理化檢測在金屬材料研究中的地位與作用

摘要 金屬材料的性能取決于它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探討其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系是金屬材料科學(xué)中重要的基礎(chǔ)性研究工作。而金屬材料的內(nèi)部構(gòu)同其性能間關(guān)系的研究與確立，則是通過理化檢測研究和檢測工作的參與得以實(shí)現(xiàn)。通過理論和實(shí)例的闡述，提出了理化檢測是金屬材料研究的重要組成部分的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞理化檢測;金屬材料;結(jié)構(gòu);地位

中圖分類號TB302.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號1673-9671-(2009)111-0089-01

在金屬材料研究中，要了解金屬材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能，必須通過理化檢測手段及其檢驗(yàn)理論研究予以解決，而且金屬材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的相互關(guān)系及其變化規(guī)律的研究與確立，也系通過理化檢測的研究和測試工作的參與而得以實(shí)現(xiàn)的。因此對理化檢測在金屬材料研究中的地位和作用有一個不斷認(rèn)識的問題。筆者就理化檢測的工作的性質(zhì)、研究內(nèi)容和所解決的金屬材料研究中的問題等方面談點(diǎn)認(rèn)識和看法。

1理化檢測在金屬材料研究中的研究內(nèi)容

金屬材料科學(xué)組要是研究金屬材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間相互關(guān)系及其變化規(guī)律的科學(xué)。熱力學(xué)、動力學(xué)、固體物理、固體化學(xué)、化學(xué)物理等基礎(chǔ)學(xué)科為金屬材料科學(xué)提供理論基礎(chǔ)。金屬材料的性能主要取決于金屬材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，金屬材料的結(jié)構(gòu)又取決于金屬材料的組成、工藝參數(shù)等因素。因此，在金屬材料研究中，必須深入探討金屬材料的性能與其組成、結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等因素相互間的內(nèi)在聯(lián)系，以確定合理的金屬材料組成和最佳的制備工藝、加工工藝和處理工藝，從而獲得最理想的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能，以滿足使用的要求。

在金屬材料的組成研究中，對金屬金屬材料和無機(jī)非金屬金屬材料的主量和痕量元素的測定，應(yīng)用較為普遍的方法有原子光譜法、分子光譜法、電化學(xué)法和常規(guī)化學(xué)法;對高分子的分析，則需要有諸如常規(guī)的有機(jī)化合物的元素分析、紅外光譜、核磁共振、質(zhì)譜、熒光光譜拉曼光譜等方面的配合。對其結(jié)構(gòu)研究，通常以光學(xué)顯微鏡觀察其基體組織及形貌;以工業(yè)CT觀察其金屬材料內(nèi)部的微孔洞、裂紋和夾雜物的形態(tài);以透射電鏡觀察其斷口形貌、析出相的形態(tài)，借助于能譜或波譜檢測，還可給出各相的大致成分;以X射線衍射和選區(qū)電子衍射法，鑒定第二相的晶體結(jié)構(gòu)、取向和應(yīng)力;電子探針能將相的形貌與成分聯(lián)系起來，可表征微區(qū)域成分的相對變化;X射線光電子能譜、X射線熒光光譜、X射線衍射技術(shù)，可研究金屬材料的晶態(tài)、異構(gòu)觀像及其中元素的價態(tài);自射線攝照技術(shù)用以研究元素及其形成相在基體中的分布;熱分析可了解金屬材料晶體和無定形結(jié)構(gòu)的關(guān)系;質(zhì)譜能精確地測定有機(jī)高分子的分子量、給出分子式和其他機(jī)構(gòu)信息;核磁共振波譜、質(zhì)譜與色譜的聯(lián)用、質(zhì)譜自身的串聯(lián)、激光拉曼光譜與紅外光譜研究有機(jī)結(jié)構(gòu);傅里葉變換-紅外光譜和色譜的聯(lián)合，被譽(yù)為鑒定有機(jī)結(jié)構(gòu)的“指紋”;激光微探針質(zhì)譜可獲得有機(jī)物元素的局部形態(tài)和有機(jī)物的機(jī)構(gòu)信息;以電子能譜、二次離子質(zhì)譜、脈沖激光原子探針、俄歇電子能譜、X射線光電子能譜、X射線衍射和X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)技術(shù)等，研究表面與異質(zhì)界面原子的幾何結(jié)構(gòu)，表面與界面原子的遷移和擴(kuò)散，表面電子態(tài)、異質(zhì)界面化學(xué)鍵，異質(zhì)界面擴(kuò)散反映和界面化合物的形成動力學(xué)，異質(zhì)界面的浸潤性、薄膜形成機(jī)制和界面失效等等。

在理化檢測領(lǐng)域中，尚有一門研究金屬金屬材料中第二相的類型、結(jié)構(gòu)、組成、數(shù)量、形態(tài)、分布狀態(tài)及合金元素在相際間的分配，進(jìn)而建立其合金系同相組成以及相組成同合金性能之間的關(guān)系，并可應(yīng)用于他類金屬材料的物理-化學(xué)相分析科學(xué)。當(dāng)然，在金屬材料研究中，金屬材料學(xué)科學(xué)家正在依靠科學(xué)理論及配合以高效率計(jì)算機(jī)工具，探索著金屬材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的工作，并從其化學(xué)元素組成預(yù)測高溫合金的某種性能、有機(jī)大分子的分子設(shè)計(jì)、復(fù)合金屬材料的組織設(shè)計(jì)和基于線彈性斷裂力學(xué)對與一定尺度以上裂紋長大與傳播過程來預(yù)測壽命的方法方面獲得一些成效。但由于金屬材料結(jié)構(gòu)和性能影響因素的復(fù)雜性和純理論的局限性，要完全以“設(shè)計(jì)”和“預(yù)測”來代替其實(shí)際的理化檢測研究和檢測工作是不可能的。

2 解決金屬材料研究中具體問題的實(shí)例

⑴ 通過對析出相的類型、結(jié)構(gòu)、組成與含量的研究，定量地研究了多種高溫合金的時效過程中相的析出、溶解規(guī)律和相變規(guī)律及其組成與各有關(guān)相間地關(guān)系、各相與性能間地關(guān)系。在對這些關(guān)系和規(guī)律的研究，選擇并確定了某些高溫合金有關(guān)合金元素的用量、熱處理制度，探討了其組織的穩(wěn)定性及其合金化機(jī)理和強(qiáng)化機(jī)理、失效原因等內(nèi)容。

⑵ 針對50硼鋼出現(xiàn)的脆化現(xiàn)象，通過對硼在鋼中的存在狀態(tài)與分布情況，對硼相結(jié)構(gòu)、組成與形成、溶解規(guī)律，測硼方法的系統(tǒng)研究，提出了Fe23(C，B)6相沿晶界析出的硼脆機(jī)理和通過高于950℃固溶處理，并結(jié)合快速冷卻，以達(dá)到消除或改善硼脆的措施。根據(jù)這種情況，國家對測硼方法進(jìn)行統(tǒng)一，改訂了50硼鋼標(biāo)準(zhǔn)。

⑶通過錳的加入量的變化對93W-Ni-Fe-Co合金力學(xué)性能的影響，以及對合金中鎢顆粒和粘結(jié)相的含量與組成，合金的顯微組織與斷口形貌，錳同氧、硫等原子的分布狀態(tài)及其所形成夾雜物的類型、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺寸及分布的系統(tǒng)研究，提出了錳在W-Ni-Fe-Co系重合金中晶界凈化的作用機(jī)制，以及借加入某一或某些可凈化鎢顆粒/粘結(jié)相界面的合金元素，以提高鎢顆粒同粘結(jié)相間的結(jié)合強(qiáng)度，是提高其合金塑性和韌性的一種有效途徑。

⑷ 通過對93W-Ni-Fe-Co(Mn)合金切屑以氧化還原法所得回收粉的化學(xué)純度、粒度、各組分的結(jié)合狀態(tài)及其可回收粉所制再生合金得力學(xué)性能間關(guān)系的系統(tǒng)研究，探明了回收粉中主要組分不是以單質(zhì)形式，而是以W[Ni，F(xiàn)e，Co，(Mn)]顆粒和γ-[ Ni，F(xiàn)e，Co，(Mn)]粘結(jié)相之狀態(tài)存在。所以當(dāng)回收粉燒結(jié)成再生合金時，使合金中各金屬原子間的擴(kuò)散作用進(jìn)行得更為充分，使其再生合金中粘結(jié)相自身及其分布的均勻性以及鎢在粘結(jié)相中和鎳、鐵和鈷在鎢顆粒中的溶解度均得以提高，進(jìn)而使粘結(jié)相的自身強(qiáng)度和粘結(jié)相與鎢顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度為之增高，從而提高了再生合金的力學(xué)性能可優(yōu)于原始合金的機(jī)理依據(jù)。

3 結(jié)論

理化檢測學(xué)是研究建立物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性能的測試方法，并提供其結(jié)果信息的科學(xué)。它在金屬材料研究中，為金屬材料提供其組成、結(jié)構(gòu)和性能的準(zhǔn)確結(jié)果，參與金屬材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能間相互關(guān)系及其變化規(guī)律的研究與確立。所以，理化檢驗(yàn)是金屬材料研究的重要組成部分。

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