胡江橋
(武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430084)
國家建設(shè)與金屬材料密不可分,隨著科技的發(fā)展,金屬材料的分析方法也在不斷改進(jìn),從最初被應(yīng)用的傳統(tǒng)方法到如今的最新技術(shù)。由于金屬材料可以廣泛應(yīng)用于各個不同行業(yè),因此,社會對其的需求量也在不斷增長。隨著不斷的創(chuàng)新和改進(jìn),一些新型復(fù)合金屬材料應(yīng)運而生,對它們進(jìn)行成分分析,才能更全面的了解其特性,同時也能為以后開發(fā)更加新型的材料奠定基礎(chǔ)。
金屬材料成分分析的最重要意義,在于通過分析有利于了解金屬材料的性能成因,并通過多種材料分析總結(jié)規(guī)律。金屬材料顯微組織的五大要素—晶粒類型、形狀、大小、相對數(shù)量和相對分布對金屬材料的性能有重大影響。決定金屬材料顯微組織中各種晶粒相對數(shù)量的主要因素在于不同成分的金屬材料在其原子結(jié)構(gòu)、原子之間的結(jié)合鍵和晶體結(jié)構(gòu)等方面存在巨大的差異,從而對其性能產(chǎn)生大的影響。
金屬材料的成分有利于合理選擇金屬材料的加工方法,這是因為在確定了金屬材料的化學(xué)成分后,可以對其性能和加工要求有詳細(xì)的了解,進(jìn)而通過經(jīng)驗和理論知識確定最合理的材料加工方法。合理的加工方法對于金屬制造會起到事半功倍的效果,且可以在最大程度上保證金屬材料性能。因此,通過對金屬材料進(jìn)行精準(zhǔn)的懲成分分析才能更好的了解其成分組成和基本特性,并由此確定采用哪一種加工方法。
金屬材料加工完成后,還有性能并不能完全得到發(fā)揮,對于大多數(shù)金屬材料在加工后還要進(jìn)行熱處理,熱處理一方面可以改善金屬材料的性能,另一方面也能夠有效消除加工中產(chǎn)生的組織缺陷,應(yīng)用普遍。而對金屬材料而言,能否采取熱處理,采用何種方式,處理過程中工藝參數(shù)的控制以及效果,都由其成分來決定。
所以金屬材料成分分析有利于合理選擇熱處理方法和設(shè)備。
對金屬材料進(jìn)行成分分析,還有利于對其進(jìn)行更加經(jīng)濟(jì)、安全、合理地應(yīng)用,使其更好的發(fā)揮優(yōu)良性能。最基本也是最重要的是,首先必須使金屬材料充分發(fā)揮潛力,達(dá)到人們所要的使用性能。可以對基體金屬與合金組元的合理搭配,采用一定的加工方式和熱處理工藝,使其性能達(dá)到最佳。除此之外,需要考慮的就是降低成本,使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。伴隨著科技的不斷進(jìn)步,金屬材料的分析方法也在逐漸被改進(jìn),變得更加先進(jìn)實用,精準(zhǔn)度也得到了較大幅度的改善。
金屬材料成分分析的傳統(tǒng)方法中最常見的是分光光度法,是一種根據(jù)Lambert(朗伯)-Beer(比爾)定律,通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強(qiáng)度,對該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法。采用的檢測儀器為紫外分光光度計,可見分光光度計(或比色計)、紅外分光光度計或原子吸收分光光度計。在分光光度計中,將不同波長的光連續(xù)地照射到一定濃度的樣品溶液時,便可得到與不同波長相對應(yīng)的吸收強(qiáng)度。如以波長(λ)為橫坐標(biāo),吸收強(qiáng)度(A)為縱坐標(biāo),就可繪出該物質(zhì)的吸收光譜曲線。通過該曲線便可對物質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的定性、定量分析。
滴定分析法,又稱為容量分析法。其原理是將已知準(zhǔn)確濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液,滴加到被測溶液中(或者將被測溶液滴加到標(biāo)準(zhǔn)溶液中),直到所加的標(biāo)準(zhǔn)溶液與被測物質(zhì)按化學(xué)計量關(guān)系定量反應(yīng)為止,然后測量標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的體積,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和所消耗的體積,算出待測物質(zhì)的含量。這種分析方法簡便快捷,現(xiàn)在仍有一定通用性,實驗表明改方法的分析結(jié)果與理論值相符。
金屬材料的成分分析傳統(tǒng)方法還包括原子光譜分析法,這種方法又分為原子發(fā)射光譜法和原子吸收光譜法兩種。原子發(fā)射光譜法是依據(jù)各種元素的原子或離子在熱激發(fā)或電激發(fā)下,發(fā)射特征的電磁輻射,而進(jìn)行元素的定性與定量分析的方法,是光譜學(xué)各個分支中最為古老的一種。其優(yōu)點是多元素同時檢出能力強(qiáng)、選擇性好、分析速度快、檢出限低、樣品消耗少,適于整批樣品的多組分測定。缺點是準(zhǔn)確度較差、只能用于元素分析、大多數(shù)非金屬元素難以得到靈敏的光譜線。原子吸收光譜法是基于氣態(tài)的基態(tài)原子外層電子對紫外光和可見光范圍的相對應(yīng)原子共振輻射線的吸收強(qiáng)度來定量被測元素含量為基礎(chǔ)的分析方法,是一種測量特定氣態(tài)原子對光輻射的吸收的方法。其優(yōu)點是選擇性強(qiáng)、靈敏度高、分析范圍廣、抗干能力強(qiáng)、精密度高。缺點在于不能多元素同時分析,測定難熔元素的靈敏度還不令人滿意,對于某些基體復(fù)雜的樣品分析,尚存某些干擾問題需要解決。
金屬材料成分分析傳統(tǒng)方法還包括X射線熒光光譜法,其原理是基態(tài)原子(一般蒸汽狀態(tài))吸收合適的特定頻率的輻射而被激發(fā)至高能態(tài),而后激發(fā)過程中以光輻射的形式發(fā)射出特征波長的熒光。通過測出一系列X射線熒光譜線的波長,即能確定元素的種類,將測得的譜線強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)樣品比較,即可確定該元素的含量。主要用于金屬元素的測定,在環(huán)境科學(xué)、高純物質(zhì)、礦物、水質(zhì)監(jiān)控、生物制品和醫(yī)學(xué)分析等方面有廣泛的應(yīng)用。
金屬材料成分分析傳統(tǒng)方法還包括電分析法,這種方法最初是被用來研究金屬電池中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),其原理是利用了金屬材料的組成和含量與金屬材料的電性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性。但是因為其準(zhǔn)確度不高,而且實施也很不方便,受其他干擾時誤差很大,如今已很少采用。
該方法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的無機(jī)元素和同位素分析測試技術(shù),它以獨特的接口技術(shù)將電感耦合等離子體的高溫電離特性與質(zhì)譜計的靈敏快速掃描的優(yōu)點相結(jié)合而形成一種高靈敏度的分析技術(shù)。主要用于金屬材料中的稀有金屬、貴金屬、難熔金屬和稀土金屬進(jìn)行測量。這種方法具有相當(dāng)高的靈敏度,速度快、譜線簡單,所以應(yīng)用起來準(zhǔn)確度高,但使用成本也相對較高,所以只在上述特殊金屬中采用。
金屬材料成分分析的新方法包括激光誘導(dǎo)等離子體光譜法,其也是近幾年才被發(fā)明的新方法。特點是檢測設(shè)備簡單,操作方便,成本較低,可以同時測量多種元素,便于提高效率,常用來測量不銹鋼鐘的微量元素。唯一的不足之處就是適用范圍較窄。
該方法也是一種新型的原子發(fā)射光譜法,其原理為利用金屬元素受到激發(fā)而產(chǎn)生電子躍遷,在譜線上表現(xiàn)出一定強(qiáng)度而進(jìn)行測量的方法,測量范圍較廣且靈敏度高。電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法是一種發(fā)展比較完善的測量方法,不僅保證了測量的高靈敏度,而且也保證了應(yīng)用范圍的廣泛性。
石墨爐原子吸收法是利用石墨材料制成管、杯等形狀的原子化器,用電流加熱原子化進(jìn)行原子吸收分析的方法。由于樣品全部參加原子化,并且避免了原子濃度在火焰氣體中的稀釋,分析靈敏度得到了顯著的提高。該法用于測定痕量金屬元素,在性能上比其他許多方法好,并能用于少量樣品的分析和固體樣品直接分析。因而其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。
隨著科技的發(fā)展,更多更復(fù)雜的金屬材料正在被研發(fā),對于這些材料的成分分析,傳統(tǒng)方法因為各種原因已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們的要求。為了更好的對這些新型復(fù)雜材料進(jìn)行成分分析,只有開發(fā)出與時俱進(jìn)的新方法才能滿足人們科研的需求,越來越多的現(xiàn)代分析法防隨之應(yīng)運而生。這些新方法更加專注于材料成分、結(jié)構(gòu)、缺陷等的分析。同時,更多的分析檢測儀器也被不斷的研究出來,從而使一些新方法的實施成為了可能。在這樣的發(fā)展趨勢之下,金屬材料的分析方法朝著準(zhǔn)確、高效的方向發(fā)展,也就是操作上要不斷簡捷方便,測量結(jié)果上靈敏度、準(zhǔn)確度也要加強(qiáng)。
綜上所述,金屬材料成分分析對金屬其性能研究和改善影響重大,可以通過準(zhǔn)確的成分分析并采取相應(yīng)的改善措施來提高金屬材料的性能。本文主要分析金屬材料成分分析的方法,主要從傳統(tǒng)分析方法和新方法兩個方面來介紹,可以看到現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)在分析方法中得到應(yīng)用,不僅提高了金屬材料成分分析的效率,而且從多個角度提高了金屬材料成分分析的準(zhǔn)確性。金屬材料分析方法還是存在一些局限性,需要通過不斷探索來改善,所以本文還分析了金屬材料成分分析的發(fā)展趨勢,可見發(fā)展方向從主要從準(zhǔn)確性和效率兩個方面展開,方法則是利用現(xiàn)代技術(shù),不斷將更新的科學(xué)技術(shù)手段應(yīng)用到金屬材料成分分析中去。
[1]薛廣鵬.淺析金屬材料的分析方法[J].科技資訊,2012(25):84.
[2]李大為.金屬材料成分分析方法現(xiàn)狀與趨勢[J].工業(yè)設(shè)計,2012(03):28.
[3]趙黎鋒.各種金屬材料成分分析方法現(xiàn)狀與趨勢[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2012(05):143.
[4]陳文哲.材料現(xiàn)代分析方法與新材料技術(shù)的發(fā)展[J].理化檢驗,2002(11):466-472.
[5]周家琥.對常用有色金屬的成分研究[J].河南科技,2013(05):63+82.
[6]鄧安華.金屬材料的成分設(shè)計[J].上海金屬.有色分冊,1993(05):46-54.