金屬材料成分分析技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

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(guó)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(huì)對(duì)其的需求量也在不斷增長(zhǎng)。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(duì)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(duì)數(shù)量和相對(duì)分布對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)確定最合理的材料加工方法。合理的加工方法對(duì)于金屬制造會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)金屬材料進(jìn)行成分分析，還有利于對(duì)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(duì)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(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法。采用的檢測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度。如以波長(zhǎng)（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(duì)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(cè)溶液中（或者將被測(cè)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(cè)物質(zhì)按化學(xué)計(jì)量關(guān)系定量反應(yīng)為止，然后測(cè)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(cè)物質(zhì)的含量。這種分析方法簡(jiǎn)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(cè)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(duì)紫外光和可見光范圍的相對(duì)應(yīng)原子共振輻射線的吸收強(qiáng)度來定量被測(cè)元素含量為基礎(chǔ)的分析方法，是一種測(cè)量特定氣態(tài)原子對(duì)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(cè)定難熔元素的靈敏度還不令人滿意，對(duì)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(zhǎng)的熒光。通過測(cè)出一系列X射線熒光譜線的波長(zhǎng)，即能確定元素的種類，將測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。這種方法具有相當(dāng)高的靈敏度，速度快、譜線簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用起來準(zhǔn)確度高，但使用成本也相對(duì)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(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本較低，可以同時(shí)測(cè)量多種元素，便于提高效率，常用來測(cè)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(cè)量的方法，測(cè)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(cè)量方法，不僅保證了測(cè)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(cè)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(shì)

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(duì)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(duì)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(cè)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(shì)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(jiǎn)捷方便，測(cè)量結(jié)果上靈敏度、準(zhǔn)確度也要加強(qiáng)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬材料成分分析對(duì)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(shì)，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。

[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(shì)[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，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(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，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(yàn)，2002（11）：466-472.

[5]周家琥.對(duì)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(jì)[J].上海金屬.有色分冊(cè)，1993（05）：46-54.