金属材料元素分析
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金属材料元素分析范文第1篇
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）．
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[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）．
金属材料元素分析范文第2篇
关键词：涂层；盐雾试验；耐蚀性
1 概述
1.1 研究意义
近年来，随着建筑行业的迅速发展，人们对金属材料的耐蚀性要求越来越严格。本研究采用中性盐雾腐蚀试验法对金属材料耐蚀性影响的几个关键因素进行了研究，旨在为鉴别金属材料的优劣，提升其耐蚀性提供理论依据。
1.2 研究现状
目前，人们对金属材料的耐蚀性的要求越来越严格，中性盐雾腐蚀试验因其试验条件比较严酷，更接近使用条件，操作相对简便，从而成为金属材料耐蚀性的主要的检测方法。为有效提升金属材料的耐蚀性，并具有可操作性地实现对金属材料防腐处理的实施性评价，盐雾腐蚀试验作为金属材料耐蚀性的重要的检测方法之一，广泛地被各国采用。
1.3 发展方向
关于金属盐雾试验的研究已取得了不少可喜成果，纵观它的发展，我们可以预计这一领域将会展现出更加令人瞩目的发展前景。本文研究金属材料中性盐雾腐蚀试验方法。通过单因素试验，分析金属材料表面涂层的均匀性、涂层的层数、涂层的组织结构对金属材料耐蚀性的影响。
2 试验部分
2.1 中性盐雾试验步骤
检验调整pH到6.5-7.2，清洁试样表面，放入试验箱内对应的位置，设置试验参数，检测并调整溶80cm2的水平面积的平均沉降率达到1.5mL/h±0.5mL/h，开始进行试验。试验期间，保持观察试样表面是否生成红锈至试验结束，并得出试验结论。
2.2 单因素对金属材料耐蚀性影响的试验设计
2.2.1 涂层的均匀性对金属材料耐蚀性影响的试验设计
本组试验采取5批样品，来自5个厂家。每批样品为2根。每批次2根的样品的尺寸和组织结构，涂层的层数和厚度均为一致下，分别按照规范要求的试验条件，1000h的试验周期进行试验。试样1为涂抹不均的，表面明显有孔隙，试样2为表面涂层均匀性较为良好的，无明显孔隙。得出的试验结果如表1。
2.2.2 涂层的层数对金属材料耐蚀性影响的试验设计
本组试验采取5批样品，来自5个厂家。每批样品为2根。每批次2根的样品的尺寸和组织结构，涂层的均匀性和厚度均为一致下，分别按照规范要求的试验条件，1000h的试验周期进行试验。试样1为单层涂层，试样2为双层涂层。试验结束后得出的试验结果如表2。
2.2.3 涂层的组织结构对金属材料耐蚀性影响的试验设计
本组试验采取5批样品，来自5个厂家。每批样品为2根。每批次2根的样品的尺寸和涂层的层数和厚度、均匀性均为一致下，分别按照规范要求的试验条件，1000h的试验周期进行试验。试样1为涂金的单一元素的涂层，试样2为涂镍+金+镍+金的交叉涂层。试验结束后得出的试验结果如表3。
3 讨论与分析
3.1 涂层的均匀性对金属材料耐蚀性的影响
从表1数据可以看出，涂抹不均的，表面明显有孔隙的样品均出现明显红锈，表面涂层均匀性较为良好的，无明显孔隙的则均未出现红锈。随着涂层均匀性越来越好，金属材料在盐雾腐蚀试验表现出的耐蚀性就越强，这是由于涂层的表面涂抹不均，有较多空隙时，会产生孔蚀现象，孔的下端盐水会集聚，从而盐水会流下样品表面，造成腐蚀加剧，样品表面就会出现锈蚀。
3.2 涂层的层数对金属材料耐蚀性的影响
从表2数据可以看出，单层涂层的样品均出现明显红锈，双层涂层的则均未出现红锈。随着涂层层数的增加，金属材料在盐雾腐蚀试验表现出的耐蚀性也相对应的增强，这是由于双层涂层，在最外的第一层受到腐蚀后，还有第二层涂层保护金属材料不受腐蚀。
3.3 涂层的组织结构对金属材料耐蚀性的影响
从表3数据可以看出，涂金的单一元素的涂层的样品均出现明显红锈，涂镍+金+镍+金交叉涂层的则均未出现红锈。随着涂层化学元素镍的增加，金属材料在盐雾腐蚀试验表现出的耐蚀性也相对应的增强，这是因为金属材料的耐盐雾腐蚀能力与涂层的组织结构有关，有些合金元素可显著提高金属材料的抗孔蚀性能，因此，增加了这些元素后的金属材料涂层，就更耐蚀了。
4 结束语
从本文可以得出，良好的涂层才能增强金属材料的耐蚀性，也就是表面的涂层具备一定的厚度，双层结构，均匀性要良好，还要添加一定的化学元素增加耐腐蚀性能。对苛刻的腐蚀环境，在力学性能和物理性能允许的情况下，应尽量满足耐蚀性的要求。
参考文献
[1]ISO 9227：2006 IDT Corrosion tests in artificial atmospheres-Salt spray tests.
[2]杨清.浅谈盐雾试验[D].上海：上海交通大学.
金属材料元素分析范文第3篇
金属材料在工业制造领域应用广泛，不同的应用环境对金属材料的性能也会有不同的要求。金属材料根据组成元素和结构的不同，可以分为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料。金属材料的性能会随着组织结构的变化而变化，在工业生产中要控制好金属材料的组织结构，以得到具有特定性能的金属材料。
关键词：
金属材料；组织结构；性能指标
在人类的生产生活当中，钢材、铝合金等金属材料起到了基础支撑性作用。当今时代的发展和进步离不开对新材料的开发和应用，人类通过不断认识和制造出新的金属材料，实现科技的进步和发展。然而，金属材料的性能受到多种因素的影响，其中影响金属材料性能的一个因素就是金属材料的组织结构。在对金属材料的生产制造中，要正确认识金属材料内部组织结构与结构性能的关系。通过调控好金属材料的组织结构，使金属材料获得特定的性能，满足人们的生产生活需要。
1金属材料的分类与简介
金属材料是指以金属元素为主要组分构成的具有金属特性的一类材料的统称。金属材料是现代制造业的基础，金属材料的性能和质量直接关系到机械制造业的发展。根据金属材料的组成和性能不同，金属材料大致可以分为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料三类材料。
1.1黑色金属材料
黑色金属材料是指以铁、铬和锰为主要元素组成的金属类材料，包括碳钢、铸铁及精密合金等。黑色金属材料在人们的日常生产生活中应用最为广泛，也是工业建设活动中所使用的基础性材料。黑色金属材料的产量占到了所有金属材料总产量的95%以上，是最为常见的一类金属材料。以铁基材料来说，根据材料中的含碳量不同，可以分为三大类型。一是工业纯铁，这类材料的含铁量达到99%以上，含碳量小于0.02%。工业纯铁又称为熟铁，具有银白色金属光泽，质地相对较软，不能用于制造刀剑、铁犁等常见工具。二是钢材，其是含碳量在0.03%～2%的铁碳合金。碳钢是最常见的钢铁材料，冶炼方便，具有一定的结构强度，适用于大多数金属制品的制造。三是铸铁，其是含碳量为2%～4.3%的铁碳合金材料，铸铁的质地硬而脆，但耐压耐磨[1]。由上述分析可以看到，同样是铁基金属材料，含碳量的不同会造成金属材料差异巨大。
1.2有色金属材料
狭义的有色金属材料是指除了铁、铬锰之外的金属材料，广义的有色金属材料还包括各种有色金属合金。在当代社会，新的科技设备对金属材料的性质有着特殊的要求，有色金属材料的产量和用量虽然很小，对各种新产品的性能却起着至关重要的作用。在全球范围来说，有色金属的储量要远小于黑色金属，因而只有在特殊的工业制品中才会用到有色金属材料。有色金属材料通常可以分为轻金属、重金属、半金属、贵金属、稀土金属和稀有金属。与传统的黑金属材料相比，有色金属材料的加工制造难度较大，在生活中应用较少。有色金属材料通常应用于特殊产品如导弹、卫星、潜艇和雷达的制造当中。
1.3特种金属材料
特种金属材料是近年来新开发的一类特殊的金属材料，在生产生活中应用更为稀少，它们是具有特殊用途、结构和功能的金属材料。根据内部结构的不同，特殊金属材料可以分为准晶态、非晶态和纳米晶态等金属材料。特殊金属材料现阶段仍然处于研究开发阶段，在日常生活中应用较少，目前主要应用于航天制造等尖端科技产品的制造当中。
2金属材料的内部组织对性能的影响
金属材料往往具有一定的硬度，具有良好的导电导热性能，正是基于这些特性，金属材料在人们的生产生活中得到了广泛的应用。金属材料的结构性能与内部的组织结构关系巨大，在金属材料的制备过程中可以通过调控金属材料的内部组织结构，达到改变金属性能的目的。
2.1晶粒对金属材料力学性能的影响
金属的力学性能又称为金属的机械性能，也是钢筋等常规金属制品最为关注的结构特性。金属材料的力学性能包含多方面的指标，包括强度、韧性、塑性和弹性等。只有掌握了不同金属所具有的特定性能，在金属加工制造过程中才能合理地选择恰当的金属材料。纯的金属材料属于晶体，不同类型的金属材料其内部的晶粒大小、形状和晶体内部缺陷不同，这些组织结构特性会影响金属的力学性能。金属内部的晶粒越小，晶体的韧性就越高，塑性越好[2]。
2.2金属的同素异构转变对金属性能的影响
在现代化冶金技术的发展下，合金被大量的加工和使用。以铁碳合金来说，其基本组织结构有多种形态，在不同的要求下要选择不同的合金材料。铁素体在常温环境下性能接近纯铁，但是强度和硬度相对较差；奥氏体的结构强度和硬度较强，同时可塑性也较好；回火索氏体各项指标较为平均，综合性能较好。由此可见，同种元素组成的金属材料在不同的加工工艺的影响下，所得到的材料的性能差异很大。控制金属的同素异构体的特性是控制金属性能的有效途径。
3结语
金属材料是人类生产生活的基础性材料，在工业制造领域得到了广泛的应用。金属材料可以分为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料。金属材料的性能受到金属的组织结构性能的影响，通过调控金属材料的内部组织结构可以对材料的各项性能进行有效的调控。金属材料内部的晶粒大小和结构、金属材料的同素异构转变都会对金属材料的性能产生巨大的影响。
参考文献：
[1]张炯.阐述金属材料组织和性能之间的关系[J].科技创新与应用,2016,6(3):81.
金属材料元素分析范文第4篇
关键词：化工设备；金属材料；碳素钢；合金材料
1.简介
化工生产是一个简单的词汇，但是这个词汇中却包含着各种复杂以及研究者的辛酸与无奈，从各种化合物到另一种物质提纯萃取乃至简单合成！[1]每一个化学反应步奏所带来的酸碱性都不一样，温度压力也会有变化或是放热反应或是吸热反应，所以不同性质的反应在不同时间对化工设备具有一定的腐蚀性。所以在不同反应阶段设备所需要用到的主体金属材料也是不一样的。是防酸防碱防高温防低温都会有一定的具体要求，减少腐蚀产生的不必要的灾害！这些都是研究金属材料，特别是化工设备所用金属材料的研究者们所要考虑的首要问题。离开了这些因素完全是背道而驰，要生产出好的产品先决条件就是有一套配置良好的化工设备。尽量规避因为化工设备所带来的影响因素。因为如果对化工所用材料掌握不够，掌握不全面就会造成选择的不会合理，不合理的后果就是导致材料浪费成本增加，产生事故等等[2-3]。
在目前我国国内所使用的化工设备使用的比较多的主要是塔器，除此之外就是换热器以及冷凝器常用的分离器等等。对于这些化工设备主要运用的是碳素钢，以及比较常见的低合金钢以及不锈钢。我们所用的金属材料的性能包括以下几方面。我们所在乎的无非就是这几个性能的综合利用而已。
1.1力学性能
何为力学性能，力学性能的主要指标是什么，这些指标才是我们所需要控制的东西。第一就是强度，作为化工设施的主体金属材料一定要先考虑这一个方面。也就是构件抵抗外载荷而不被拉坏的能力。在化工设备中如果利用强度达不到的金属，就会浪费原材料。同样的在极限强度内长度也是有一定的影响的，长度太长就会达不到强度的要求，同时也会相对的增加运输以及安装保养的费用及难度。第二一个就是硬度，所谓的硬度其实就是局部的一个抵抗力，也可以说是弹性、强度、塑性的一个综合指标。硬度有三种表示方式，分别是布氏硬度就是我们平常所用的HB，洛氏硬度即HRC或HRB，以及维氏硬度HV[4]。
1.2物理性能
我们所说的，主要关注的物理性能包括线膨胀系数、熔点、磁性、导电性、热导率、泊松比、密度、比热容、弹性模量等诸多方面的内容。
1.3化学性能
由于用于化工设施主体的大部分金属材料都得在强酸或者是强碱的环境下进行，所以耐腐蚀性显得尤为重要，主要表现出了金属以及合金对酸碱的耐腐蚀能力。其次与空气接触，在高温的工作环境下就涉及到耐氧化性能，在高温工作环境下一班要耐热性以及耐高温性能比较突出。
1.4加工工艺性能[5]：
这一个方面的性能主要包括可切削加工性、焊接性、可锻性、可铸性等几个方面的内容。
2.碳钢与铸铁
2.1铁碳合金
平时使用的铁碳合金主要包括铁、碳以及杂质几个方面，三者所占的比例分别为>95%，0.05%-4%，1%。①通常情况下，碳比例处于0.02%-2%范围内的，这样的叫做钢；②要是碳比例在2%以上，这样的叫做铸铁；③要是碳比例在0.02%以下，这样的叫做工业纯铁；④碳比例在4.3%以上的铸铁性质非常脆[6]。
2.2组织结构
2.2.1金属的组织与结构即在金相显微镜下观察到的金属晶粒；电而我们所说的金属的结构就是指金属是由排列规则的金属原子所组成的，我们在金相显微镜下面所看到的即为晶体结构。各种类型的铁的空间结构存在一定的差异，不同温度下纯铁体心立方晶格[7]塑性要优于面心立方晶格，但是前者的强度要比后者强。
2.2.2我们经常会提到α-Fe以及β-Fe，两者分别指的是纯铁的同素异构转变体心与面心立方晶格的纯铁。前者经由加热之后就能够转化成后者，与之相反，高温下的后者在冷却之后则能够转换成前者。所谓同素异构转变，即指在固态下晶体的构造随温度而改变。
碳钢的碳在铁中主要是以化合物、固溶体、混合物3个形式存在。
固溶体：在固态下彼此溶解的2种及以上的元素，但是依旧具有溶剂晶格过去的形式的物体。上述3个形式，共同构建起各种类型的碳钢组织。
铁素体即指碳在-Fe中溶解之后所得到的固溶体。 -Fe具有相对较小的原子间隙、硬度、强度，同时具有相对较低的溶碳能力低，然而其韧性与塑性非常不错。含铁素体的钢为低碳钢，其性能软而韧 [7-9]。
奥氏体：即指碳在α-Fe铁中溶解之后得到的固溶体。
渗碳体：即Fe3C，是指铁与碳两者形成的化合物。其具有相对较高的硬度，其熔点处于 左右，其没有塑性。铁碳合金含碳量在2%以下时，在这种情况下，其被称为碳素钢。含碳量在2%以上时，在这种情况下，有的碳的存在形式为石墨，这样的叫做铸铁。塑性与抗拉强度两者均小于碳钢。然而铸铁却具备或多或少的消震能力。
奥氏体渗碳体和铁素体两者的混合物。其具有的力学性能处在两者之间，也就是它的硬度与强度都明显高于铁素体；其韧性与塑性都不如铁素体抢购，然而要明显优于渗碳体。莱氏体初次渗碳体与珠光体的共晶混合物。其硬度相对偏高，作为金相组织，其相对偏粗且硬，主要是在高碳钢、白口铸铁里面存在。
马氏体：铁与钢自高温骤然冷却而形成的组织，C在α-Fe里面过饱和之后形成的固溶体。其硬度非常高，然而却非常脆，具有相对较低的延伸性，无法承受冲击载荷。
2.2.3铁碳相图
铁碳相图直观的反映了铁含量、碳含量与温度三者之间的关系[10]，可以直白的看到某一温度区域所含的化学成分。由于铁碳相图的测定绘制，我们可以很容易的确定的说出某温度下的组成成分，为我们所需要的合成的合金做出了准确的指导。
2.2.4钢的热处理：铁、钢在固态下保温、加热与通过各种冷却方式进行处理，从而能够实现金相组织的改变，以达到所需的性能，这个过程叫做热处理。退火就是指缓慢加热到某个温度，然后在一定时间范围内对其进行保温，接着任其随炉冷却。对钢的热处理旨在使晶粒细化，最终使其力学性能有所提升；同时还为了使其硬度降低，使钢的塑性提高，从而能够为后期加工提供有利条件；除此之外，还为了将部分内应力消除，以避免工件发生变形损坏。
2.2.5碳钢其中会存在一系列的杂质，这些杂质会影响材料的性能。具体来说，杂质主要有S、P、Mn、Si、O、N、H等。其中S、P、O属于有害元素，而Si、N则属于有益元素。
（1）S这种属于有害元素。有硫元素的存在会与铁形成化合物。钢材1150-1200℃热加工，就会太早熔化，最终使得工件开裂，这种现象叫做热脆。对于高级优质、优质以及普通三种钢来说，其含有的S分别是：
（2）P其存在的优点是可以提高硬度与强度，然而其不足之处是使冲击韧性、塑性大幅下降。特别是当温度相对较低的时候，能够使使钢材的脆性明显提高，我们将其叫做冷脆。对于高级优质、优质以及普通三种钢来说，其含有的P分别是：小于0.025%；小于0.04%；小于0.085%。
（3）Mn这种元素属于脱氧剂。在 温度条件下，其能够与S结合成硫化锰MnS，因此能够在一定程度上将S元素的有害功能消除。同时，Mn元素的脱氧能力相对较好，能够在一定程度上使钢的品质改善，特别是能够使其脆性降低，最终使其硬度与强度提升。Mn低于 时，在这种情况下，我们将其看做为常存杂质。对于优质碳钢来说，其中含有的Mn往往处于 范围内；而对于高锰结构钢来说，其含有的Mn处于 范围内。
（4）Si 脱氧剂。其可以和氧化亚铁形成一种硅酸盐从而被从炉渣中除去。硅元素的优点在于溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。
（5）O有害元素。氧元素在高温时中加入结合诸多元素形成氧化物，是一种有害的元素，所以后期的处理过程中在炼钢末期要加入各种元素来除去氧元素。氧化物的存在会使得塑性与强度有所减小。尤其是能够在很大程度上影响到冲击韧性、疲劳强度等。
（6）N 当其加热至 时，就能够析出（氮化物），这样就使强度与硬度增加，然而使其塑性有所降低，发生时效。如果想将时效消除，则能够通过固氮处理的方式实现，也就是添加Ti、Al或V。
（7）H白点、变脆等不足。白点：组织缺陷处扩散氢，时间长；变脆：氢化物变形小。
2.2.6碳素钢 按照用途分可以分为工具钢、轴承钢、弹簧钢、结构钢、特殊性能钢；根据含碳高低对其进行划分，主要包括高、中、低三种类型；根据品质对其进行划分，主要包括高级优质、优质与普通三种类型；根据脱氧方式对其进行划分，主要包括沸腾钢与镇静钢两种类型。
2.2.7碳钢的品种及规格
（1）钢板 4-6，6-30，30-60mm厚度间隔分别是0.5，1，2mm。通常情况下，碳素钢板材主要包括 Q235-A、Q235-A・F、 等几种类型。
（2）钢管 主要包括无缝与有缝2类，其中，前者主要包括冷、热轧2类。一般情况下，普通无缝钢管常用材料为 等。还存在专门用途的无缝钢管。而后者主要包括黑白铁管2类。
（3）型钢主要包括槽钢、工字钢、角钢、扁钢、方钢与圆钢等诸多类型。其中，前三种钢能够制作不同类型的设备的支架、塔盘支承与加强结构；扁钢一般是在制备不同类型的桨叶中使用；而后两种钢通常在在各种轴件的生产中使用。
（4）铸钢与煅钢前者以 ZG来描述，主要有 等，主要是应用在生产不同承受重载荷的复杂零件之中，包括泵叶轮、泵壳等。后者主要存在 等诸多类型。对于石油化工容器来说，其主要是通过20、25等来生产顶盖、法兰、管板等。
2.2.8铸铁其中C元素的比例超过2%，具有许多杂质，例如硫、磷、锰等。其属于脆性材料，具有相对偏低的抗拉强度，然而其切削加工性、减振性、耐磨性、铸造性等性能相对较好。在许多介质林木具备非常不错的耐腐蚀性。其主要包括可锻铸铁、灰铸铁等诸多类型。
3.合金钢
将一定量的合金元素加到碳钢里面，获得新的性能或者使其某方面的性能有所改善。
3.1分类
根据合金元素总含量对其进行划分，主要包括以下三种类型：也就是低（小于5%）、中（处于5%-10%范围之间）、高合金钢（大于10%）三种。
对于高合金钢来说，根据其用途对其进行分类，主要将其分成以下几种：
（1）表面硬化钢、调质结构钢、合金结构钢；非调质结构钢、低碳马氏体钢。
（2）特殊性能钢。
（3）合金工具钢。
3.2合金元素对钢的作用
耐热钢与不锈钢等现阶段应用最普及的合金元素包括：Cr，Mn，Ni，Si，B，W，Mo，V，Ti，Re等诸多类型。
（1）Cr使抗氧化性与耐腐蚀提高。其含量处于13%的时候，在这种情况下，可以在很大程度上提高耐腐蚀性，同时能够使钢的热强性增加。使其淬透性提升，使其耐磨性、硬度与强度大幅提升，然而还能够使其韧性与塑性所有减小。
（2）Mn能够使低温冲击韧性与强度增加。
（3）Ni能够使淬透性增加，具备非常高的强度，同时还能够具有非常不错的韧性与塑性。
3.3各种合金的主要性质
（1）铜合金黄铜：也就是Cu和Zn两者形成的合金。白铜：Ni的质量分数含量在50%以下的Cu、Ni合金叫做简单白铜，在此基础上，添加Mn、Fe、Zn、Al等，则叫做复杂白铜。青铜：其它合金。锡青铜是Cu和Sn的合金；而Cu和Al、Si、Pb、Mn等的合金则叫做无锡青铜。
（2）Ti及其合金Ti具有相对较小的ρ（ ）与相对较好的耐腐蚀性，同时还具有相对较高的熔点与强度。工业纯钛牌号主要包括 TA0、TA2、TA3（需要注意的问题是，其编号越高，表示所含有的杂质越多）。纯钛具有非常不错的耐腐蚀性与加工性能。Ti同时还属于非常理想的耐热材料。在Ti里面加入Mn、Al或Cr、Mo等，能够得到具有非常良好的性能的合金。
（3）Ni及合金具有相对较高的塑性与强度，同时还具有非常不错的可锻性与延伸性。并且具有非常理想的耐腐蚀性，主要在生产碱介质处理化工设备中应用。现阶段，业界最为普及的是 蒙乃尔耐蚀合金，其可以于500℃高温时仍然具备相对较高的力学性能，可以在低于750℃高温条件下抗氧化，在有机、盐、非氧化性酸溶液里面，其耐腐蚀性高于纯Ni、纯Cu。
（4）Al及其合金强度小、硬度低，通常情况下，不适合单独当做设备材料，仅仅适合用做设备的衬里。其具有相对较小的热导率；纯铅不耐磨，十分软。然而在一些介质里面，尤其是在硫酸里面其耐蚀性非常高。Pb和Sb合金叫做硬铅，相对于纯铅来说，其具有相对较高的强度与硬度，同时其在硫酸里面具有相对较强的稳定性。业界常见的有 。铅与硬铅能够制造各种零件，例如鼓泡器、加料管等。因Pb的耐辐射特征，使其在工业领域成为防护射线的材料。铅合金具有相对较好的减振性、磨合性、自润性，同时其噪音相对较小，属于非常不错的轴承合金，其还能够当做铅封。
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金属材料元素分析范文第5篇
【关键词】金属材料；分析；试剂；应用
金属材料化学定量分析中重要的一个环节，就是利用试剂对试样进行分解，其目的是在保证试样待测成分不污染和不损失的前提下，将试样转变为适合测定的状态。本文就钼蓝分光光度法联合测定钢铁中磷砷以及铜试剂分离EDTA容量法测定富锰试样中的钙镁这两个例子来探讨试剂在金属材料分析中的应用。
一、钼蓝分光光度法联合测定钢铁中磷砷
磷、砷作为钢铁中极易出现偏析且有害的元素，其含量过高时容易增加钢形成裂纹的敏感性和钢的冷脆性，因此对钢铁中磷、砷含量的分析检测对控制其产品质量有着十分重要的意义。本文实验利用磷、砷性质相似，在和硝酸铋、钼酸铵在一定酸度下可生成磷铋钼杂多酸与砷铋杂多酸，在还原剂作用下可还原为磷铋钼蓝和砷铋钼蓝，并且其吸光度拥有加合性的原理。然后分别测定磷、砷合量的吸光值后，利用复合还原剂将砷掩蔽，以测定磷的吸光度值，从而能得分别到到磷、砷的含量。该方法适用于实验室对钢铁中磷、砷的快速测定。
1、实验内容
（1）主要试剂和仪器
主要试剂包括钼酸铵溶液：10g/L；硫硝混合溶样酸：330mL HNO3+570 mL 水+ 100 mL H2S02；抗坏血酸溶液：20g/L，使用当天配置的乙醇（1+1）；硝酸铋溶液：5g/L，使用硝酸（1+3）配置；硫代硫酸钠混合溶液：含有100 g/L硫代硫酸钠和5g/L溴化钾；乳酸溶液：10g/L。仪器为分光光度计，测量精度达到0.001A。
（2）实验方法和过程
取用0.25g钢铁试样，存放在50mL钢铁两用瓶中，然后添加10mL硫硝混合溶样酸，将其加热到样品完全溶解为止。再滴入高锰酸钾溶液至二氧化锰沉淀，煮沸2分钟后，滴入亚硝酸钠溶液至沉淀溶解，煮沸1分钟后将其冷却到室温，用水稀释并摇匀。然后利用10mL移液管分别将两份溶液放置到150mL的干燥三角瓶中。
磷、砷合量显色液配置：向其中一三角瓶内依次滴入5mL钼酸铵溶液、5mL硝酸铋溶液、10mL抗坏血酸溶液以及1mL的乳酸溶液，然后摇匀并放置20至30分钟。
磷显色液配置：向另一三角瓶内滴入5滴硫代硫酸钠混合溶液，先放置1分钟后，再逐一滴入5mL钼酸铵溶液、5mL硝酸铋溶液、10mL抗坏血酸溶液以及1mL乳酸溶液，然后摇匀并放置20至30分钟。在波长680nm处，利用比色皿即可对磷的吸光值进行测定。然后用磷、砷合量显示液，以磷的显色液作对比，可读出砷的吸光值。
绘制校准曲线：利用具有不同含量磷、砷的钢铁标样，进行以上相同操作，将所测定的磷、砷吸光值，绘制成校准曲线，并以此分别求得磷、砷的含量。
2、实验结果和讨论
（1）显色酸度
试样中磷、砷显色反应与受酸度有很大的影响。当酸度过高时，显色反映易受到抑制，导致显色不完整，使结果偏低；当酸度偏低时，会形成钼络离子并干扰到实验测定，使结果偏高。通过实验表明，该实验中硝酸和硫酸最适宜酸度分别是0.45mol/L和0.13mol/L。
（2）对砷掩蔽剂的选择
常用砷掩蔽剂有亚硫酸钠、硫代硫酸钠、以及亚硫酸钠-硫代硫酸钠-溴化钾复合还原剂等等。为避免砷对磷测定值的干扰，保证实验的准确，该实验中使用了亚硫酸钠-硫代硫酸钠-溴化钾复合还原剂作为了砷掩蔽剂，其中溴化钾可作为砷还原反应的催化剂。
（3）显色液稳定性
当砷对磷干扰消除后，磷显色液的稳定性降低，可添加进少量的乳酸使稳定性能保持1小时以上，方便后续联合测定的进行。实验证明，乳酸添加量以1mL为宜。
（4）消除干扰离子
该实验中多数金属离子不会对试样磷、砷的测定造成干扰，但是硅离子在一定酸度下会产生干扰性。在实验中可适度加大显示液的酸度，如加入氢氟酸以消除硅离子的干扰。而氢氟酸的影响，可利用试剂空白作测定磷的参比液来消除。
（5）线性范围
在进行磷、砷联合测定时，其含量范围需有一定的限制，利用5个标准试件实验后制作校准曲线。所得到磷的线性范围为：0～0.75μg/mL，砷的线性范围为：0～1.25μg/mL。
二、铜试剂分离EDTA容量法测定富锰试样中的钙镁
锰矿中的钙镁元素的测定，常用方法是先通过KClO3分离出大量锰离子，然后再利用铜试剂（DDTC）进行二次分离后再利用EDTA滴定，该方法较为复杂，不适用于锰铁合金渣样和锰矿的冶金快速分析。本文实验中利用H2O2—DDTC一次分离，然后再使用EDTA容量法测定富锰试样中的CaO和MgO，该实验方法快捷简便，可用于锰铁渣样和猛矿中CaO和MgO的快速冶金分析中，实验结果满意。
1、实验内容
（1）主要试剂和仪器
固体DDTC；30%的H2O2溶液；CaO标准溶液：2mg/mL；MgO标准溶液：1mg/mL；Mn溶液：5mg/mL；铬黑T指示剂：使用100g NaCl和1g指示剂研细后混匀；钙羧酸指示剂：使用100g NaCl和1g指示剂研细后混匀；EDTA标准溶液：0.01mol/L。
（2）实验方法和过程
分别称取15mg MgO和50mg CaO放入400mL的烧杯中，再添加80mL的锰，使用纯净水稀释到200mL附近。然后使用氨水将pH值调至8～10左右，一直加热煮沸至小气泡分散为止。取下烧杯，添加1g DDTC搅匀后冷却至室温，再将其移入200mL的容量瓶中，加水稀释到刻度，混匀后过滤。准确移取两份50mL滤液分别放置进300mL的锥形瓶中，依次添加水25mL、盐酸羟胺0.5g、三乙醇胺10mL，在混匀后立即滴定。
CaO、MgO合量值的测定：将1份滤液中添加适量黑T指示剂和20mL pH为10的氨性缓冲溶液，使用EDTA标准溶液滴定到终点。
CaO值的测定：将1份滤液中添加少量的钙羧酸指示剂以及200g/L的KOH溶液25mL，然后使用EDTA标准溶液滴定到终点。
2、实验结果和讨论
（1）H2O2的用量
当H2O2用量偏多时，需要对Mn分解煮沸的时间加长，应注意调节溶液酸度和保持一定体积；当H2O2用量偏低时，则会造成Mn分离不完全。根据多次实验表明，H2O2用量在3～4mL之间为宜。
（2）DDTC的pH值
DDTC在实验中主要用于沉淀少量金属离子和残余的Mn，当DDTC的pH值偏高时，有利于Mn的沉淀，但易造成其它金属离子的溶解。根据实验表明，pH值为8～9的DDTC是最为适宜的沉淀酸度值，不必再添加其它有机缓冲剂。
（3）分离效果和回收实验
实验结果证明，50mg CaO和15mg MgO的分析结果相对误差控制在2.1%以内。回收实验结果表明，添加MgO 10～25mg，回收率在97.9%～102.7%之间；添加CaO 10～50mg，回收率在98.5%～102.1%。
三、总结
本文以钼蓝分光光度法联合测定钢铁中磷砷，以及铜试剂分离EDTA容量法测定富锰试样中的钙镁这两个例子来探讨了金属材料分析中的试剂应用，希望能对金属材料的实际分析带来一定的帮助与借鉴。
参考文献：
[1] 李栋婵，孙柏，等.EDTA容量法测定钙方法的优化研究[J].广东微量元素科学，2007（1）.
