金属材料理化检测的手段和原理

..摘要北冶功能材料主要产品有精密合金（软磁、永磁包括钕铁硼和稀土材料、膨胀、弹性、热双金属、电阻电加热）、高温合金和不锈钢（镍铬系列、沉淀硬化系列、马氏体时效）系统）材料。产品品种包括铸造中间合金、锻件、热轧材料、冷轧带材、冷拉棒材、冷拉线材、精密铸件、结晶和非晶铁芯、变压器、冲压产品等。性能，所以北野的检测设备和手段比较齐全。北冶公司拥有的理化检测仪器有万能材料试验机、高温耐久强度试验机、维氏硬度计、洛氏硬度计、布氏硬度计、金相显微镜、TMA402分析仪、TR200表面粗糙度测量仪、分光光度计、X射线荧光光谱仪、ICP-AES电感耦合等离子体光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、石墨炉原子吸收光谱仪、火焰原子吸收光谱仪、CS-600碳硫分析仪、TC6RH-404氢测定仪、TC600氧氮分析仪等。本报告是我们进入北冶功能材料实习后在实习中接触到的理化测试部分的专题报告。通过报告的撰写和资料的查找，可以加深对实习过程中理化测试部分的理解。关键词北野功能材料物理检测化学检测目录摘要 11物理检查 41.1机械组 41.1.1耐高温实验 41.1.2硬度测试 41.1.3拉伸实验 51.2磁力小队 61.2.1直流法 61.2.2通讯方式 61.3金相组 71.3.1原材料检验 71.3.2生产过程中的质量控制 71.3.3产品质量检验 71.3.4失效分析 81.4物理组 81.4.1扩展性能测试 81.4.2粗糙度测试 81.4.3密度和电阻测试 91.4.4热双金属比率弯曲值测量 91.5总结 102化学检测 102.1化学分析 102.1.1分析对象 112.1.2分析方法 11容积法 11分光光度法 112.1.3分析步骤 122.2仪器分析 122.2.1X射线荧光光谱仪 132.2.2电感耦合等离子光源（ICP）及相关仪器 14JY70C电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES) 15XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) 17原子吸收光谱仪(AAS) 18.1AAnalyst600石墨炉原子吸收光谱仪 18.2火焰原子吸收光谱仪 19ICP-MS、ICP-AES和AAS的比较 19.1检测限 19.2干扰 20.3精度 22.4样本分析能力 222.2.3CS600红外碳硫仪 232.2.4TC600氮氧分析仪 232.2.5RH404氢气测定仪 242.3总结 263总结 26参考文献 271物理检查北冶的功能材料产品是各种金属材料。根据其产品特性，物理检测主要集中在金属力学性能、金属物理性能、金属金相三个方面。以下是北野公司按团队分类进行的实物检查介绍。1.1机械组1.1.1耐高温实验高温耐久性试验主要用于测试高温合金的力学性能，是高温部件设计和选型的重要依据。金属材料高温蠕变和永久强度试验的基本方法是观察试样在恒定载荷和温度条件下随时间的缓慢塑性变形和断裂现象。测试确定中断的持续时间。蠕变和耐久试验周期可长达数千小时甚至数年。因此，与短期力学性能试验相比，蠕变和耐久试验对试验机载荷、温度测控、变形测量的系统精度和长期稳定性有更高的要求。要求更高，对测试过程的要求也更高[1]。图1-1蠕变曲线示意图北野公司的试验设备是高温耐久强度试验机。试验所用样品一般为直径为5mm、长度为25mm的圆柱形工件。通过加热装置将其加热到980℃，施加150MPa的拉应力。30小时不断裂为合格。1.1.2硬度测试硬度测试主要测试材料在室温下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力。北冶公司拥有三种硬度计：维氏硬度计、洛氏硬度计和布氏硬度计。布氏硬度以HB表示。试验方法是将直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球以一定的试验力F(N)压入被测金属表面，保持规定时间，然后卸荷它。除试验力外，用读数显微镜测量压痕的平均直径d（mm），然后根据公式计算布氏硬度的HB值，或根据准备好的布氏硬度表求出HB值到d[2]。布氏硬度法在生产中常用来测量退火、正火和调质钢件，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛坯或半成品的硬度。在北冶公司的产品检测中，主要用于测量一些铸造棒、棒等产品的硬度。压头尺寸有2.5mm、5mm和10mm三种，分别对应150kg、750kg和300kg的重量级样品。洛氏硬度可分为四种：HRA、HRB、HRC和HRD。是北冶公司硬度测试的主要方法，其中HRC硬度是最常用的。试验方法是用一个顶角为120°的金刚石锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，求得其硬度压痕深度的材料[3]。在生产中，常采用洛氏硬度法测定淬火钢和调质钢等硬度较高的金属材料的硬度。维氏硬度以HV表示，其测量方法是在49.03~980.7N的载荷下，用136°角的方形金刚石压头按压材料表面。线长，然后根据公式计算出硬度的大小[4]。适用于较大工件和较深表层的硬度测定。测量时样品的重量一般大于等于300kg。具体检验时，根据样品厚度的不同确定样品的重量。1.1.3拉伸试验拉伸试验所用设备为常温拉伸试验机（即万能材料试验机）。拉伸强度、屈服强度和面积收缩率和伸长率通过样品沿轴向方向的拉伸测试来测量。拉伸试验常用的试样有细条状试样和棒状试样，两者均为标准拉伸试样形状，两端夹持部位较宽，以防止夹持部位在拉伸过程中断裂。拉伸过程。由于一般塑料材料在拉伸过程中截面积会发生变化，有时甚至会出现颈缩，因此将拉伸过程中的最大力除以最小截面积就是材料的强度。拉伸曲线可直接在电脑上绘制。通过曲线，我们可以判断材料的塑性，得到屈服强度、抗拉强度等数据。衡量塑性的参数是：伸长率和面积缩小率。对于低塑性和脆性材料，通常的塑性变形是0.2的应力对0.2的试样长度

来测量材料的强度。当需要在高温下拉伸时，使用热电偶加热样品。达到特定样品的规定温度后（例如713C样品的规定温度为760℃），需要保持15分钟再进行测试。1.2磁力小队磁性团队主要负责测试软磁材料的磁性。有两种测量方法：直流法和交流法。1.2.1直流法直流法主要用于测量磁感应强度、剩磁感应强度、矫顽力、最大磁导率和初始磁导率五个参数。测试样品的直流性能时，采用直流冲击法，利用电磁感应原理，放置样品。进入感应线圈，励磁线圈通电后产生感应磁场，样品的磁通量发生变化，通过测量次级线圈产生的感应电流得到各种参数。我们参观的直流测试设备是1960年代和1970年代的。在测试样品的直流性能时，采用了直流冲击法。利用电磁感应原理，将样品置于感应线圈中。变化导致灯尺偏转，通过偏转值得到饱和磁通密度（Bs）、矫顽力（Hc）、剩余磁通密度（Br）等参数。需要注意的是，由于大部分样品是精密合金，磁性能对应力非常敏感，所以在安装和测试时不要用力触摸样品（通过包裹特殊的外壳），以免造成其磁导率降低。1.2.2通讯方式交流法测试材料的磁性能主要是测试材料的抗磁化能力，即确定材料的磁屏蔽系数。它的主要测量仪器是亥姆霍兹线圈测试仪。测试时，试样在试管上滚动，试样旋转，会带来试样磁通量的变化，从而产生微弱的感应电压。检测线圈检测到感应电压后，记录数据，通过旋转过程中电压的比值可以得到屏蔽。系数掩蔽系数的确定。北野公司的屏蔽系数测量仪是按照美国图纸自制的。主要工作部分为12000匝以上的感应线圈和检测线圈。感应线圈在样品周围产生磁场。在测试过程中，将样品缠绕在试管上并旋转样品，会带来样品磁通量的变化，从而产生微弱的感应电压。检测线圈检测到感应电压后，记录数据。通过旋转过程中压的比率给出了屏蔽系数。由于技术限制，本设备只能测量工频下材料的屏蔽系数。交流损耗和磁导率的测定：我们参观时看到的设备都是旧设备，没有看到封装后的现代设备。交流损耗和磁导率的测量基于电磁感应原理。通过电桥调整三个已知臂的电阻值，将待测样品放在未知臂上，读出三个已知臂的电阻值。读数，计算待测样品的交流损耗和磁导率。1.3金相组金相实验室常用的设备有金相显微镜、电子显微镜等。金相试验主要用于金相检验和金相分析。金相检验是获取待测样品的金相光谱，然后与标准光谱进行比较，以获得所需的信息；金相分析得到待测样品的金相光谱后，常用于研发和生产中的分析。金相团队最适合我们专业，在校期间就已经掌握了镶嵌、磨削、金相观察的步骤。通过金相观察可以获得非金属夹杂物、晶粒尺寸、显微组织等信息。在工业生产中，合金的成分、热处理工艺和冷加工工艺直接影响金属材料的显微组织和组织的变化，从而改变零件的力学性能。金属零件组织结构的观察、检查和分析是重要的一环。主要方法是金相检验。金相检验主要用于金相检验和金相分析。具体内容包括原材料检验、生产过程中的质量控制、产品质量检验、故障分析等。1.3.1原材料检验原材料检验包括原材料的冶金质量检验，如非金属夹杂物的偏析、分布类型和等级；铸件气孔、气孔、夹渣组织均匀性检查；锻件表面脱碳、过热、过烧、裂纹、变形等检查。1.3.2生产过程中的质量控制金相分析可为调整工艺和修改工艺参数提供依据，指导生产，如热处理和淬火加热温度、保温时间、冷却速度等是否合适；化学表面热处理工艺参数的控制；锻件的初锻温度和终锻温度是否合适等。1.3.3产品质量检验一些机械零件或产品不仅要求机械性能和物理性能，还要求显微组织参数作为质量评价的技术指标之一。相关项目可通过金相实验检测。1.3.4失效分析金相组织分析方法广泛应用于机械故障分析，对一些常见缺陷的识别非常方便。如零件表面脱碳；微裂纹的形态和分布特征；化学热处理缺陷；热处理后组织异常；在晶界析出脆性相等。这些金相分析的结果通常被用作失效分析的基础。1.4物理小队物理组主要对热双金属的合金膨胀性能、金属表面粗糙度、密度、电阻率、K值等物理性能进行性能测试。1.4.1扩展性能测试扩展性能测试的主要仪器是立式TMA-402分析仪和卧式DL分析仪。TMA-402分析仪的工作温度为-150°C至450°C。低温使用的介质是液氮。在高温下，Ar用作保护气体以防止材料氧化。DL分析仪的工作温度为室温至1200°C。℃，也为了防止材料在高温下氧化，需要Ar作为保护气体。测试前需要大致了解材料膨胀系数的近似恶心，然后与石英、蓝宝石等标准样品进行比较。然后将样品冷却和加热，并测量其伸长率以与标准样品进行比较。如果无法预测变形量，则需要两个Ф4×25的样品进行实验，用DB49膨胀仪测量Ф4×50的近似值。1.4.2粗糙度测试在TR2-00表面粗糙度测量仪上通过针迹法测量材料的粗糙度。试验使用的试样有两种，一种是长方形的，一种是圆形的，后者需要标明滚动方向。测量前设置好参数，手动转动手柄，使指针在试样表面划过，指针将试样表面粗糙度以电信号的形式传递给测量仪器，试样表面可以通过测量Ra和Ramax来确定。粗糙度，其中Ra是样品表面的平均粗糙度，Ramax是样品表面的最大和最小粗糙度之差。在测量过程中，指针可能会在样品表面留下痕迹，但痕迹非常精细，可以忽略不计。测量需要将样品粘合到玻璃板上。仪器长期使用会产生误差，需要用标准样品块进行校准。图1-2样品表面粗糙度各参数示意图1.4.3密度和电阻测量使用著名的阿基米德原始重力法测量密度。物体在溶液中的失重分数（即浮力）等于被物体排开的同体积液体的重量，通过测量物体浸入溶液前后的拉力F1和F2液体，通过公式获得测试样品的密度。电阻电阻是使用众所周知的比较方法测量的。测量电阻的样品一般选用长度小于0.1m的片材，样品的电阻值一般大于0.01Ω（标准电阻阻值为0.01Ω）。在I<150mA电流的情况下，Tanggu-Ou比较法将样品两端的电压与标准电阻进行比较，得到待测样品的电阻率。1.4.4热双金属比率弯曲值测量热双金属是由具有不同热膨胀系数的两个金属或合金组件层牢固地结合在一起的复合材料。两种金属的热膨胀系数不同，热膨胀系数较小的为钝化层，较大的为有源层。衡量热敏双金属最重要的指标是比弯曲值。样品和测量仪器形成一个闭合回路，温度变化时热双金属片末端会弯曲，回路断开。重新调整测量仪，形成闭环。两个样品端的变化之差就是样品的挠度。由于膨胀系数不同，样品在温度变化时会发生弯曲，中间的最大弯曲度为其比弯曲[5]。图1-3热双金属热弯实验测量装置1.5总结物理测试是生产过程的关键部分。测试和测试结果的准确性对企业和用户都具有重要意义。我们应该以科学严谨的态度面对这部分。2化学检测化学检测的主要任务是分析样品中的化学成分。通过分析样品中的元素种类和元素含量，判断原材料、生产中的产品、成品的化学元素是否符合国家标准，从而判断元素的化学元素是否符合国家标准。标准。控制含量，检查产品的化学质量。样品制成后的第一步是化学分析，然后是机械测试，最后是物理测试。如化学成分不合格，需返炉重新熔炼。北冶拥有多种化学检测手段和先进的功能材料仪器。按原理主要分为原料分析（化学滴定）、发射光谱仪、发射质谱仪、吸收光谱仪、气体分析仪。2.1化学分析物质的化学反应称为化学分析。化学分析常用于常数分析。化学分析是绝对定量的，根据样品的量、反应产物的量或消耗的试剂量以及反应的化学计量，计算出待测组分的量。化学分析一次只能分析一种元素，需要使用相关屏蔽剂等措施，消除无关元素对结果的干扰。与仪器分析相比，化学分析效率较低，但化学分析可以弥补仪器分析的不足，因此，化学分析仍然是北冶功能材料分析方法中不可缺少的一部分。2.1.1分析对象北冶公司的化学分析为人工分析方法，其分析对象主要包括冶炼所用原材料（各种纯金属，如Fe、Mn、Co、Cu、Cr等）、原辅材料（如脱磷、脱硫、制备坩埚材料等）、出钢前钢水成分分析、成品分析（需冷却后去除氧化皮后再分析）。2.1.2分析方法化学分析中使用的方法是容量法和分光光度法。容积法当物质含量达到5%时，常用容量法进行分析。容量法又称滴定法，分为直接滴定法和间接滴定法。容量法是利用有色元素或酸碱指示剂的变色反应，通过计算化学反应方程式的化学计量数，得到样品中元素的含量。一般将已知成分和浓度的指示剂滴入试样配制的溶液中，当颜色突然变化时停止，得到指示剂的用量。通过相应化学方程式的比例关系，计算出样品中被研究元素的含量。内容。选择合适的指示剂在滴定分析中非常重要。对于Cr元素，一般选用高硫酸作为还原剂，将溶液中的Cr3+和Cr6+全部氧化成Cr6+，然后滴加Fe2+溶液进行还原。溶液中的Cr6+全部还原为Cr3+，同时Fe2+被氧化为Fe3+。溶液中Cr6+离子的浓度可以通过计算Fe2+溶液的用量，再计算出Cr元素的含量；Mn元素的化合价为+2、+3、+5、+7。测量时，必须将所有Mn元素氧化至+5价，然后再继续滴定。如果找不到合适的氧化剂，可以进行间接滴定（也称为反滴定）。滴定时，络合剂与待测金属离子配位形成络合物，使其络合过度，并记录所用络合量。滴定过量后，对络合剂进行反滴定，直至反应刚完成，记录回滴剂的用量，通过化学计量比关系计算出过量络合剂的量。测量金属离子的浓度，换算出待测样品中待测元素的含量。例如，对材料中Ni的测定，选用EDTA作为络合剂，将两者按1：1络合，然后用Cu离子对络合剂进行反滴定，计算出材料中Ni的含量。分光光度法当分析物的浓度为1-5%时，通常使用分光光度法。仪器分析通常小于1%。分光光度法是通过测量被测物质在特定波长或环境光的某一波长下的吸光度或发光强度，对物质进行定性和定量分析的方法，根据朗伯-比尔定律：其中，I0和I分别为入射光和穿过样品后的透射光强度；A是吸光度；T为透射率，即透射光强度高于入射光强度；K是摩尔吸收系数，它与吸收材料的性质和入射光的波长有关，与λ有关；c为吸光物质的浓度；b是吸收层的厚度。公式的物理意义是当一束平行单色光垂直通过均匀的非散射吸光材料时，其吸光度A与吸光材料的浓度c和吸收厚度b成正比层。通过测定吸光度可以得到该物质的含量。分光光度法中使用的设备是分光光度计。钨光源通过光栅分离不同波长的光，选择被研究元素吸收的特定光，通过狭缝照射待测样品配置的溶液，测量最大吸收。峰值处的吸光度与溶液中所研究元素离子的浓度成正比。测量需要3种以上的溶液，并且有一组已知浓度的标准溶液。从标准溶液中绘制AC标准曲线并进行比较以获得所研究的元素。离子浓度。2.1.3分析步骤化学分析的具体操作包括：称量、溶解、分析。由于对样品质量要求较高，应使用分析天平或电子天平（精度为1/10,000克）对样品进行称量；当溶液溶解时，如果溶解速度较慢，可用电炉丝称重。加热加速溶解；一旦溶解，就可以选择上述方法进行分析。2.2仪器分析仪器分析是根据物质的物理和理化性质建立的分析方法。使用专用仪器对物质进行定性分析、定量分析和形态分析。在化学分析中，根据被分析元素的含量，可分为宏观分析（被测组分含量>1%）、微观分析（被测组分含量在0.01%~1%之间）、及痕量分析（实测成分含量在0.01%~1%之间）。含量<0.01%）。根据分析时物料在生产过程中所处的位置，可分为炉前检验、过程检验和成品检验。北冶公司的高温合金产品，要求低熔点元素（如As、Sb、Sn、Pb、Bi等）尽量少，冶炼前对原材料进行检验（对于例如，要求原料中Pb含量小于10ppm，只有Bi含量<1ppm）满足条件才能进行冶炼；在钢水冶炼过程中，还需要测量钢水的成分；成品制备后，根据用户要求，需检测成品中规定元素的含量。分析中使用的仪器有：电感耦合等离子体质谱仪(ICR-MS)、石墨炉原子吸收光谱仪(GF-AAS)、火焰原子吸收光谱仪(F-AAS)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)、碳以及硫分析仪、氮氧分析仪、X射线荧光光谱仪（XRF）、氢分析仪等。下面将对北冶功能材料的分析仪器和原理进行总体介绍。2.2.1X射线荧光光谱仪图2-1X-射线荧光光谱仪X射线荧光是待分析样品在X射线照射下发出的X射线，其中包含待分析样品的化学成分信息。通过上述X射线荧光分析，通过X射线荧光确定待测样品的组成和含量。光谱仪的主要工作原理。每种化学元素的原子，都有特定的能级结构，其核外电子以自己独有的能量在自己的固定轨道上运行，层电子在足够的X射线照射下与原子分离。活力。它变成一个自由电子。我们说原子被激发并处于激发态。这时，其他外层电子会填补空位，也就是所谓的跃迁，同时以X射线的形式释放能量。由于每种元素的原子能级结构是特定的，所以其激发跃迁时发射的X射线的能量也是特定的，称为特征X射线。通过测量特征X射线的能量，可以确定相应元素的存在，特征X射线的强度（或X射线光子数）代表该元素的含量。值得指出的是，在制作样品时，X射线荧光光谱仪的精度要求可以略低一些。一般用120#砂纸打磨即可。对样品的形状也有宽松的限制。可以测试样品。样品可以很薄也可以很厚。装载样品时，需要盖上带有一定直径圆孔（如φ10、φ30等）的外壳。该设备最多可安装12个样品依次进行测试。样品与探头的距离变化较大，上样时样品需要通过限高器以保证高度。北冶公司的X射线荧光光谱仪主要用于纯金属、精密合金、高温合金、不锈钢等产品的炉前快速分析及产品成分分析。在元素含量方面，X射线荧光光谱仪主要用于分析合金。培养基中含量较高的元素不用于微量元素分析。X射线荧光光谱仪：1)元素测量范围广，从氟到铀；2）分析含量范围从1PPM到100%；3)样品制备简单，可分析固体、粉末和液体样品。X射线荧光光谱与样品的化学键合状态无关，与固体、粉末、液体、结晶、无定形等物质的状态基本无关。（即使将气体密封在容器中也可以进行分析。）但是，在高分辨率的精密测量中，可以观察到波长变化等现象。尤其是在超软X射线范围内，这种效果更为明显。波长的变化用于确定化学势；4）自动化程度高，分析速度快。测量时间与测量精度有关，但一般很短，2～5分钟即可测完样品中所有待测元素；5）稳定性好，重复性好。无损分析。测量过程中化学状态不发生变化，不发生样品散射现象。同一样品可重复测量，重现性好；6）谱线简单，干扰量小。X射线荧光光谱仪：1）由于砂纸含铝量高，无法测量铝含量；2)很难做绝对分析，所以定量分析需要标准样品；3）对轻元素的敏感性较低。2.2.2电感耦合等离子光源（ICP）及相关仪器等离子体目前一般是指电离度在0.1%以上的被电离的气体。这种气体不仅含有中性原子和分子，还含有大量的电子和离子，电子和正离子的浓度处于平衡状态。在中立。从广义上讲，诸如火焰和电弧的高温部分、火花放电、太阳和恒星表面的电离层等都是等离子体。等离子体按温度可分为两大类：高温等离子体和低温等离子体。当温度高达106-108K时，所有气体的原子和分子都完全解离和电离，称为高温等离子体；当温度低于105K时，气体被部分电离，称为低温等离子体。在实际应用中，低温等离子体分为热等离子体和冷等离子体。当气体压力约为1.013105Pa（相当于1个大气压）时，粒子密度高，电子浓度高，平均自由程小，电子与重粒子碰撞频繁，得到的动能由电场中的电子迅速转移到重粒子上。各种粒子（电子、正离子、原子、分子）的热运动能量趋于相似，整个气体进入或达到热力学平衡状态。此时气体温度和电子温度基本相等，温度在几千到几万度左右。度，这种等离子体称为热等离子体。例如，直流等离子射流(DCP)和电感耦合等离子炬(ICP)都是热等离子体。如果放电气体压力低，电子浓度小，电子与重粒子的碰撞就会减少，电子就会从电场中释放出来。得到的动能不易与重粒子交换，它们之间的动能差大，电子的平均动能可达几十电子伏，气体温度低，这样的等离子体处于非热力学平衡系统，称为冷等离子体，如晶格环辉光放电、空心阴极灯放电等。光谱分析中所谓的等离子光源通常是指一种看起来像火焰的放电光源。最常用的三种类型：电感耦合等离子炬(ICP)、直流等离子炬(DCP)和微波感应等离子炬(MIP)。对于MIP，虽然内容微量进样，耗气量小，功率低，非金属易测定，但对大多数金属，检测限差，元素间干扰严重，氦气是必需的，所以它主要用作色谱分析的检测器。两种等离子体光源ICP和DCP具有良好的分析性能，已用于原子发射光谱仪。电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)技术的先驱是Greenfiald和Fasel，他们在1964年发表了他们的研究结果。该技术在1970年代之后取得了真正的进步，1974年美国的ThermoJarrell-Ash公司开发了第一台商用电感耦合等离子体原子发射光谱仪。JY70C电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）图2-2JY70C电感耦合等离子体发射光谱仪电感耦合等离子体发射光谱仪的工作原理如下：高频振荡器产生的高频电流通过耦合系统连接到位于等离子体发生管上端的管状线圈，铜部分用水冷却。由石英制成的等离子体发生管具有三个用于氢气流动的同轴通道。冷却气体（Ar）通过外、中通道，环绕等离子体，稳定等离子炬，冷却石英管壁，防止管壁受热熔化。工作气体（Ar）由中间的石英管引入。开始工作时，启动高压放电装置，使工作气体电离。当电离气体通过石英管顶部周围的高频感应线圈时，会产生线圈产生的巨大热能和交流电。磁场使电离气体的电子、离子和处于基态的氖原子反复剧烈碰撞。各种粒子的高速运动使气体完全电离，形成线圈状的等离子炬区，其温度高达6000℃。10,000摄氏度。样品经过处理制成溶液后，由超级雾化装置转化为全溶胶并从底部引入管内，石英管通过轴从喷嘴喷入等离子炬。当样品气溶胶进入等离子体火焰时，大部分气溶胶立即分解为受激原子和离子。当这些被激发和激发的粒子回到稳定的基态时，它们会释放出一定的能量（表示为一定波长的光谱），并测量每种元素的独特谱线和强度。所含元素的类型和内容。北野公司电感耦合等离子体发射光谱仪的使用过程如下：将待测物质用酸溶解在液体中，通过送液电感耦合使电离的氩气进入等离子体状态，然后将要测试的物质电离。获取其组成和内容。主要测定元素Cr、Ni、Co、Ga、In、Ta等五种有害元素小于0.01。北野仪器由美国热电公司生产。它的分析速度快，但被测物质的含量有限，必须小于0.1。北冶公司的电感耦合等离子体发射光谱仪承担了北冶公司近50%的分析任务。主要用于分析不锈钢、原材料等，可从200nm-400nm之间的元素光谱分析物种，同时测定多种元素的含量。（最多可同时测定16种）其工作原理是根据特定元素激发的特征谱线的强度来测定含量。XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)图2-3XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪电感耦合等离子体质谱仪是主要用于测定超微量元素和同位素比值的仪器。它由等离子体发生器、雾化室、炬管、四极质谱仪和称为离子检测器或收集器的快速通道电子倍增器组成。电感耦合等离子体质谱仪的工作原理如下：首先将待测样品溶解在王水中（如果元素不能溶解在王水中，可以溶解在氢氟酸中，但必须有相应的容器）用聚四氟乙烯材料代替），配制成定量溶液，雾化器将溶液样品送入等离子体光源，高温蒸发，电离气体离解，铜或镍取样锥收集的离子在下形成分子约133.322Pa压力的低真空光束然后通过直径为1-2mm的截流板进入四极质谱仪。通过质量过滤器进行质量分离后，它到达离子检测器。根据检测器的计数与浓度、元素含量或同位素比值的比例关系。在北冶公司的检测中，电感耦合等离子体质谱仪主要用于痕量和超痕量多元素分析。电感耦合等离子体质谱仪由进样系统、电感耦合等离子体（ICP）离子源、接口、离子透镜系统、四极质谱仪、检测器等组成。其他支撑系统包括真空系统、冷却系统、气体控制系统、计算机控制和数据处理系统等。工作时，管内通入大量氩气，氩气负责工作气体（氩气的电离为一价等离子体）和保护气体（整个检测过程需要在与空气隔绝并充满氩气的环境）。影响。其突出点是可同时检测多种元素，检测效率高，仪器灵敏度高，可检测微量元素（PPM级至十亿分之一）；缺点是仪器的购买成本比较贵，后续使用当中，其配套耗材的价格也比较贵。原子吸收光谱仪（AAS）原子吸收光谱仪首先通过雾化器将待测样品雾化，然后通过光源照射原子蒸气。当辐射投射到原子蒸气上时，如果辐射波长对应的能量等于原子从基态跃迁到激发态所需的能量，就会使原子吸收辐射，导致一个吸收光谱。基态原子吸收能量，最外层的电子从低能态跃迁到激发态。根据朗伯-比尔定律，通过原子吸收光谱法测定样品中化合物的含量。所需样品元素的吸收光谱和摩尔吸光度是已知的，并且每种元素都会优先吸收特定波长的光，因为每种元素都会消耗一定的能量才能从基态变为激发态。在检测过程中，基态原子吸收特征辐射，通过测量基态原子对特征辐射的吸收程度来测量待测元素的含量。原子吸收光谱仪可根据不同的雾化方式进行划分，常见的主要分为火焰原子吸收光谱仪（F-AAS）和石墨炉原子吸收光谱仪（GF-AAS）。这两类设备均由北冶公司配备。常用的火焰法是将C2H2+O2与样品混合，燃烧待测样品进行雾化。也很少有人还在使用乙炔+一氧化二氮。石墨法炉主要是利用石墨管对待测样品进行加热雾化。由于石墨炉的高温，比火焰法可以测试更多种类的元素。火焰法+石墨炉法一共可以测试60多种元素。.1AAnalyst600石墨炉原子吸收光谱仪图2-4AAnalyst600石墨炉原子吸收光谱仪石墨炉原子吸收与电感耦合等离子体光谱仪相同，可测量0.01的微量元素，以液体为样品进行分析。两种分析方法完全相同，但原理不同。石墨炉原子吸收光谱仪就是利用上述原子吸收光谱的原理来检测化学成分。通过测量吸收光谱和吸收含量可以知道该物质及其含量。它的测量速度较慢，但成本较低。每种元素都有特定的吸收光谱。检测时，根据待测元素选择特定的光源，照射预先制备好的溶液的汽化气体，测量其吸收，利用吸收与浓度的比值得到被测元素。内容。与电感耦合等离子体质谱仪相比，石墨炉原子吸收光谱仪灵敏度较低，检测效率较低，但成本相对便宜。由于成本问题，该国使用石墨炉。.2火焰原子吸收光谱仪火焰原子吸收光谱仪分为四部分：箱体（提供空气和乙炔，通过时空气和乙炔的比例一般控制在1.5:1）、光源（特征光谱由空心阴极灯，光源根据被测元素不同阴极灯）、雾化室（雾化溶液、空气和乙炔同时通入室燃烧）、吸收检测（乙炔后燃烧时，特定元素会有乙炔的特征吸收，吸收光谱强度反馈到计算机数据库，经数据处理软件处理，最后显示待测元素的含量）。雾化前需要将样品溶解雾化，与燃烧气体混合，然后燃烧使样品雾化。火焰原子吸收光谱仪用于测量高温合金中Mn、Fe、Co、Cu、Cr、Ni等微量元素的含量，成分分析范围为0.05%~2%。本仪器使用的燃料乙炔具有成本低、干扰小等优点。这台仪器才用了30多年，比较陈旧。目前新型吸收仪配备6盏灯，可根据分析元素的不同自动更换。ICP-MS、ICP-AES和AAS的比较.1检测限ICP-MS很可观，其溶液的检出限多为ppt级（一定要记住，实际检出限不能比你们实验室的清洁条件好），石墨炉AAS的检出限亚ppb级，ICP-AES大部分元素的检出限为1-10ppb，部分元素在洁净样品中也能获得显着的亚ppb级检出限。需要指出的是，ICP-MS的ppt级检测限是针对溶液中溶解物质很少的简单溶液。如果涉及到固体中浓度的检测限，由于ICP-MS的耐盐性较差，ICP-MS的优势检测限可降低多达50倍，而一些常见的轻元素（如如S、Ca、Fe、K、Se)对ICP-MS有严重的干扰，也会降低其检测限。.2干扰ICP-MS中的干扰：1)质谱干扰ICP-MS中的质谱干扰（等压干扰）是可预测的，其数量小于300，分辨率为0.8amu的质谱仪无法分辨，如58Ni对58Fe、40Ar对40Ca或40Ar的干扰Aron80Se（质谱叠加）。可以使用元素校正方程（与ICP-AES中的干扰线校正原理相同）进行校正，选择性地选择一些自然丰度低的同位素，使用“冷等离子体炬屏蔽技术”或“碰撞池技术”可以有效地减少干扰的影响。2)基质酸干扰HCl、HClO4、H3PO4和H2SO4会造成相当大的质谱干扰。Cl+、P+、S+离子会与其他基体元素Ar+、O+、H+结合生成多原子，如35Cl-40Ar对75As和35Cl-16O对51V的叠加干扰。因此，在许多ICP-MS分析中避免使用HCl、HClO4、H3PO4和H2SO4是至关重要的，但也是不可能的。克服这个问题的方法包括：“碰撞池技术”、在将样品引入ICP之前使用色谱（微塞）分离、电热蒸发(ETV)技术等。另一个更昂贵的选择是使用高-分辨率扇区磁场。ICP-MS能够分辨小于0.01amu，可以去除许多质谱干扰。实际生产研究过程中用于ICP-MS分析的测试溶液通常是用硝酸制备的。3)双电荷离子干扰双电荷离子产生的光谱干扰是单电荷离子M/Z的一半，例如69Ga+的138Ba2+或104Ru+的208Pb2+。这种干扰比较少见，可以通过在分析前优化系统来有效消除。4)矩阵效应供试溶液与标准溶液的粘度差异会改变各溶液的气溶胶生成效率，可通过基质匹配法或标准法有效消除。5)电离干扰电离干扰是由样品中高浓度的I族和II族元素引起的。使用基质匹配、样品稀释、标准添加法、同位素稀释法、萃取或色谱分离是有效的。的。6）空间电荷效应空间电荷效应主要发生在撇油器后面，其中净电荷密度明显偏离零。高离子密度导致离子束中离子之间的相互作用，在首先丢失的轻离子存在的情况下形成重离子，例如Pb+与Li3+。基质匹配或仔细选择被测物质的质量范围可以帮助补偿这种影响，但这在实践中是困难的。同位素稀释法虽然有效，但价格昂贵。最简单有效的方法是稀释样品。干扰ICP-AES1)光谱干扰ICP-AES中的光谱干扰数量多且难以解决。ICP-AES中记录的谱线超过50,000条，矩阵可能会引起相当大的问题。因此，钢铁、化工产品和岩石等特定样品的分析必须使用高分辨率光谱仪。干扰元素校正广泛用于固定通道ICP-AES，但效果有限。ICP-AES中的背景很高，需要离线背景校正。应用动态背景校正对于提高准确性非常有效。各种分子颗粒（如OH）的光谱峰或谱带会对一些低含量分析元素造成一些分析问题，影响其在实际样品中的检测限。ICP-MS的背景非常低，通常低于5C/S（每秒计数），这是ICP-MS具有出色检测限的主要原因之一。2)矩阵效应与ICP-MS一样，ICP-AES可以应用标准品来解决基质效应，例如雾化室效应和样品与标准溶液之间的粘度差异。3)电离干扰仔细选择每种元素的分析条件或添加电离缓冲液（例如，过量的I族元素）可以降低易电离元素的影响。干扰AAS1)光谱干扰具有氘灯背景校正的GFAAS具有一些光谱干扰，但具有塞曼背景校正的GFAAS可以消除这些干扰。2)背景干扰在雾化过程中，对于不同的基材，应仔细设置灰化步骤的条件，以降低背景信号。使用基体改性剂有助于提高可耐受的灰化温度。在许多GFAAS应用中，塞曼按钮背景可以提供比氘灯按钮背景更好的精度。3)气相干扰这是由被测物质的原子蒸气通过进入较冷的气体环境而形成的。现在采用等温石墨管设计和平台技术，将样品雾化到热惰性气体环境中，可以有效降低这种干扰。4)矩阵效应基质效应是由被测物质在石墨管上的不同残留物引起的，这取决于样品的类型。基体改性剂和热注射的应用可以非常有效地减少这些影响。.3精度ICP-MS的短期精密度一般为1-3%RSD，这是在日常工作中使用多标准方法获得的。长期（数小时）精度低于5%RSD。使用同位素稀释法可以获得良好的准确度和精密度，但该方法的成本对于常规分析来说过于昂贵。ICP-AES的短期精度一般为0.3-2%RSD，数小时的长期精度小于3%RSD。GFAAS的短期精度为0.5-5%RSD，长期精度不是时间因素而是取决于石墨管的使用次数。.4样本分析能力ICP-MS具有惊人的分析大量样品以进行痕量元素测定的能力，每个样品的典型分析时间不到5分钟，在某些分析案例中只需2分钟。ICP-MS的主要优势在于其分析能力。ICP-AES的分析速度取决于是使用全谱直读型还是单通道扫描型。每个样品所需的时间为2或6分钟。全谱直读型速度更快，一般2分钟即可测量一个样品。GFAAS对每个样品中每种元素的分析速度为3-4分钟，并且可以在夜间自动工作，以保证样品的分析能力[6][7][8]。根据溶液的浓度和待测元素的数量，下面的例子作为检测仪器选择的参考：1）每个样品测量1-3个元素，元素浓度低于或低于ppb水平。如果能满足被测元素的要求，GFAAS是最合适的。2)每个样品5-20个元素，亚ppm到%含量，ICP-AES是最合适的。3）每个样品需要测量4种以上的元素，亚ppb和ppb含量，而且样品量也很大，ICP-MS比较适合。2.2.3CS600红外碳硫仪图2-5CS600红外碳硫仪红外碳硫仪的工作原理主要是在加入助熔剂的情况下向被测样品供氧，在感应炉的高温下将样品熔化，将样品中的碳转化为CO2，硫被转化为SO2。CO2和SO2是具有永久电偶极矩的极性分子，因此具有振动和旋转等结构。根据量子力学，可分为分裂能级，可与特征波长的入射红外辐射耦合产生吸收，用朗伯-比尔定律分析CO2和SO2的浓度。仪器以氧气为载气取出待测气体，用无水高氯酸镁去除H2O，用滤尘器除尘，用红外检测仪测量SO2的硫含量，然后气体待测物经铂硅胶脱除SO2转化为SO3，SO3被纤维素吸收，剩余CO2用红外检测仪测碳，计算机处理，得到百分含量每个元素[9][10]。CS600红外碳硫仪的碳硫分析范围为：超低碳0.00006%～0.01%；中低碳0.01%～1.00%；高碳1.00%～6.0%；硫0.006%～0.35%。2.2.4TC600氮氧分析仪图2-5TC600氮氧分析仪氧氮分析仪可在惰性气氛中通过脉冲加热分解样品，分别通过溶液红外检测仪和热导检测仪测定各种钢铁、有色金属和新材料中的氧、氮含量。仪器配备两个独立的红外检测池，分别检测高氧和低氧。通过双封闭热导池测量氮。样品在大功率脉冲炉的石墨坩埚中可加热到3000℃以上的高温，脉冲炉采用循环冷却水。氧氮分析仪具有灵敏度高、性能好、测量结果准确可靠等优点。分析过程是利用脉冲加热将样品预先放入石墨坩埚中，以脉冲炉为热源。稀土氧化铜在400℃下生成CO2、N2和H2O，用高纯氦加载到红外吸收池中，测定氧的百分比（原理同红外碳硫仪测量碳含量），然后将CO2和H2O分别用碱性石棉和高氯酸镁吸收，然后色谱分离，剩余的N2通入热导检测器进行检测。用热导法测量。热导法是根据气敏材料的热导率，根据不同可燃气体的热导率与空气之间的差异来测量气体的浓度。通常，使用电路将热导率的差异转换为电阻的变化。传统的检测方法是将待测气体送入毒气室。气室的中心是热敏电阻、铂丝或钨丝等热敏元件，热敏元件被加热到一定温度。当被测气体的热导率较高时。，这将使热量更容易从热敏元件散发并降低其电阻。变化后的电阻通过信号调理与转换电路（可将传感元件输出的电信号转换为