金屬中氣體元素對材料性能的影響及檢測方法

蔣兵 　張寧 　馬琨巖

【摘 要】介紹了金屬中氣體元素的概念，綜述了氣體元素對金屬材料性能的影響以及金屬中氣體元素的測量方法。

【關鍵詞】氣體元素；金屬；性能；檢測方法

1.金屬中氣體元素的概念

金屬中氣體元素是指氫、氧、氮三種填隙式相元素，它們以溶液和剩余相夾雜物的形式處于固體的和熔融的金屬系統(tǒng)中。我國自1953年就已經(jīng)開展對金屬材料中氧、氮、氫三種氣體元素的研究[1]。隨著檢測技術的發(fā)展，碳、硫兩種元素可以通過化學反應能生成二氧化碳和二氧化硫氣體進行測定，所以也納入氣體分析的范圍。因此說金屬中的氣體元素就是指的碳、硫、氧、氮、氫五種元素。在金屬冶煉過程中及金屬產(chǎn)品制造過程中，氣體元素都或多或少的被引入進去，而這五種元素的存在會對金屬材料的性能造成重要的影響。近年來，隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，一些尖端的產(chǎn)品及技術需要較高質(zhì)量的金屬材料，因此為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對各種材料中氣體元素采取各種方法進行分析，掌握氣體在材料中的含量，研究其對材料性能的影響，為有效地進行控制提供依據(jù)，生產(chǎn)出滿足不同用途需要的產(chǎn)品。

2.氣體元素對金屬材料性能的影響

碳是金屬及其合金材料中的主要構成元素。碳在金屬及其合金材料中的含量、存在形態(tài)及所形成碳化物的形態(tài)、分布等對材料的性能起到極其重要的作用。碳含量在一定范圍內(nèi)對保持金屬的化學性能和力學性能非常重要，而隨著碳量的增加，金屬的硬度和強度會提高，韌性和塑性則會變差。

硫的存在會引起鋼的熱脆性，降低其力學性能，它對金屬的耐磨性、塑性、可焊接性等亦有不利的影響。例如鋼和生鐵中的含硫量直接影響到其產(chǎn)品的等級和牌號，生產(chǎn)低硫、低磷鋼是現(xiàn)代冶煉工藝追求的目標。碳、硫的含量是衡量金屬質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標。

氧含量對金屬材料的化學性能和力學性能影響很大，一般在做檢測時都要求金屬材料中氧的含量盡可能低，防止材料的氧化和銹蝕也是金屬的基本要求。如果氧含量增加，金屬的抗沖擊值大大降低、抗疲勞性能惡化，導致金屬材料的使用壽命會大大降低。優(yōu)質(zhì)鋼在生產(chǎn)中嚴格控制氧的含量，時速200km/h以上高速鐵路用重軌要求氧含量在0.0020%以下，一些高純金屬、高溫合金要求氧含量在0.001%以下，0號無氧鋼要求氧含量在0.0005%以下。

當金屬中氮含量超過一定限度并且在加熱升溫時會出現(xiàn)“藍脆”現(xiàn)象，金屬的塑性下降，脆性增加。同時含氮量較高時將使金屬的宏觀組織疏松，甚至產(chǎn)生氣泡；在硅鋼中含有氮化鋁將導致矯頑力增大和導磁率降低；較大尺寸的氮化鋁使簾線鋼在拉拔過程中增加斷絲率。但是，氮作為一種形成和穩(wěn)定的奧氏體能力很強的元素，其能力約等于鎳的20倍，在一定限度內(nèi)可以代替部分鎳。在不降低塑性的條件下，提高鋼的硬度、強度和耐腐蝕性；氮與鉻、鎢、鉬、釩、鈦等元素形成彌散穩(wěn)定的氮化物后，能大大提高鋼的蠕變和持久強度；對鋼件表面滲氮處理得到高彌散的氮化層，可以獲得良好的綜合力學性能，具有很好的耐磨和抗腐蝕性能。

一般情況下，進入金屬中的氫是極為有害的。金屬材料經(jīng)常發(fā)生的氫損傷現(xiàn)象，就是與氫有關的斷裂現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為材料的力學性能發(fā)生惡化：氫通過軟化或硬化機制改變材料的屈服強度，塑性明顯降低，誘發(fā)裂紋萌生，最后導致斷裂、滯后破壞、塑性-脆性轉(zhuǎn)變和低溫脆性斷裂等等。另外，氫在高溫下滲透性很強，鍛件及焊接件在制造過程中很容易產(chǎn)生各種氫致缺陷，焊縫中擴散氫含量是直接影響焊接接頭抗冷裂紋性能的主要因素之一。金屬中氫的含量很低，鋼鐵及合金中含氫量一般小于0.0010%，如果超過0.003%，會出現(xiàn)“白點”或“氫脆”，易發(fā)生脆性斷裂，裂紋在氫化物成核并擴展，嚴重影響鋼材的質(zhì)量。航空工業(yè)所用的鋁和鋁合金、鈦和鈦合金、鎳合金等材料對氫含量都有嚴格的要求，核電燃料元件制造過程中，核材料中氫的含量也是重要控制指標之一。

3.金屬中氣體元素的測量方法

氣體分析已成為分析化學的一個重要組成部分。氣體分析的方法有很多，早期測定氫、氧、氮、碳、硫主要采用顯微鏡法、電子光譜法、質(zhì)譜法、放射化學分析、內(nèi)耗法、核磁共振法、電導法，試樣轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的化合物的化學法等。不過由于早期技術水平的限制，大部分都是單一測量某一種氣體元素。隨著計算機技術的發(fā)展及其在氣體元素測量中的應用，氣體元素的分析有傳統(tǒng)的化學方法向儀器分析方法發(fā)展，由單一的氣體元素分析向多元素同時檢測的方向發(fā)展[2，3]。

目前我國很多企業(yè)都已經(jīng)推出各種品牌的氣體分析儀器。如北京納克、上海德凱、南京麒麟、無錫創(chuàng)想等儀器公司推出碳硫測定儀，北京納克分析儀器公司和上海寶英光電科技有限公司已經(jīng)推出氧氮測定儀。氫的分析方法，可分為氫的提取和測定兩個部分，國內(nèi)對氫元素的測量與國外還有一定的差距。美國力可公司已經(jīng)推出氧氮氫聯(lián)合測定儀，可實現(xiàn)對金屬材料中氧氮氫三元素快速準確的分析。

市場上對氣體元素分析的各種設備多達數(shù)十種，相應的分析方法也很多。目前功能最強、最方便的儀器就是紅外碳硫測定儀和氧氮氫聯(lián)合測定儀，因此這兩種儀器在氣體元素分析中的市場是最受歡迎。

紅外氣體分析技術發(fā)展迅速，它具備分析速度快、準確性好、范圍廣、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，特別在超低碳、硫含量的測定，非金屬材料碳、硫的測定方面有明顯優(yōu)勢，顯示出紅外氣體分析儀的獨特優(yōu)點。自八十年代以來，我國引進了多種型號的紅外碳硫分析儀 ，在生產(chǎn)和科研部門滿足了對常規(guī)碳硫的快速、準確的要求同時，國產(chǎn)的紅外碳硫儀不斷涌現(xiàn)，目前這種方法更趨完善。

高頻爐燃燒紅外線吸收法測定碳和硫的應用日趨廣泛，方法簡便、快速、準確度高。在高頻感應爐內(nèi)試樣通氧燃燒，此時樣品熔融完全，生成的二氧化碳、二氧化硫和氧氣混合氣體經(jīng)除塵、除水干燥，進入二氧化硫和二氧化碳紅外檢測器（紅外吸收池），測定其對特定波長（CO24.26μm，SO27.40μm）的吸收，根據(jù)其對紅外能吸收大小由朗伯-比耳定律分別計算碳和硫的質(zhì)量分數(shù)。紅外吸收法是一個相對測量方法，需用標準物質(zhì)或基準物質(zhì)在同條件下操作對分析儀器進行校準。

紅外線吸收法測定碳、硫的靈敏度高，測量范圍寬，可準確測定鋼鐵和合金中低至0.0005%的痕量碳和硫。紅外線吸收法廣泛用于金屬及其合金、非金屬材料、礦石等原輔材料中碳、硫量的測定。紅外線吸收法通常采用高頻感應爐加熱，其爐溫高，在短時間內(nèi)將試樣熔融燃燒，溫度達1700～2000℃，有利于難溶試樣和低含量碳、硫的測定。

氧氮氫聯(lián)合測定儀采用惰性氣體高溫熔融法將金屬材料中的氧氮氫三元素分解出，采用五個檢測池分別檢測氧氮氫三元素的含量。其中有三個獨立紅外檢測池檢測氧，同時檢測CO和CO2，然后再轉(zhuǎn)化為CO2集中檢測，不僅可以保證中間量程的測量精度，在超低含量和高含量的檢測范圍內(nèi)同樣可以滿足精度要求，插拔式集成一體化設計，無移動部件。無需操作人員調(diào)整檢測器輸出電壓，軟件實時調(diào)節(jié)檢測器輸出電壓并保持最佳輸出值。

熱導檢測池專門檢測氮元素含量，原裝的流量補償控制系統(tǒng)，保證了流量系統(tǒng)的完善，可以精確控制整個氣路中的流量，保持流量恒定，改善了材料中高含量氧分析的準確度，特別對高氧低氮的試樣，只有配置這樣的流量補償裝置才能保證測量精度。

專業(yè)的高靈敏度的固態(tài)紅外吸收檢測池或熱導檢測池用于檢測氫元素，保證其檢測精度的同時，真正實現(xiàn)了氧氮氫三元素的聯(lián)測。

4.結語

目前氣體元素的檢測在金屬材料中非常重要，隨著科技的發(fā)展，非常多的檢測方法和檢測設備用于檢測金屬材料中氣體元素的含量。我國氣體元素檢測設備也用長足的發(fā)展，尤其是碳硫檢測儀已經(jīng)達到了國際水平，而氧氮氫的聯(lián)合檢測設備與國外先進水平還有一定的差距。另外國外檢測設備的價格比較昂貴，如何在保證檢測準確度和穩(wěn)定性的情況下降低設備的成本價格也是國內(nèi)企業(yè)需要考慮的問題。

【參考文獻】

[1]李婷，劉頌禹.金屬中氣體分析進展[J].冶金分析，1999，6：35-39.

[2]朱躍進，李素娟，鄧羽.樣品制備對金屬中微量氧、氮、氫分析結果的影響[J].冶金分析，2008，8：40-43.

[3]黃琴，于健，李恩春.紅外吸收法測定超低碳鋼中的碳硫[J].新疆鋼鐵，2012，3：54-57.