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金属材料化学分析方法现状及发展

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摘要:

文章主要阐述了各种金属材料化学成分分析方法的原理和优缺点,并在此基础上,阐述了今后金属材料分析方法的发展方向。

关键词:

金属材料;化学成分;分析方法;现状;发展趋势

引言

金属材料在现代建筑和工业设施建设中起着无可替代的作用,随着新型建筑和工业装备的出现,高性能材料的需求不断增加。例如,北京奥运主场馆“鸟巢”在国内建筑史上首次使用110mm的Q460,由舞阳钢厂的科研人员首次研制成功。此外,随着第三代核电AP1000在国内的建设,SA738与S32101这两种高性能钢材才开始在国内研制与生产。众所周知,金属材料性能的优劣主要是由组织结构决定,同时组织结构会随其元素种类和相对含量的不同而改变[1-3]。因此,准确分析材料元素种类和含量,对于新性能材料的研发和合理利用至关重要。金属材料中比较重要的元素为碳、硅、锰、硫和磷,对材料的性能影响最显著。对材料的物理性能影响最大的元素是碳,碳含量的高低直接影响钢铁组织变化,例如奥氏体钢和马氏体钢,从而影响钢材的物理性能。硅作为脱氧剂,炼钢过程必不可少。沸腾钢的含硅量很低,而在镇静钢中硅的含量一般为0.12%~0.37%。钢中硅含量的增加,会相应提高屈服强度和抗拉强度,例如调质结构钢中硅含量增加1.0%~1.2%,强度可提升15%~20%。但是,硅含量的提高会降低钢材的伸长率和收缩率,冲击韧性明显降低。硫作为钢中的有害元素,在炼钢过程引入,会降低韧性和延展性,造成钢材在热加工过程开裂,因此钢材含硫量都严格控制,例如Q235B要求硫≤0.045%[4]。磷作为钢中有害元素,会降低钢的塑性,同时影响其焊接性能和冷弯性能,所以一般钢种要求磷≤0.045%,优质钢含磷量更低。要掌握金属材料的性能,必须准确分析元素含量,并在此基础上研发性能更加优异的材料。尤其微量元素硼、铝、氮、钒、钛和铌等,例如SA738Gr.D要求硼≤0.0007%,Q345B要求铝≤0.015%[5]。这就要求我们合理的利用化学分析方法,足够精确地分析相关元素含量。

1化学分析方法

随着分析技术的发展,分析金属材料的化学成分先后出现的方法有重量法、滴定法、分光光度法、原子光谱法(原子发射光谱法和吸收光谱法)和电感耦合等离子质谱法等[6-8]。其中,重量法、滴定法和分光光度法主要基于离子之间的化学反应,分析化学学科出现时实验人员已经熟练掌握,需要简单的仪器设备即可展开测试,并且易于应用。后面的方法为近几十年新研发出的,物理学研究深入到原子核阶段以后才相继出现,并且随着技术的进步,仪器的研发会朝着效率更高、操作更简单的方向发展,不足之处就是设备比较昂贵,无法在中小企业普及。

1.1重量分析法重量分析法是经典的定量分析方法。出现时间较早,使用最成熟。重量法原理是将材料中待测元素通过化学反应转化为转化为可称量的化合物,经过过滤-烘干即可准确计算材料中待测元素的含量。当前,重量法主要适用于高含量的Si、S、P、Ag、Cu、Ni和Pb等元素含量的测定。重量法便于操作,但需要合理的沉淀和称量,才能获得准确的测定结果。

1.2滴定分析法滴定分析法,通过两种溶液的相互滴加,并通过显色剂判断反应的终止,按照化学反应计量关系计算待测金属成分含量。根据化学反应机理的不同,可分为酸碱滴定法(主要分析钢铁中的C、Si、P、N、B等元素)、氧化还原滴定法(主要测定Fe、Mn、Cr、V、Cu、Pn、Co和S等)、沉淀滴定法(不常用)和络合滴定法(常用来分析Ni、Mg、Zn、Pb、Al等)四类。此分析方法只需要配置相应的玻璃仪器(比如:滴定管和容量瓶等),成本低廉,易于操作,现在一些中小企业仍在使用。缺点是只能进行单元素分析,分析周期长,不适用于微量元素分析,且分析数据会随操作人员的熟练程度进行波动。

1.3分光光度法分光光度法的理论基础是Beer-Lambert定律,用公式表达为A=KcL,在入射光强度一定的情况下,溶液的吸光度正比于溶液的浓度,通过吸光度的变化即可计算待测元素的浓度。分析待测试样前首先要建立标准溶液的吸收光谱曲线,通过这一曲线进行待测试样元素浓度的定量分析。常用于分光光度法分析的仪器有红外、紫外-可见和原子吸收分光光度计。此方法优点仅需一台分光光度计即可完成,同时兼具灵敏度高,操作简单迅速,应用范围广(周期表中的所有金属元素都可测定,也可测定Si、S、N、B、As、Se、和卤素等非金属元素)。缺点为只可单元素分析,其分析结果的准确性需要依赖灵敏的显色剂,且不同元素之间存在一定的干扰,造成最终的分析结果存在未知偏差。

1.4X射线荧光光谱法X射线荧光光谱法的理论基础:物质的基态原子吸收特定波长的X射线后,外层的电子被激发至高能态,处于高能态的电子极不稳定,又跃回至基态或低能态,同时发射出荧光;荧光强度正比于试样中待测元素浓度,通过测定荧光强度即可确定试样中元素含量。当原子辐射的荧光波长与照射X射线波长不同时,称为非共振荧光,反之,则为共振荧光,分析中应用较多的是共振荧光。此法的优点是检出线低,谱线易于分析,分析迅速,若用激光做激发光源时分析效果更佳。缺点该方法要求样品较高的均一性,同时受基体效应的影响,分析结果存在偏差,通常需要进行一定程度地校正。

1.5原子光谱法

(1)原子吸收光谱法。工作原理为用被测元素纯金属制成空心阴极灯的阴极,该光源辐射出特征波长光,通过分光系统寻找该谱线并至于峰线极大位置,此时吸收池溶液在原子化器的作用下生成该元素的基态原子,基态原子吸收特征波长的光而上升到激发态,根据特征波长光强度的改变进行分析得出金属成分含量。原子吸收光谱仪的核心部分为原子化器,目前的原子化器主要有火焰原子、石墨炉原子和汞/氢化物发生原子器(专测Hg、As、Bi、Pn和Sn等)这三种,比较常用的是火焰原子和石墨炉原子吸收光谱仪。火焰原子吸收光谱法,其工作原理为利用火焰的高温燃烧使试样原子化进行元素含量分析的一种方法。优点:火焰稳定、读测精度好、基体效应小和噪声小。缺点:点火麻烦、原子化效率低造成精度和灵敏度差,只可分析液体样品。石墨炉原子吸收法是利用电流加热石墨炉产生阻热高温使式样原子化,并进行辐射光谱吸收分析的方法。相比于火焰原子吸收法,分析试样几乎全部参加原子化,且有效避免了火焰气体对原子浓度的稀释,此外激发态原子在吸收区停留时间长达1-10-1数量级,因此分析灵敏度和检出限得到了显著的改善。优点:样品利用率高、灵敏度高(检测限低)、低的化学干扰、液体样品和固体样品均可分析。缺点:设备操作复杂,不如火焰法快速简捷,对试样的均匀性要求高和有较强的背景吸收,测定精度不如火焰原子吸收法。

(2)原子发射光谱法。原子发射光谱法是依据物质中的基态原子获得外界传递的能量后,外层电子会经历“低能级—高能级—低能级”,多余的能量以相应的谱线释放,即发射光谱。根据发射光谱就可判断相应元素种类和含量。目前利用原子发射光谱法研制的分析仪器有光电直读光谱仪和电感耦合等离子发射光谱仪。此类方法仪器的共同优点为多元素同时分析,分析周期短。光电直读光谱仪,其工作原理是用电火花激发材料表面,材料表面的原子经激发而发生电子跃迁,从而发射出材料内部元素的特征谱线。优点:测试时间短(几分钟内可以准确分析20多种元素);适用于较宽的波长范围;使用的浓度范围广(可同时进行高低含量元素的分析)。缺点为:由于出射狭缝固定,对分析钢种经常变化的用户不太适用;谱线易漂移,需要定期校准;不能分析小尺寸和不规则样品。电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP)也是一种新型的原子发射光谱法,工作原理为待测物质被环状高温等离子体光源加热至可达6000-8000K,待测物质原子由产生电子跃迁,从而辐射出特征谱线进行元素含量测定。ICP根据进样系统的不同又分为固体进样、液体进样和气体进样三类。ICP要比直读光谱仪器的检出限更低,灵敏度高[9]。缺点对进样系统要求非常严格,无法分析部分难溶和非金属元素。溶液进样系统需要将式样要做成溶液样品,此过程要用酸碱溶样,会对操作人健康造成一定伤害,用时较长。

1.6电感耦合等离子体质谱法电感耦合等离子体质谱法是在电感耦合等离子发射光谱仪的基础上发展起来的一种较灵敏的元素分析方法。相比于电感耦合等离子发射光谱仪,增加了一个四极质谱仪,质谱仪分离不同质荷比的激发离子,最后测量各种离子谱峰强度的一种分析方法。电感耦合等离子质谱仪主要用于测定超痕量和同位素比值,比如对金属材料中的微量元素、镧系元素、难熔金属元素和贵金属元素的含量进行测定[10]。优点为操作简单、测试周期短、灵敏度高(达ng/ml或更低)。缺点实际检测成本高制约其广泛使用,目前主要用于地质学中金属矿石微量、痕量和超痕量的金属元素测定。

1.7激光诱导等离子体光谱法该方法是一种新兴的分析技术,是原子发射光谱法的一种。利用高功率激光作用于物质表面,产生瞬态等离子体,光谱仪对等离子体辐射光谱进行分析,就可以确定材料中待分析元素的含量。可用于固体、液体和气体中元素定性和定量分析。所需设备比教简单,操作方便,可以同时进行多种元素含量测定,分析效率有效提高,此外还可满足远程分析的需要。缺点适用范围较窄,目前主要用来测量不锈钢中的微量元素[9]。

2展望

随着工业的发展和建筑要求的提高,研发新型和高性能金属材料的需求日益增加,各种痕量元素的快速与简便测定变得愈加重要。文中介绍的主流分析方法或多或少都有一些缺点。比如:直读直读光谱仪只能分析特定尺寸块状样品;部分电感耦合等离子光谱仪需要酸或碱溶样,溶样过程处理不当会危害环境和人体健康,相应延长了测试周期等。基于此,现有的一些操作方法已经不能满足实际应用需要,这就迫切需要我们研发使用方便,分析周期短,灵敏度高,检出限低和绿色环保的新方法和新仪器。因此,我们广大测试人员和仪器制造商应共同努力,推动金属材料化学分析实验方法及仪器不断进步。

参考文献

[1]赵黎锋.各种金属材料成分分析方法现状与趋势[J].科技创新报,2012,(05).

[2]李军.金属材料成分分析方法探讨[J].中国高新技术企业,2015,(13).

[3]狄海燕.新技术下金属材料成分分析技术发展前景[J].科技创新与应用,2014,(26).

[4]GB/T700-2006碳素结构钢[S].[5]GB/T1591-2008低合金高强度结构钢[S].

[6]胡江桥.金属材料成分分析技术现状及发展趋势[J].中国新技术新产品,2013,(10).

[7]李大为.金属材料成分分析方法现状与趋势[J].工业设计,2012,(3).

[8]程美洁.金属材料成分分析技术现状及发展趋势[J].资源节约与环保,2015,(8).

[9]程栋,陈海峰.电感藕合等离子发射光谱在金属材料分析中的应用[J].电站辅机,2007,(1).

[10]潘炜娟.电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ECP-MS)技术及其在固体材料分析中的应用研究[M].宁波大学,2009.

作者:丁严广 白科财 单位:山东核电设备制造有限公司

金属材料化学分析方法现状及发展责任编辑:杨雪    阅读:人次