金属中气体元素对材料性能的影响及检测方法

【摘 要】介绍了金属中气体元素的概念，综述了气体元素对金属材料性能的影响以及金属中气体元素的测量方法。

【关键词】气体元素；金属；性能；检测方法

1.金属中气体元素的概念

金属中气体元素是指氢、氧、氮三种填隙式相元素，它们以溶液和剩余相夹杂物的形式处于固体的和熔融的金属系统中。我国自1953年就已经开展对金属材料中氧、氮、氢三种气体元素的研究[1]。随着检测技术的发展，碳、硫两种元素可以通过化学反应能生成二氧化碳和二氧化硫气体进行测定，所以也纳入气体分析的范围。因此说金属中的气体元素就是指的碳、硫、氧、氮、氢五种元素。在金属冶炼过程中及金属产品制造过程中，气体元素都或多或少的被引入进去，而这五种元素的存在会对金属材料的性能造成重要的影响。近年来，随着工业和科技的发展，一些尖端的产品及技术需要较高质量的金属材料，因此为了提高产品质量，有必要对各种材料中气体元素采取各种方法进行分析，掌握气体在材料中的含量，研究其对材料性能的影响，为有效地进行控制提供依据，生产出满足不同用途需要的产品。

2.气体元素对金属材料性能的影响

碳是金属及其合金材料中的主要构成元素。碳在金属及其合金材料中的含量、存在形态及所形成碳化物的形态、分布等对材料的性能起到极其重要的作用。碳含量在一定范围内对保持金属的化学性能和力学性能非常重要，而随着碳量的增加，金属的硬度和强度会提高，韧性和塑性则会变差。

硫的存在会引起钢的热脆性，降低其力学性能，它对金属的耐磨性、塑性、可焊接性等亦有不利的影响。例如钢和生铁中的含硫量直接影响到其产品的等级和牌号，生产低硫、低磷钢是现代冶炼工艺追求的目标。碳、硫的含量是衡量金属质量优劣的重要指标。

氧含量对金属材料的化学性能和力学性能影响很大，一般在做检测时都要求金属材料中氧的含量尽可能低，防止材料的氧化和锈蚀也是金属的基本要求。如果氧含量增加，金属的抗冲击值大大降低、抗疲劳性能恶化，导致金属材料的使用寿命会大大降低。优质钢在生产中严格控制氧的含量，时速200km/h以上高速铁路用重轨要求氧含量在0.0020%以下，一些高纯金属、高温合金要求氧含量在0.001%以下，0号无氧钢要求氧含量在0.0005%以下。

当金属中氮含量超过一定限度并且在加热升温时会出现“蓝脆”现象，金属的塑性下降，脆性增加。同时含氮量较高时将使金属的宏观组织疏松，甚至产生气泡；在硅钢中含有氮化铝将导致矫顽力增大和导磁率降低；较大尺寸的氮化铝使帘线钢在拉拔过程中增加断丝率。但是，氮作为一种形成和稳定的奥氏体能力很强的元素，其能力约等于镍的20倍，在一定限度内可以代替部分镍。在不降低塑性的条件下，提高钢的硬度、强度和耐腐蚀性；氮与铬、钨、钼、钒、钛等元素形成弥散稳定的氮化物后，能大大提高钢的蠕变和持久强度；对钢件表面渗氮处理得到高弥散的氮化层，可以获得良好的综合力学性能，具有很好的耐磨和抗腐蚀性能。

一般情况下，进入金属中的氢是极为有害的。金属材料经常发生的氢损伤现象，就是与氢有关的断裂现象。主要表现为材料的力学性能发生恶化：氢通过软化或硬化机制改变材料的屈服强度，塑性明显降低，诱发裂纹萌生，最后导致断裂、滞后破坏、塑性-脆性转变和低温脆性断裂等等。另外，氢在高温下渗透性很强，锻件及焊接件在制造过程中很容易产生各种氢致缺陷，焊缝中扩散氢含量是直接影响焊接接头抗冷裂纹性能的主要因素之一。金属中氢的含量很低，钢铁及合金中含氢量一般小于0.0010%，如果超过0.003%，会出现“白点”或“氢脆”，易发生脆性断裂，裂纹在氢化物成核并扩展，严重影响钢材的质量。航空工业所用的铝和铝合金、钛和钛合金、镍合金等材料对氢含量都有严格的要求，核电燃料元件制造过程中，核材料中氢的含量也是重要控制指标之一。

3.金属中气体元素的测量方法

气体分析已成为分析化学的一个重要组成部分。气体分析的方法有很多，早期测定氢、氧、氮、碳、硫主要采用显微镜法、电子光谱法、质谱法、放射化学分析、内耗法、核磁共振法、电导法，试样转变成稳定的化合物的化学法等。不过由于早期技术水平的限制，大部分都是单一测量某一种气体元素。随着计算机技术的发展及其在气体元素测量中的应用，气体元素的分析有传统的化学方法向仪器分析方法发展，由单一的气体元素分析向多元素同时检测的方向发展[2，3]。

目前我国很多企业都已经推出各种品牌的气体分析仪器。如北京纳克、上海德凯、南京麒麟、无锡创想等仪器公司推出碳硫测定仪，北京纳克分析仪器公司和上海宝英光电科技有限公司已经推出氧氮测定仪。氢的分析方法，可分为氢的提取和测定两个部分，国内对氢元素的测量与国外还有一定的差距。美国力可公司已经推出氧氮氢联合测定仪，可实现对金属材料中氧氮氢三元素快速准确的分析。

市场上对气体元素分析的各种设备多达数十种，相应的分析方法也很多。目前功能最强、最方便的仪器就是红外碳硫测定仪和氧氮氢联合测定仪，因此这两种仪器在气体元素分析中的市场是最受欢迎。

红外气体分析技术发展迅速，它具备分析速度快、准确性好、范围广、稳定可靠等优点，特别在超低碳、硫含量的测定，非金属材料碳、硫的测定方面有明显优势，显示出红外气体分析仪的独特优点。自八十年代以来，我国引进了多种型号的红外碳硫分析仪 ，在生产和科研部门满足了对常规碳硫的快速、准确的要求同时，国产的红外碳硫仪不断涌现，目前这种方法更趋完善。

高频炉燃烧红外线吸收法测定碳和硫的应用日趋广泛，方法简便、快速、准确度高。在高频感应炉内试样通氧燃烧，此时样品熔融完全，生成的二氧化碳、二氧化硫和氧气混合气体经除尘、除水干燥，进入二氧化硫和二氧化碳红外检测器（红外吸收池），测定其对特定波长（CO24.26μm，SO27.40μm）的吸收，根据其对红外能吸收大小由朗伯-比耳定律分别计算碳和硫的质量分数。红外吸收法是一个相对测量方法，需用标准物质或基准物质在同条件下操作对分析仪器进行校准。

红外线吸收法测定碳、硫的灵敏度高，测量范围宽，可准确测定钢铁和合金中低至0.0005%的痕量碳和硫。红外线吸收法广泛用于金属及其合金、非金属材料、矿石等原辅材料中碳、硫量的测定。红外线吸收法通常采用高频感应炉加热，其炉温高，在短时间内将试样熔融燃烧，温度达1700～2000℃，有利于难溶试样和低含量碳、硫的测定。

氧氮氢联合测定仪采用惰性气体高温熔融法将金属材料中的氧氮氢三元素分解出，采用五个检测池分别检测氧氮氢三元素的含量。其中有三个独立红外检测池检测氧，同时检测CO和CO2，然后再转化为CO2集中检测，不仅可以保证中间量程的测量精度，在超低含量和高含量的检测范围内同样可以满足精度要求，插拔式集成一体化设计，无移动部件。无需操作人员调整检测器输出电压，软件实时调节检测器输出电压并保持最佳输出值。

热导检测池专门检测氮元素含量，原装的流量补偿控制系统，保证了流量系统的完善，可以精确控制整个气路中的流量，保持流量恒定，改善了材料中高含量氧分析的准确度，特别对高氧低氮的试样，只有配置这样的流量补偿装置才能保证测量精度。

专业的高灵敏度的固态红外吸收检测池或热导检测池用于检测氢元素，保证其检测精度的同时，真正实现了氧氮氢三元素的联测。

4.结语

目前气体元素的检测在金属材料中非常重要，随着科技的发展，非常多的检测方法和检测设备用于检测金属材料中气体元素的含量。我国气体元素检测设备也用长足的发展，尤其是碳硫检测仪已经达到了国际水平，而氧氮氢的联合检测设备与国外先进水平还有一定的差距。另外国外检测设备的价格比较昂贵，如何在保证检测准确度和稳定性的情况下降低设备的成本价格也是国内企业需要考虑的问题。

【参考文献】

[1]李婷，刘颂禹.金属中气体分析进展[J].冶金分析，1999，6：35-39.

[2]朱跃进，李素娟，邓羽.样品制备对金属中微量氧、氮、氢分析结果的影响[J].冶金分析，2008，8：40-43.

[3]黄琴，于健，李恩春.红外吸收法测定超低碳钢中的碳硫[J].新疆钢铁，2012，3：54-57.

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