을 나타냅니다. 냉간압연 SDSS의 경우, 보호층 아래에 ​​Fe3+가 풍부한 섬들이 존재하여 표면의 건전성을 손상시키고 인접한 기판과의 갈바닉 부식을 유발하여 Rp 값이 급격히 감소합니다(표 1). EIS 스펙트럼과 내식성 또한 저하됩니다. 소성 변형으로 인한 Fe3+가 풍부한 섬들의 국부적인 분포가 내식성에 주로 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 본 연구의 중요한 발견입니다. 따라서 본 연구는 소성 변형 방법을 통해 연구된 SDSS 시료의 내식성 저하에 대한 분광학적 미세 이미지를 제시합니다.
또한, 2상강에 희토류 원소를 첨가하면 성능이 향상되지만, 분광 현미경 데이터에 따르면 이 첨가 원소가 개별 강재 매트릭스와 부식 거동 측면에서 어떻게 상호작용하는지는 여전히 불분명합니다. 냉간 압연 과정에서 Ce 신호(XAS M-edge를 통해)가 몇몇 곳에서만 나타나고, SDSS의 열간 변형 중에는 사라지는 것은 균일한 합금이 아니라 강재 매트릭스 내에 Ce가 국부적으로 석출되었음을 나타냅니다. 희토류 원소는 SDSS의 기계적 특성을 크게 향상시키지는 않지만6,7 개재물의 크기를 줄여 초기 부식 영역에서 피팅을 억제하는 것으로 알려져 있습니다54.
결론적으로, 본 연구는 나노 규모 성분의 화학적 조성을 정량화함으로써 세륨으로 개질된 2507 SDSS의 부식에 미치는 표면 이질성의 영향을 규명했습니다. K-평균 클러스터링을 이용한 신호 처리 및 미세구조, 표면 화학을 정량화하여 스테인리스강이 보호 산화막 아래에서도 부식되는 이유를 규명했습니다. Fe2+/Fe3+ 혼합 구조 전체에 걸쳐 팔면체 및 사면체 배위를 갖는 Fe3+가 풍부한 나노섬들이 냉간 압연 산화막 SDSS의 손상 및 부식의 원인임을 확인했습니다. Fe3+가 지배적인 나노섬들은 충분한 화학양론적 Cr2O3 부동태층이 존재하더라도 부식 저항성을 저하시킵니다. 나노 규모 화학적 이질성이 부식에 미치는 영향을 규명하는 방법론적 진전 외에도, 본 연구는 제강 공정에서 스테인리스강의 부식 저항성을 향상시키는 엔지니어링 공정에 대한 영감을 제공할 것으로 기대됩니다.
본 연구에 사용된 Ce-2507 SDSS 잉곳은 Fe-Ce 모합금을 포함하는 혼합 조성물을 순철 튜브로 밀봉한 후 150kg 용량의 중주파 유도 용광로에서 용융시켜 용강을 제조하고 주형에 부어 성형함으로써 제조되었습니다. 측정된 화학 조성(중량%)은 부록 표 2에 제시되어 있습니다. 잉곳은 먼저 열간 단조를 통해 블록 형태로 만든 후, 1050°C에서 60분간 어닐링하여 고용체 상태의 강을 얻고, 이어서 물에 담가 상온으로 냉각시켰습니다. 연구 대상 시료는 투과전자현미경(TEM)과 실험설계법(DOE)을 이용하여 상, 결정립 크기 및 형태를 자세히 분석했습니다. 시료 및 제조 공정에 대한 더 자세한 정보는 참고문헌6,7에서 확인할 수 있습니다.
고온 압축용 원통형 시편(φ10 mm×15 mm)은 원통 축이 블록의 변형 방향과 평행하도록 가공되었습니다. 고온 압축은 Gleeble-3800 열 시뮬레이터를 사용하여 1000~1150°C 범위의 다양한 온도에서 0.01~10 s⁻¹ 범위의 일정한 변형률 속도로 수행되었습니다. 변형 전, 시편은 온도 구배를 제거하기 위해 선택된 온도에서 10°C s⁻¹의 속도로 2분 동안 가열되었습니다. 온도 균일화가 이루어진 후, 시편은 0.7의 진변형률 값까지 변형되었습니다. 변형 후, 변형된 구조를 보존하기 위해 시편은 즉시 물에 담금질되었습니다. 경화된 시편은 압축 방향과 평행하게 절단되었습니다. 본 연구에서는 1050°C, 10 s⁻¹의 고온 변형 조건의 시편을 선택했는데, 이는 관찰된 미세경도가 다른 시편들보다 높았기 때문입니다.
Ce-2507 고용체의 대형(80 × 10 × 17 mm3) 시료를 LG-300 삼상 비동기 2롤 밀에 사용하여 다른 모든 변형 수준6에 비해 우수한 기계적 특성을 얻었습니다. 각 경로의 변형률과 두께 감소율은 각각 0.2 m·s-1 및 5%입니다.
Autolab PGSTAT128N 전기화학 워크스테이션을 사용하여 SDSS의 전기화학적 측정을 수행했습니다. SDSS는 냉간 압연으로 두께를 90% 감소(1.0 등가 진변형률)시킨 후, 1050°C에서 10초 동안 열간 압착하여 진변형률 0.7로 만들었습니다. 이 워크스테이션은 포화 칼로멜 전극을 기준 전극으로, 흑연 상대 전극을, SDSS 시료를 작업 전극으로 사용하는 3전극 셀을 갖추고 있습니다. 시료는 직경 11.3mm의 원통형으로 절단하고, 양쪽 측면에 구리선을 납땜했습니다. 그런 다음 에폭시로 시료를 고정하고, 작업 전극으로 사용할 1cm²의 개방 면적(원통형 시료의 바닥면)을 남겨두었습니다. 에폭시 경화 및 후속 연마·광택 작업 시 균열이 발생하지 않도록 주의해야 합니다. 작업면은 입자 크기가 1μm인 다이아몬드 연마 현탁액으로 연마하고, 증류수와 에탄올로 세척한 후 찬 공기에서 건조했습니다. 전기화학적 측정 전에 연마된 시편을 며칠 동안 공기에 노출시켜 자연 산화막을 형성했습니다. ASTM 권장 사항에 따라 HCl로 pH 1.0 ± 0.01로 안정화된 FeCl₃(6.0 wt%) 수용액을 사용하여 스테인리스강의 부식을 가속시켰습니다. 이는 염화 이온이 존재하고 산화력이 강하며 pH가 낮은 환경에서 부식성이 있기 때문입니다(환경 기준 G48 및 A923). 측정 전에 시편을 시험 용액에 1시간 동안 담가 거의 평형 상태에 도달하도록 했습니다. 고용체, 열간 성형 및 냉간 압연 시편에 대해 각각 0.39V, 0.33V 및 0.25V의 개방 회로 전위(OPC)에서 110⁵~0.1Hz의 주파수 범위와 5mV의 진폭으로 임피던스 측정을 수행했습니다. 모든 화학적 시험은 데이터의 재현성을 확보하기 위해 동일한 조건에서 최소 3회 반복했습니다.
HE-SXRD 측정을 위해, 캐나다 CLS56의 브록하우스 고에너지 위글러에서 나오는 빔의 위상 조성을 정량화하기 위해 1 × 1 × 1.5 mm3 크기의 직사각형 이중강 블록을 사용했습니다. 데이터 수집은 상온에서 데바이-셰러 기하학 또는 투과 기하학으로 수행되었습니다. LaB6 교정기로 교정된 X선 파장은 0.212561 Å이며, 이는 58 keV에 해당하는데, 이는 실험실 X선 소스로 일반적으로 사용되는 Cu Kα(8 keV)보다 훨씬 높습니다. 시료는 검출기에서 740 mm 떨어진 곳에 위치했습니다. 각 시료의 검출 부피는 0.2 × 0.3 × 1.5 mm3이며, 이는 빔 크기와 시료 두께에 따라 결정됩니다. 모든 데이터는 Perkin Elmer 영역 검출기(평면 패널 X선 검출기, 200µm 픽셀, 40×40cm2)를 사용하여 0.3초의 노출 시간과 120프레임으로 수집되었습니다.
선택된 두 모델 시스템에 대한 X-PEEM 측정은 스웨덴 룬드에 위치한 MAX IV 연구소의 MAXPEEM 빔라인 PEEM 엔드 스테이션에서 수행되었습니다. 시료는 전기화학적 측정과 동일한 방식으로 준비되었습니다. 준비된 시료는 며칠 동안 공기 중에 보관한 후 초고진공 챔버에서 탈기시킨 뒤 싱크로트론 광자를 조사했습니다. 빔라인의 에너지 분해능은 N2에서 hv = 401 eV 근처의 N 1s에서 1\(\pi _g^ \ast\)까지의 여기 영역에서 이온 수율 스펙트럼을 측정하여 얻었으며, 이때 광자 에너지는 E3/2에 따라 달라집니다. 57 근사 스펙트럼은 측정 에너지 범위에서 약 0.3 eV의 ΔE(스펙트럼 선의 폭)를 나타냈습니다. 따라서 Fe 2p L2,3 에지, Cr 2p L2,3 에지, Ni 2p L2,3 에지 및 Ce M4,5 에지에 대해 Si 1200-line mm−1 격자가 있는 수정된 SX-700 단색화 장치를 사용하여 빔라인 에너지 분해능은 E/∆E = 700 eV/0.3 eV > 2000 및 플럭스 ≈1012 ph/s로 추정되었습니다. 따라서 Fe 2p L2.3 에지, Cr 2p L2.3 에지, Ni 2p L2.3 에지 및 Ce M4.5 에지에 대해 Si 1200-line mm−1 격자가 있는 수정된 SX-700 단색화 장치를 사용하여 빔라인 에너지 분해능은 E/∆E = 700 eV/0.3 eV > 2000 및 플럭스 ≈1012 ph/s로 추정되었습니다. Таким образом, энергетическое разрешение канала пучка было оценено как E/ΔE = 700 эВ/0,3 эВ > 2000 и поток 1012 ф/с при использовании модифицированного монохромаtorа SX-700 с решеткой Si 1200 штрихов/mm для Fe кромка 2p L2,3, кромка Cr 2p L2,3, кромка Ni 2p L2,3 및 кромка Ce M4,5. 따라서, Fe 에지 2p L2,3, Cr 에지 2p L2.3, Ni 에지 2p L2.3 및 Ce 에지 M4.5에 대해 1200라인/mm의 Si 격자를 갖는 수정된 SX-700 단색화 장치를 사용하여 빔 채널의 에너지 분해능은 E/∆E = 700 eV/0.3 eV > 2000 및 플럭스 ≈1012 f/s로 추정되었습니다.因此,光束线能weight分辨率估计为E/ΔE = 700eV/0.3eV > 2000 및 过使用带有Si 1200线mm-1 光栅的改进的SX-700单color器用于Fe 2p L2,3 边缘、Cr 2p L2,3 边缘、Ni 2p L2,3 边缘와 Ce M4,5 边缘。因此 , 光束线 能덩어리 分辨率 为 为 为 为 δe = 700 EV/0.3 EV> 2000 和 ≒1012 PH/S , 使用 带有 带有 1200 线 mm-1 光栅SX-700은 Fe 2p L2.3 边缘, Cr 2p L2.3 边缘, Ni 2p L2.3 边缘 및 Ce M4.5 边缘을 사용합니다.따라서, 1200라인 Si 회절 격자를 사용하는 수정된 SX-700 단색화 장치를 사용할 때, Cr 에지 2p L2.3, Ni 에지 2p L2.3 및 Ce 에지 M4.5가 나타납니다.광자 에너지를 0.2 eV 간격으로 스캔했습니다. 각 에너지에서, 2 x 2 빈을 가진 광섬유 결합 TVIPS F-216 CMOS 검출기를 사용하여 PEEM 이미지를 기록했으며, 이 검출기는 20 µm 시야에서 1024 x 1024 픽셀의 해상도를 제공합니다. 이미지 노출 시간은 0.2초였으며, 16프레임을 평균화했습니다. 광전자 이미지 에너지는 최대 2차 전자 신호를 제공하도록 선택했습니다. 모든 측정은 선형 편광된 광자 빔을 사용하여 수직 입사로 수행했습니다. 측정에 대한 자세한 정보는 이전 연구에서 확인할 수 있습니다. 총 전자 수율(TEY) 검출 모드와 X-PEEM49에서의 적용을 연구한 결과, 이 방법의 시험 깊이는 Cr 신호의 경우 약 4-5 nm, Fe 신호의 경우 약 6 nm로 추정되었습니다. Cr의 깊이는 산화막 두께(~4 nm)60,61와 매우 유사한 반면, Fe의 깊이는 산화막 두께보다 큽니다. Fe L 가장자리에서 수집된 XRD는 산화철과 기지에서 유래한 Fe0의 XRD가 혼합된 것입니다. 첫 번째 경우, 방출된 전자의 강도는 TEY에 기여하는 모든 유형의 전자에서 비롯됩니다. 그러나 순수한 철 신호는 전자가 산화층을 통과하여 표면으로 이동하고 분석기에 수집되기 위해 더 높은 운동 에너지를 필요로 합니다. 이 경우, Fe0 신호는 주로 LVV 오제 전자와 이들로부터 방출되는 2차 전자에 의한 것입니다. 또한, 이러한 전자들이 기여하는 TEY 강도는 전자 탈출 경로 동안 감소하여 철 XAS 맵에서 Fe0 스펙트럼 응답을 더욱 감소시킵니다.
데이터 마이닝을 데이터 큐브(X-PEEM 데이터)에 통합하는 것은 다차원적 접근 방식을 통해 관련 정보(화학적 또는 물리적 특성)를 추출하는 데 중요한 단계입니다. K-평균 클러스터링은 머신 비전, 이미지 처리, 비지도 패턴 인식, 인공지능, 분류 분석 등 여러 분야에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, K-평균 클러스터링은 초분광 영상 데이터 클러스터링에서 뛰어난 성능을 보여왔습니다. 원칙적으로, 다중 특징 데이터의 경우 K-평균 알고리즘은 특징의 속성 정보(광자 에너지 특성)를 기반으로 데이터를 쉽게 그룹화할 수 있습니다. K-평균 클러스터링은 데이터를 K개의 겹치지 않는 그룹(클러스터)으로 나누는 반복 알고리즘으로, 각 픽셀은 강철 미세 구조 조성의 화학적 불균일성의 공간 분포에 따라 특정 클러스터에 속하게 됩니다. K-평균 알고리즘은 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계에서는 K개의 중심점을 계산하고, 두 번째 단계에서는 각 점에 인접한 중심점들을 이용하여 클러스터를 할당합니다. 클러스터의 무게중심은 해당 클러스터의 데이터 포인트(XAS 스펙트럼)의 산술 평균으로 정의됩니다. 인접한 중심점을 정의하는 데에는 유클리드 거리와 같은 다양한 거리가 사용됩니다. 입력 이미지가 px,y(여기서 x와 y는 픽셀 해상도)인 경우, CK는 클러스터의 무게중심입니다. 이 이미지는 K-평균63 알고리즘을 사용하여 K개의 클러스터로 분할(클러스터링)될 수 있습니다. K-평균 클러스터링 알고리즘의 최종 단계는 다음과 같습니다.
2단계. 현재 중심점을 기준으로 모든 픽셀의 소속도를 계산합니다. 예를 들어, 중심점과 각 픽셀 사이의 유클리드 거리 d를 이용하여 계산할 수 있습니다.
3단계: 각 픽셀을 가장 가까운 중심점에 할당합니다. 그런 다음 다음과 같이 K개의 중심점 위치를 다시 계산합니다.
4단계. 중심점이 수렴할 때까지 과정(식 (7) 및 (8))을 반복합니다. 최종 클러스터링 품질 결과는 초기 중심점의 최적 선택과 강한 상관관계를 보입니다. 강철 이미지의 PEEM 데이터 구조에서 일반적으로 X(x × y × λ)는 3D 배열 데이터의 큐브이며, x축과 y축은 공간 정보(픽셀 해상도)를 나타내고 λ축은 광자 에너지 스펙트럼 이미지에 해당합니다. K-평균 알고리즘은 스펙트럼 특징에 따라 픽셀(클러스터 또는 하위 블록)을 분리하고 각 분석 대상에 대한 최적의 중심점(XAS 스펙트럼 프로파일)을 추출하여 X-PEEM 데이터에서 관심 영역을 탐색하는 데 사용됩니다. 이는 공간 분포, 국부적인 스펙트럼 변화, 산화 거동 및 화학적 상태를 연구하는 데 사용됩니다. 예를 들어, K-평균 클러스터링 알고리즘은 열간 가공 및 냉간 압연 X-PEEM에서 Fe L-edge 및 Cr L-edge 영역에 사용되었습니다. 최적의 클러스터와 중심점을 찾기 위해 다양한 개수의 K 클러스터(미세구조 영역)를 테스트했습니다. 이러한 개수가 표시되면 픽셀은 해당 클러스터 중심점으로 재할당됩니다. 각 색상 분포는 클러스터의 중심에 해당하며 화학적 또는 물리적 객체의 공간적 배열을 보여줍니다. 추출된 중심점은 순수 스펙트럼의 선형 조합입니다.
본 연구 결과를 뒷받침하는 자료는 해당 WC 저자에게 합리적인 요청을 할 경우 제공받을 수 있습니다.
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