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        金屬材料成分分析技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

        2013-08-15 00:49:27胡江橋
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2013年20期
        關(guān)鍵詞:金屬材料分析方法原子

        胡江橋

        (武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430084)

        1 概述

        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(gè)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(yùn)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(shí)也能為以后開發(fā)更加新型的材料奠定基礎(chǔ)。

        2 金屬材料成分分析的重要性

        2.1 有利于了解金屬材料的性能成因

        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。

        2.2 有利于合理選擇金屬材料加工方法

        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?yàn)樵诖_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(yàn)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。

        2.3 有利于合理選擇熱處理方法和設(shè)備

        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。

        2.4 有利于經(jīng)濟(jì)、安全、合理地應(yīng)用金屬材料

        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(shí)用,精準(zhǔn)度也得到了較大幅度的改善。

        3 金屬材料成分分析的傳統(tǒng)方法

        3.1 分光光度法

        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(jì),可見分光光度計(jì)(或比色計(jì))、紅外分光光度計(jì)或原子吸收分光光度計(jì)。在分光光度計(jì)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(shí),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。

        3.2 滴定分析法

        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(jì)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(shí)驗(yàn)表明改方法的分析結(jié)果與理論值相符。

        3.3 原子光譜分析法

        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(gè)分支中最為古老的一種。其優(yōu)點(diǎn)是多元素同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在于不能多元素同時(shí)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。

        3.4 X射線熒光光譜法

        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。

        3.5 電分析法

        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?yàn)槠錅?zhǔn)確度不高,而且實(shí)施也很不方便,受其他干擾時(shí)誤差很大,如今已很少采用。

        4 金屬材料成分分析新方法

        4.1 電感耦合等離子體質(zhì)譜法

        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(dú)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(jì)的靈敏快速掃描的優(yōu)點(diǎn)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。

        4.2 激光誘導(dǎo)等離子體光譜法

        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(diǎn)是檢測設(shè)備簡單,操作方便,成本較低,可以同時(shí)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。

        4.3 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法

        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。

        4.4 石墨爐原子吸收法

        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。

        5 金屬材料分析方法的發(fā)展趨勢

        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?yàn)楦鞣N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(shí)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(yùn)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(shí),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(shí)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)。

        結(jié)語

        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(gè)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(gè)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(gè)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。

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