2.2.2 常規(guī)化學(xué)成分分析技術(shù)

在失效分析中，化學(xué)成分分析是必不可少的。通過化學(xué)成分分析可以確認(rèn)失效件是否符合設(shè)計(jì)制造對(duì)材料的要求、化學(xué)成分含量是否與失效有關(guān)等信息。

1.化學(xué)成分分析在失效分析中的作用

化學(xué)成分是決定零部件性能的基本要素，各元素對(duì)性能的影響，不僅體現(xiàn)在該元素的作用，而且體現(xiàn)在與其他元素之間的互相作用。下面以鋼鐵零件為例進(jìn)行說明。

鋼中加入的合金元素，通過與鐵、碳的作用，合金元素之間的作用，使鋼的晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織發(fā)生變化，改善和提高鋼的性能。主要作用可分為三個(gè)方面：改善鋼的力學(xué)性能、改變鋼的工藝性能（包括鋼的熱處理）、形成鋼的特殊性能。

合金元素在鋼中的含量都有上下限要求，倘若超出了范圍，會(huì)對(duì)鋼的使用性能造成影響，嚴(yán)重的會(huì)引起失效。以下為一些常用元素在鋼鐵中的作用及其對(duì)失效的影響。

（1）錳在材料中的作用 強(qiáng)烈提高淬透性，使經(jīng)過淬火、回火的材料得到合理的組織結(jié)構(gòu)而且提高其力學(xué)性能。錳含量較高時(shí)，材料有明顯的回火脆性，尤其是第一類回火脆性嚴(yán)重；錳促使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使材料過熱較敏感；材料中夾雜物較多。

（2）硅在材料中的作用硅也能提高淬透性，但作用較弱，硅一般都與錳配合使用。硅能明顯提高材料的疲勞極限，硅對(duì)提高材料的抗氧化功能和耐腐蝕性能均有良好的作用。硅含量較高時(shí)，促進(jìn)材料的表面脫碳；易產(chǎn)生石墨化；對(duì)材料的焊接性不利。

（3）硫在材料中的作用 硫在α-Fe中幾乎不溶，即使含量很少，由于偏析也會(huì)形成FeS，所以硫在材料中以FeS存在，當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行熱加工時(shí)，這些低熔點(diǎn)的共晶體先開始熔化導(dǎo)致開裂，稱為“熱脆性”。材料中硫含量較高時(shí)，硫化物夾雜物多，使材料的塑性和韌性下降，還會(huì)造成區(qū)域偏析和形成帶狀組織；硫有改善切削加工性能的作用。

（4）磷在材料中的作用 由于磷在α-Fe中僅少量溶解且擴(kuò)散困難，容易造成比較嚴(yán)重的枝晶和區(qū)域磷偏析，導(dǎo)致組織和性能不均勻，顯著降低材料的塑性、韌性，尤其是在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，稱為“冷脆性”，磷能增加回火脆性和焊接裂紋的敏感性。

2.化學(xué)成分超標(biāo)對(duì)鋼的影響

化學(xué)成分超標(biāo)包括主元素超標(biāo)、雜質(zhì)元素過高或混入其他元素，其主要會(huì)對(duì)材料性能造成影響，會(huì)導(dǎo)致材料性能不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品的要求。元素超標(biāo)主要是由于金屬在冶煉過程中工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致的。

3.化學(xué)成分不均勻?qū)︿摰挠绊?/span>

偏析是鑄錠出現(xiàn)化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，偏析會(huì)嚴(yán)重影響材料性能。

4.化學(xué)成分分析技術(shù)

常用的化學(xué)成分分析技術(shù)按照分析原理或物質(zhì)性質(zhì)分類可分為人工濕法分析和儀器分析法。而儀器分析法又分為光學(xué)分析法、色譜分析法和電化學(xué)分析法等。

（1）人工濕法分析 濕法分析是指?jìng)鹘y(tǒng)的手工分析法，以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，根據(jù)反應(yīng)結(jié)果測(cè)定含量的分析方法，也是常用的仲裁分析方法。

（2）儀器分析法 金屬材料分析中光譜法應(yīng)用較為廣泛，常用的光譜法有原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、紅外吸收光譜法和X熒光光譜法等。

1）電感耦合等離子體發(fā)射光譜法。其屬于原子發(fā)射光譜法，可以鑒別樣品中是否含有某種元素（定性分析）或確定樣品中相應(yīng)元素的含量（定量分析）。ICP光譜儀是金屬實(shí)驗(yàn)室常用的化學(xué)成分分析儀器之一，它可以分析元素周期表中的絕大多數(shù)元素。ICP光譜儀如圖2-4所示。

2）紅外碳硫儀分析技術(shù)。其屬于紅外光譜分析技術(shù)，可以快速地分析鋼鐵及其他材料中碳和硫的含量。碳硫分析儀如圖2-5所示。

3）X熒光光譜儀分析技術(shù)。其廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、有色金屬等各個(gè)領(lǐng)域，是國際標(biāo)準(zhǔn)分析方法之一，可分析固體、粉末、熔珠、液體等樣品。由于入射光是X射線，發(fā)射出的熒光也在X射線范圍內(nèi)，因此常稱為二次X射線光譜分析或X射線熒光光譜分析法。分析范圍為Be到U，具有分析速度快、測(cè)量范圍寬、干擾小的特點(diǎn)。X熒光光譜儀如圖2-6所示。

圖2-4 ICP光譜儀

圖2-5 碳硫分析儀