解析金屬材料物理性能檢測(cè)技術(shù)

顧 強(qiáng)，杜仁碩

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 402260）

金屬材料廣泛用于多個(gè)行業(yè)，物理性能地檢測(cè)是物理材料流入市場(chǎng)前的必需檢測(cè)指標(biāo)。但金屬材料的物理性能檢測(cè)技術(shù)多樣，檢測(cè)影響因素較多，包括檢測(cè)人員、檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)操作等，易使金屬材料的物理性能檢測(cè)出現(xiàn)偏差，降低檢測(cè)精度。因此，關(guān)于金屬材料物理性能檢測(cè)技術(shù)的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1 金屬材料物理性能檢測(cè)技術(shù)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

1.1.1 硬度檢測(cè)

在金屬材料物理性能檢測(cè)中，硬度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)相對(duì)多樣，包括里氏硬度、肖氏硬度等，不同檢測(cè)技術(shù)的原理不同，適用不同的金屬材料，遵循的標(biāo)準(zhǔn)不同，需檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇，確保物理性能檢測(cè)符合金屬材料應(yīng)用管理要求，發(fā)揮物理性能檢測(cè)作用。細(xì)化來(lái)說(shuō)，硬度檢測(cè)常用技術(shù)如下。

第一，里氏硬度，將沖頭置于與試樣表面相距1mm的位置，沖擊試樣，根據(jù)沖頭的回彈速率與沖擊速率比值，準(zhǔn)確獲取金屬材料的硬度。這種檢測(cè)技術(shù)適用于質(zhì)量較大的金屬材料，檢測(cè)時(shí)應(yīng)遵循GB/T17394-2014的相關(guān)規(guī)定。

第二，布氏硬度。通過(guò)壓痕直徑或深度測(cè)定金屬材料硬度，該檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于軋輥行業(yè)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)遵循GB/T24523-2009的相關(guān)規(guī)定。

第三，肖氏硬度，將沖頭置于與試樣表面相距一定距離的位置，沖擊試樣，根據(jù)沖頭回彈高度和固定落下高度的比值，準(zhǔn)確獲取金屬材料的硬度，檢測(cè)時(shí)應(yīng)遵循GB/T24523-2001的相關(guān)規(guī)定。

第四，維氏硬度，選擇符合要求的金剛石正棱錐體壓頭，通過(guò)一定載荷將其壓入金屬材料試樣表面，測(cè)量計(jì)算壓痕表面積，進(jìn)而計(jì)算壓痕表面積的平均壓力，獲取金屬材料的維氏硬度[1]。

1.1.2 金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)可以獲取金屬材料的金相顯微組織，用于金屬材料的質(zhì)量分析、內(nèi)部組織觀察，明確金屬材料的成分、性能之間的關(guān)系，為金屬材料的應(yīng)用管理提供參考依據(jù)。以灰口鑄鐵件應(yīng)用管理為例，運(yùn)維人員在維修檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料表面出現(xiàn)裂紋，而在此使用探傷技術(shù)檢查時(shí)，未發(fā)現(xiàn)裂紋，為解決該問(wèn)題，準(zhǔn)確檢測(cè)金屬材料的物理性能，檢測(cè)人員實(shí)施金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)灰口鑄鐵件內(nèi)部存在片狀溝槽，由內(nèi)部片狀石墨產(chǎn)生，并未發(fā)現(xiàn)裂紋。

1.1.3 殘余應(yīng)力檢測(cè)

在金屬材料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)相對(duì)多樣，技術(shù)適用范圍和優(yōu)勢(shì)不同。目前常用的殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)有以下幾項(xiàng)。

第一，有損檢測(cè)法。

（1）小孔法，通過(guò)鉆孔破壞金屬材料的應(yīng)力平衡，使金屬材料局部釋放應(yīng)力，測(cè)定釋放應(yīng)變，同時(shí)，按照柯西公式計(jì)算金屬材料的殘余應(yīng)力。該檢測(cè)技術(shù)的適用范圍較廣，金屬材料和非金屬材料均可測(cè)定。對(duì)于硬度較高的金屬材料，選擇噴砂打孔方式破壞應(yīng)力平衡。但小孔法屬于半無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，不適用于不容許設(shè)置小孔的金屬材料或構(gòu)件，如果必須使用小孔法檢測(cè)，檢測(cè)人員可與客戶溝通，協(xié)商是否在檢測(cè)完成后，使用同類型金屬材料的焊條點(diǎn)焊填充小孔，彌補(bǔ)損失。

（2）環(huán)芯法，在金屬材料表面制作環(huán)形槽，破壞引力平衡，使金屬材料釋放應(yīng)變，再按照柯西公式計(jì)算金屬材料殘余應(yīng)力，該方法的原理與小孔法類似，但與小孔法相比，環(huán)芯法對(duì)金屬材料的破壞更大[2]。

第二，無(wú)損檢測(cè)法。針對(duì)小孔法及環(huán)芯法的局限性，檢測(cè)人員選擇無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在保護(hù)金屬材料的同時(shí)，完成殘余應(yīng)力的檢測(cè)，檢測(cè)方法包括X射線衍射法與超聲臨界折射縱波法。在X射線衍射法中，利用衍射角測(cè)定金屬材料內(nèi)部晶面間距，根據(jù)布拉格方程計(jì)算殘余應(yīng)力，其不僅具有無(wú)損優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以測(cè)定金屬材料組織的殘余奧氏體含量；在超聲臨界折射縱波法中，利用超聲探頭測(cè)定縱波的速度差或時(shí)間差，并且，按照金屬材料的應(yīng)力與速度差、應(yīng)力與時(shí)間差的標(biāo)定曲線，計(jì)算殘余應(yīng)力，該方法測(cè)定的殘余應(yīng)力為5mm×5mm及以上區(qū)域的平均應(yīng)力，要求金屬材料試樣大小超過(guò)5mm×5mm，且該檢測(cè)技術(shù)可以獲取金屬材料的彈性模量。

1.1.4 成形性能檢測(cè)

在金屬材料物理性能檢測(cè)中，成形性能通常用于金屬板帶檢測(cè)中，成形性能的優(yōu)異程度直接影響金屬板帶的加工效果，進(jìn)而影響金屬板帶加工成本。在成形性能檢測(cè)中，可用檢測(cè)技術(shù)有以下兩種：

第一，沖壓車間檢測(cè)。在對(duì)金屬板材實(shí)施沖壓處理前，印好網(wǎng)格，沖壓處理后，測(cè)定網(wǎng)格的主應(yīng)變與次應(yīng)變；通過(guò)檢測(cè)設(shè)備測(cè)定金屬板材沖壓零件的FLD，分析金屬板材的成形效果，明確金屬材料的成形性能，為金屬板材應(yīng)用提供參考。

第二，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。選擇平直無(wú)變形的金屬板材為樣本，在金屬板材表面印制網(wǎng)格，通過(guò)Nakajima方法對(duì)金屬板材進(jìn)行處理，直到金屬板材破裂，完成實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)是指需在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成的物理性能檢測(cè)，包括密度、熱膨脹性等。

1.2.1 密度檢測(cè)

對(duì)于不同類型的金屬材料，對(duì)應(yīng)的密度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不同。本文以燒結(jié)致密燒結(jié)金屬材料為例，分析其密度檢測(cè)技術(shù)。GB/T3850-2015中明確密度測(cè)定原理如下：首先，將金屬材料試樣置于空氣環(huán)境中，稱量金屬材料試樣的重量；其次，將金屬材料試樣置于液體中，測(cè)量其重量，計(jì)算公式為（空氣環(huán)境下的試樣重量×液體在空氣中的密度）/液體環(huán)境下的試樣重量。在檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用中，檢測(cè)人員注意以下事項(xiàng)：

第一，在測(cè)定空氣環(huán)境中的試樣重量時(shí)，將試樣放置于測(cè)量裝置的上部吊簍中，要求吊簍的下部全部浸入液體內(nèi)，并且吊絲部分暴露在空氣中，部分浸入液體內(nèi)，在沒(méi)有氣泡的情況下測(cè)量試樣重量；第二，在測(cè)定液體環(huán)境中的試樣重量時(shí)，將試樣放置于測(cè)量裝置的下部吊簍中，僅允許吊絲露出液體表面，在沒(méi)有氣泡的情況下測(cè)量試樣重量；第三，如試樣重量低于10g，取值為0.1mg，如試樣重量超過(guò)10g，取值為稱重值的0.001%；第四，在試樣重量稱量時(shí)，要求液體溫度與環(huán)境溫度一致，根據(jù)液體在不同溫度的密度值，計(jì)算金屬材料密度[3]。

1.2.2 熱膨脹性檢測(cè)

在GBT4339-2008中，金屬材料熱膨脹性的檢測(cè)選擇推桿式膨脹儀檢測(cè)法，測(cè)定金屬材料的線性熱膨脹，線性熱膨脹是指金屬材料隨溫度變化出現(xiàn)的單位長(zhǎng)度變化，檢測(cè)溫度范圍為（-180）℃-900℃，通常以20℃為基準(zhǔn)起始溫度。在熱膨脹性的檢測(cè)過(guò)程中，需應(yīng)用膨脹位移測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、試樣載體與推桿。在檢測(cè)完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公司計(jì)算線性熱膨脹數(shù)值，完成金屬材料的性能檢測(cè)。

2 金屬材料物理性能檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

在合理選擇金屬材料物理性能檢測(cè)技術(shù)的同時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)注重檢測(cè)操作的規(guī)范性，提高檢測(cè)精度，保障檢測(cè)質(zhì)量。細(xì)化來(lái)說(shuō)，金屬材料物理性能檢測(cè)技術(shù)要點(diǎn)如下：

第一，規(guī)范金屬材料取樣。在實(shí)施金屬材料的物理性能檢測(cè)前，檢測(cè)人員根據(jù)檢測(cè)要求，選擇外觀與尺寸符合要求的金屬材料，并選擇合適的位置進(jìn)行取樣，做好標(biāo)記，避免試樣混淆，影響檢測(cè)結(jié)果。以鋼板材料為例，如產(chǎn)品規(guī)范或檢測(cè)合同對(duì)試樣無(wú)要求，則可在w/4（w為鋼板寬度）區(qū)域橫向切割鋼板，取樣坯。

第二，合理制備檢測(cè)試樣。在取樣完成后，應(yīng)按照物理性能檢測(cè)要求制備試樣，以保障檢測(cè)準(zhǔn)確性。例如，在密度檢測(cè)中，要求試樣體積超過(guò)0.5cm3，如試樣體積小于0.5cm3，則可將多個(gè)試樣組成一個(gè)試樣組，共同檢測(cè)，并在檢測(cè)前做好試樣的清潔工作，嚴(yán)禁試樣表面存在塵土或油漬；在熱膨脹性檢測(cè)中，要求試樣長(zhǎng)度為25mm±0.1mm，試樣的橫向尺寸控制在3-10mm，且不選擇帶有尖端的試樣，避免檢測(cè)過(guò)程中試樣出現(xiàn)變形，降低檢測(cè)精度；在維氏硬度檢測(cè)中，如試樣外形不規(guī)則或者檢測(cè)截面較小，對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌處理，便于檢測(cè)。

本研究選擇武漢市洪山區(qū)光谷地區(qū)部分城鄉(xiāng)結(jié)合部2006年、2009年、2011年3年的遙感影像(3期遙感影像購(gòu)買自中國(guó)遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)，都為6月份的數(shù)據(jù))作為初始數(shù)據(jù)，空間分辨率分別為2.4 m、2.4 m和2.0 m.為了滿足本研究需要，把研究區(qū)用地簡(jiǎn)單分為城市用地和非城市用地，具體詳見(jiàn)表1，土地利用類型分類參考參考文獻(xiàn)[1]中的分類標(biāo)準(zhǔn).

第三，遵循規(guī)范檢測(cè)流程。在金屬材料物理性能檢測(cè)中，檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的操作步驟有明確規(guī)定，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，會(huì)使整個(gè)檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題，降低檢測(cè)精度。就此，檢測(cè)人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范檢測(cè)流程實(shí)施檢測(cè)技術(shù)，以保障檢測(cè)質(zhì)量。以金屬材料的線性熱膨脹檢測(cè)為例，國(guó)標(biāo)中明確指出檢測(cè)流程，檢測(cè)人員應(yīng)嚴(yán)格按照該流程開(kāi)展檢測(cè)工作，具體如下：

（1）清洗組件。將熔融石英組件置于10%的氫氟酸水溶液中浸泡1min，再通過(guò)蒸餾水全面漂洗組件，且在測(cè)量完成后，檢測(cè)人員禁止用手觸摸組件，避免高溫條件下，熔融石英組件因堿性化合物污染，出現(xiàn)晶化問(wèn)題，影響檢測(cè)精度。

（2）準(zhǔn)備工作。在室溫條件下，測(cè)定金屬材料試樣檢測(cè)方向的原始長(zhǎng)度。在保障金屬材料試樣表面清潔的基礎(chǔ)上，將其置于膨脹儀內(nèi)，調(diào)整位置，保持穩(wěn)定；將溫度傳感器放置在金屬材料試樣中部，在確保試樣順利運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，盡量靠近試樣。檢查推桿、試樣等檢測(cè)器件可有效接觸；裝配膨脹測(cè)量系統(tǒng)，并將其置于爐內(nèi)。于推桿中施加一定荷載（0-1N），使推桿與試樣有效接觸。記錄溫度傳感器與位移傳感器的初始讀數(shù)。

（3）自動(dòng)測(cè)量。在設(shè)定的金屬材料測(cè)定溫度范圍內(nèi)，測(cè)定金屬材料試樣的膨脹值，直到溫度達(dá)到最高臨界值。以速率不超過(guò)5℃/min的恒定速度，進(jìn)行測(cè)量程序的加熱或冷卻處理，如對(duì)金屬材料熱膨脹性檢測(cè)精度要求較高，則恒定速度設(shè)置為3℃/min。在此過(guò)程中，連續(xù)記錄溫度傳感器和位移傳感器的數(shù)值變化。

（4）精密測(cè)量。通過(guò)階梯式升溫或冷卻方式，調(diào)節(jié)測(cè)量程序的溫度，根據(jù)位移傳感器顯示數(shù)值穩(wěn)定的時(shí)間，設(shè)置各點(diǎn)的保溫時(shí)間，要求保溫過(guò)程中，穩(wěn)定變化數(shù)值低于2℃，試樣內(nèi)的溫度梯度低于0.5℃/cm。在此過(guò)程中，保溫時(shí)間視為膨脹測(cè)試裝置與試樣總熱周量的函數(shù)。在不同恒定溫度下，讀取記錄溫度傳感器及位移傳感器數(shù)值。根據(jù)上述測(cè)量讀取的數(shù)值，按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，準(zhǔn)確檢測(cè)金屬材料的熱膨脹性。

3 結(jié)論

綜上所述，在金屬材料的物理性能檢測(cè)技術(shù)中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)包括硬度檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力檢測(cè)、成形性能檢測(cè)；實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)包括密度檢測(cè)與熱膨脹性檢測(cè)。為保障檢測(cè)精度，檢測(cè)人員規(guī)范金屬材料的取樣，合理制備檢測(cè)試樣，嚴(yán)格按照規(guī)范流程進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)揮金屬材料的物理性能檢測(cè)技術(shù)的作用，推動(dòng)金屬材料行業(yè)的健康發(fā)展。