金屬材料成分分析技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡江橋

（武漢重工鑄鍛有限責任公司，湖北 武漢 430084）

1 概述

國家建設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，從最初被應用的傳統(tǒng)方法到如今的最新技術。由于金屬材料可以廣泛應用于各個不同行業(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，一些新型復合金屬材料應運而生，對它們進行成分分析，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。

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構、原子之間的結合鍵和晶體結構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，這是因為在確定了金屬材料的化學成分后，可以對其性能和加工要求有詳細的了解，進而通過經(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，通過對金屬材料進行精準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備。

2.4 有利于經(jīng)濟、安全、合理地應用金屬材料

對金屬材料進行成分分析，還有利于對其進行更加經(jīng)濟、安全、合理地應用，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，達到人們所要的使用性能?？梢詫w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，使其性能達到最佳。除此之外，需要考慮的就是降低成本，使經(jīng)濟效益達到最大化。伴隨著科技的不斷進步，金屬材料的分析方法也在逐漸被改進，變得更加先進實用，精準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)光強度，對該物質(zhì)進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的吸收強度。如以波長（λ）為橫坐標，吸收強度（A）為縱坐標，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)進行相應的定性、定量分析。

3.2 滴定分析法

滴定分析法，又稱為容量分析法。其原理是將已知準確濃度的標準溶液，滴加到被測溶液中（或者將被測溶液滴加到標準溶液中），直到所加的標準溶液與被測物質(zhì)按化學計量關系定量反應為止，然后測量標準溶液消耗的體積，根據(jù)標準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，而進行元素的定性與定量分析的方法，是光譜學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、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原子共振輻射線的吸收強度來定量被測元素含量為基礎的分析方法，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、靈敏度高、分析范圍廣、抗干能力強、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，將測得的譜線強度與標準樣品比較，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、高純物質(zhì)、礦物、水質(zhì)監(jiān)控、生物制品和醫(yī)學分析等方面有廣泛的應用。

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行的化學反應，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)的關聯(lián)性。但是因為其準確度不高，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。

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80年代發(fā)展起來的無機元素和同位素分析測試技術，它以獨特的接口技術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)點相結合而形成一種高靈敏度的分析技術。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行測量。這種方法具有相當高的靈敏度，速度快、譜線簡單，所以應用起來準確度高，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。

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)出一定強度而進行測量的方法，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。因而其應用領域十分廣泛。

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)遠遠達不到人們的要求。為了更好的對這些新型復雜材料進行成分分析，只有開發(fā)出與時俱進的新方法才能滿足人們科研的需求，越來越多的現(xiàn)代分析法防隨之應運而生。這些新方法更加專注于材料成分、結構、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，測量結果上靈敏度、準確度也要加強。

結語

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，可以通過準確的成分分析并采取相應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)在科學技術在分析方法中得到應用，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)展方向從主要從準確性和效率兩個方面展開，方法則是利用現(xiàn)代技術，不斷將更新的科學技術手段應用到金屬材料成分分析中去。

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