金属材料化学分析方法现状及发展

金属材料化学分析方法现状及发展
金属材料化学分析方法的现状与发展
2021
摘要：主要阐述了金属材料的各种化学成分分析方法的原理、优缺点，并在此基础上阐述了金属材料分析方法未来的发展方向。

关键词：金属材料；化学成分；分析方法；现状；发展趋势
向前
金属材料在现代建筑和工业设施建设中发挥着不可替代的作用。

随着
新建筑和工业设备的出现，对高性能材料的需求越来越大。

比如北京
奥运会主会场“鸟巢”，国内建筑史上第一次使用110mm的q460，这是舞阳钢厂的科研人员第一次研制成功的。

此外，随着我国第三代
核电ap1000的建设，两种高性能钢材sa738和s32101开始在我国
开发生产。

众所周知，金属材料的性能主要由组织结构决定，组织结
构会随着元素的种类和相对含量的不同而变化[1-3]。

因此，准确分析
材料元素的种类和含量，对于新性能材料的研发和合理利用非常重要。

金属材料中最重要的元素是碳、硅、锰、硫和磷，它们对材料的性能
影响最大。

对材料物理性能影响最大的元素是碳。

碳的含量直接影响
钢的结构变化，如奥氏体钢和马氏体钢，从而影响钢的物理性能。

硅
作为脱氧剂，在炼钢过程中是必不可少的。

沸腾钢中硅的含量很低，
而镇静钢中硅的含量一般为0.12% ~ 0.37%。

随着钢中硅含量的增加，
屈服强度和抗拉强度也会相应提高。

如调质结构钢中硅含量提高1.0% ~ 1.2%，强度可提高15% ~ 20%。

但硅含量的增加会降低钢的延伸
率和收缩率，冲击韧性会明显降低。

硫作为钢中的有害元素，在热加
工过程中会降低钢的韧性和延展性，引起钢的开裂，因此严格控制钢
的硫含量。

比如q235b要求硫 0.045%。

磷作为钢中的有害元素，会
降低钢的塑性，同时影响其焊接性和冷弯性能，所以一般钢种要求磷0.045%，优质钢磷含量较低。

掌握金属材料的性能，需要准确分析元素含量，并在此基础上开发性能更好的材料。

尤其是硼、铝、氮、钒、钛、铌等微量元素，例如sa738gr.d要求硼0.0007%，q345b要求铝0.015%[5]。

这就要求我们合理使用化学分析方法，准确分析相关元素的含量。

1化学分析方法
随着分析技术的发展，有几种方法可以分析金属材料的化学成分，如
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)和电感耦合等离子体质谱法[6-8]。

其中重量法、滴定法、分光光度法主要是基于离子之间的化学反应。

分析化学这个学科出现的时候，实验者已经掌握了，需要简单的仪器设备进行测试，很容易应用。

后
一种方法是近几十年新发展起来的，核相之后物理学研究层出不穷。

随着技术的进步，仪器的研发将朝着效率更高、操作更简单的方向发展，但不足之处是设备昂贵，无法在中小企业推广。

1.1重量分析
重量分析法是一种经典的定量分析方法。

出现较早，使用最成熟。

重
量法的原理是通过化学反应将物料中的待测元素转化为待测化合物，
然后经过滤、干燥后准确计算出物料中待测元素的含量。

目前，重量
法主要适用于测定
滴定分析法，通过两种溶液的相互滴加，由显色剂判断反应的终止，
根据化学反应计量关系计算出待测金属组分的含量。

根据化学反应机
理的不同，可分为酸碱滴定(主要分析钢中的C、si、P、N、B等元素)、氧化还原滴定(主要测定fe、mn、cr、V、cu、pn、co、S等)。

)，沉淀滴定法(不常用)和络合滴定法(常用于分析镍、镁、锌、铅、铝等。

)
这种分析方法只需要配置相应的玻璃仪器(如滴定管、容量瓶等)。

)，
成本低，操作简单，目前仍被一些中小企业使用。

缺点是只能进行单
元素分析，分析周期长，不适合微量元素分析，分析数据会随着操作
人员的熟练程度而波动。

1.3分光光度法
分光光度法的理论基础是比尔-朗伯定律，用a=kcl表示。

在一定的入射光强条件下，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比，通过吸光度的变
化可以计算出待测元素的浓度。

在分析待测样品之前，需要建立标准
溶液的吸收光谱曲线，通过该曲线可以定量分析待测样品中元素的浓度。

分光光度分析常用的仪器有红外、紫外-可见和原子吸收分光光度计。

这种方法的优点是只需一台分光光度计即可完成，灵敏度高，操
作简便快速，适用范围广(元素周期表中所有金属元素均可测定，非金
属元素如si、S、N、B、as、se、卤素等也可测定)。

缺点是只能用单
一元素进行分析，其分析结果的准确性依赖于敏感的显色剂，不同元
素之间存在一定的干扰，导致最终分析结果的偏差未知。

1.4x x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，外层电子被激发到高能态，高能态电子极不稳定，跳回基态或
低能态，同时发出荧光；荧光强度与样品中待测元素的浓度成正比，
样品中的元素含量可以通过测量荧光强度来确定。

当原子辐射的荧光
波长与X射线照射的荧光波长不同时，称为非共振荧光，否则称为共
振荧光，在分析中应用广泛。

这种方法的优点是检测线低，谱线容易
分析，如果用激光作为激发光源，分析结果更好。

缺点该方法对样本
的同质性要求较高，且由于矩阵效应，分析结果存在偏差，通常需要
进行一定程度的修正。

1.5原子光谱法
(1)原子吸收光谱法。

工作原理是空心阴极灯的阴极由待测元素的纯金
属制成，光源发出特征波长的光，通过分光系统搜索谱线到峰线的最
大位置。

此时，吸收池的溶液在雾化器的作用下产生元素基态原子，
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
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[10]潘炜娟.电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)、激光剥蚀电感耦合等
离子体质谱(la-ecp-ms)技术及其在固体材料分析中的应用研究[m].宁
波大学，2021.。