[拼音]：jinshu wuli xingneng fenxi

[外文]：physical examination of metals

選擇適當(dāng)?shù)奈锢韰⒘窟M(jìn)行測(cè)定，以研究金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。通常包括：熱分析、電阻分析、磁性分析、膨脹分析、熱電分析、內(nèi)耗分析、彈性分析和穆斯堡爾譜分析等。這些方法的一般特點(diǎn)是：速度快，既可研究測(cè)定一定的組織狀態(tài)，也可綜觀組織變化的動(dòng)態(tài)全貌。幾種常用的物理性能分析法（內(nèi)耗分析見(jiàn)內(nèi)耗簡(jiǎn)述如下：

熱分析

金屬和合金的組織變化過(guò)程常伴有明顯的吸熱或放熱反應(yīng)。熱分析就是利用這種熱效應(yīng)分析金屬及合金組織狀態(tài)轉(zhuǎn)變的一種方法（見(jiàn)固態(tài)相變）。

熱分析曲線是在一定的加熱或冷卻速率下測(cè)定試樣的溫度升高和加熱時(shí)間或溫度降低和冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線。為了準(zhǔn)確測(cè)定溫度，提高測(cè)量的靈敏度及精確度，可以測(cè)定一定溫度間隔變化所需要的時(shí)間；也可以采用在測(cè)定的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生內(nèi)部轉(zhuǎn)變（相變）的標(biāo)準(zhǔn)試樣作為參考，將被測(cè)試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣放在同一加熱或冷卻過(guò)程的環(huán)境中，測(cè)定試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的溫度差與時(shí)間的關(guān)系，即建立示差熱分析曲線。圖1是共析鋼(含碳0.8％)的示差熱分析曲線及溫度-時(shí)間曲線，從曲線的轉(zhuǎn)折處可以確定相變的臨界點(diǎn)（見(jiàn)鐵碳平衡圖）。

熱分析方法是測(cè)定合金相圖的基本方法之一，也用于研究鋼中過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程（見(jiàn)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖）。利用熱效應(yīng)還可用以研究有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、淬火鋼的回火、合金時(shí)效（見(jiàn)脫溶）以及冷變形金屬加熱時(shí)形變能的釋放等過(guò)程。

電阻分析

精確測(cè)定金屬和合金電阻的變化以分析其組織變化的方法稱為電阻分析。其突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，因?yàn)殡娮鑼?duì)金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)變化十分敏感，但影響電阻的因素較多，對(duì)測(cè)量的結(jié)果往往難以確切地進(jìn)行分析。金屬的導(dǎo)電性能一般以電阻率ρ來(lái)表示。金屬和合金的電阻率與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)和所處的溫度有關(guān)。例如，形成固溶體將使電阻升高；淬火或冷變形亦升高電阻。凡是能阻礙金屬中自由電子移動(dòng)的因素，均使其電阻率升高；反之，則使電阻率降低。據(jù)此可以進(jìn)行金屬和合金中某些物理化學(xué)變化的研究。金屬是良導(dǎo)體，ρ值很小，當(dāng)金屬的組織變化時(shí)，引起的ρ值變化也很小。因此，金屬電阻率的測(cè)量一般采用雙電橋或高電阻電位計(jì)等精密測(cè)量?jī)x器。

電阻分析是研究合金時(shí)效的最有效的方法之一，亦可用以測(cè)定固溶體的溶解度曲線，研究不均勻固溶體的形成，固溶體的有序無(wú)序轉(zhuǎn)變，馬氏體相變和淬火鋼在回火時(shí)碳化物的析出，以及研究金屬材料的疲勞過(guò)程、裂紋的形成和擴(kuò)展等斷裂問(wèn)題。

磁性分析

測(cè)定表征磁性的各種參數(shù)（如磁化強(qiáng)度，磁化率，磁導(dǎo)率，矯頑力和磁感應(yīng)強(qiáng)度等）以分析金屬組織的方法。磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的關(guān)系為：M＝xH

其中x為磁化率，根據(jù)x的大小及正負(fù)，可將物質(zhì)分為三類:(1)逆磁體的x為負(fù)值，約為10^-4～10^-6，如Cu、Ag、Au、Zn等；(2)順磁體的x為正值，約為10^-3～10^-5，如Al、Mg、Na等;(3)鐵磁體的x為正值，且數(shù)值很大，如Fe、Co、Ni。磁化率與合金的成分、組織、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，測(cè)定x可用來(lái)研究逆磁與順磁合金，特別是有色金屬及其合金。也可用于測(cè)定合金的最大溶解度曲線或研究合金的時(shí)效析出等過(guò)程。

磁化曲線和磁滯回線是表征鐵磁性的基本曲線(圖2)。根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系：B＝μH，可以求出初始磁導(dǎo)率 μ₀(H＝0處)和最大磁導(dǎo)率μ_max，還可以求得矯頑力H_c(B＝0)以及飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)磁滯回線可以判定材料的磁性。例如硬磁（永磁）材料要求H_c及B_r（剩余磁感）高，軟磁材料要求μ高和H_c低，而作為電子計(jì)算機(jī)的磁芯材料則要求具有矩形的磁滯回線。由于合金成分、熱處理和加工硬化均對(duì)材料的磁性有影響，因而可以通過(guò)測(cè)量磁滯回線來(lái)選定最佳的合金成分和加工工藝。

鋼中的磁性分析多用于相分析和相變動(dòng)力學(xué)的研究。由于鋼中奧氏體在任何溫度均為順磁體，而它的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物包括鐵素體、珠光體、貝氏體，馬氏體在768℃以下均為鐵磁體。因此可以通過(guò)測(cè)量飽和磁化強(qiáng)度的變化來(lái)研究過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程，圖3是亞共析鋼等溫轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)曲線，轉(zhuǎn)變自t₁開(kāi)始，至t₂結(jié)束。磁性分析還常用來(lái)測(cè)量淬火鋼中的殘留奧氏體含量，測(cè)定馬氏體點(diǎn)(M_s)以及研究淬火鋼回火過(guò)程中馬氏體、奧氏體的分解，碳化物類型的轉(zhuǎn)變，以及對(duì)滲碳、石墨化、粉末壓制工藝中磁性相的分析等。

膨脹分析

金屬和合金在加熱或冷卻時(shí)，除具有一般的熱脹冷縮外，在發(fā)生同素異構(gòu)等相變時(shí)，將伴有明顯的體積變化，因而有附加的脹縮。例如鋼在加熱時(shí)，珠光體變?yōu)閵W氏體，產(chǎn)生收縮；而快冷時(shí)，若奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體則有體積的明顯膨脹。因此，測(cè)量金屬加熱或冷卻時(shí)的膨脹曲線，根據(jù)曲線上偏離正常熱膨脹的起始位置，可以定出鋼的相變臨界點(diǎn)，并可研究相變的規(guī)律。圖4是共析鋼的膨脹曲線。目前，可控自動(dòng)記錄快速膨脹儀是測(cè)定鋼中過(guò)冷奧氏體在連續(xù)冷卻中的轉(zhuǎn)變和連續(xù)加熱時(shí)奧氏體形成的有力工具。采用膨脹分析配合磁性分析和金相分析，可以建立鋼的奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)以及連續(xù)加熱時(shí)奧氏體形成的曲線。此外，膨脹法還可以研究快速升溫時(shí)合金的相變和合金的時(shí)效動(dòng)力學(xué)。

穆斯堡爾譜分析

穆斯堡爾效應(yīng)(簡(jiǎn)稱穆氏效應(yīng))是一種原子核無(wú)反沖的γ射線發(fā)射和共振吸收。從原理上看，原子價(jià)態(tài)和原子在表面鍵合、原子在平衡位置處的運(yùn)動(dòng)、原子周圍電場(chǎng)的對(duì)稱性、原子附近磁場(chǎng)的大小、原子在表面的運(yùn)動(dòng)和表面結(jié)構(gòu)以及相分析的信息，都可以從穆氏效應(yīng)獲得。

在具體的實(shí)驗(yàn)中，將發(fā)射低能γ射線的核，用高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)鑲嵌到適當(dāng)?shù)木w中，做成穆斯堡爾源。在其附近放置含有同樣同位素但處于基態(tài)的吸收體，用一個(gè)推動(dòng)裝置（振子）帶動(dòng)穆斯堡爾源，相對(duì)于吸收體往返運(yùn)動(dòng)。和聲學(xué)中的多普勒現(xiàn)象相似，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)就相當(dāng)于γ射線的有效能量（或頻率）發(fā)生變化。當(dāng)其能量數(shù)值與吸收核激發(fā)態(tài)能量一致時(shí)，發(fā)生共振吸收。在吸收體試樣后設(shè)置檢測(cè)器可以測(cè)到表達(dá)相對(duì)吸收與振子運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系的吸收譜，即得到包括形狀、共振吸收峰位置、峰的寬窄和高低等的穆斯堡爾譜。

原子核的能級(jí)受核的環(huán)境影響，如原子的s電子、波函數(shù)變化或磁場(chǎng)的存在，都會(huì)引起核的能級(jí)變化使穆斯堡爾譜中吸收峰的高低或相當(dāng)于最大吸收的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（即峰值）的位置發(fā)生變化。

穆斯堡爾效應(yīng)的特點(diǎn)是γ射線對(duì)吸收核的能級(jí)特性十分靈敏，所以，它是一種獨(dú)特的核探針，用穆斯堡爾譜可以研究試樣中核所受的“超精細(xì)作用”。超精細(xì)作用來(lái)自原子核與核外電子及附近其他離子的電磁作用。因此，分析穆斯堡爾譜可以了解原子的電子結(jié)構(gòu)，核所處的物理和化學(xué)環(huán)境等等。

對(duì)金屬和合金，例如采用⁵⁷Fe核，當(dāng)合金化或熱處理引起核鄰近化學(xué)環(huán)境(原子分布、電子結(jié)構(gòu))的變化時(shí)，通過(guò)穆斯堡爾譜的基本參數(shù)分析，可以分析合金相的組成，研究相結(jié)構(gòu)、原子組態(tài)和電子結(jié)構(gòu)的變化。近年來(lái)，應(yīng)用穆斯堡爾譜在研究合金磁性、有序化、脫溶過(guò)程、馬氏體相變以及某些合金元素在鐵中的行為等已取得許多有價(jià)值的信息。以淬火鋼為例，由于鐵磁相馬氏體中的Fe原子核，處在有效內(nèi)磁場(chǎng)中，穆斯堡爾譜呈六線譜；而順磁相奧氏體⁵⁷Fe核呈單峰，位于當(dāng)中；從譜線面積之比可以估算馬氏體和奧氏體的相對(duì)含量，并分析馬氏體中碳原子的間隙位置。應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)還觀察到一些低溫馬氏體的新現(xiàn)象，當(dāng)高碳鋼淬火到液氮溫度(77K)，測(cè)得的穆斯堡爾譜中發(fā)現(xiàn)馬氏體的六組峰還包含著許多小峰。理論分析表明，它代表有不同數(shù)目的近鄰碳原子對(duì)⁵⁷Fe原子核的貢獻(xiàn)。該合金室溫時(shí)效12天后，奧氏體峰未有變化，馬氏體的小峰高低改變，表明馬氏體中碳原子在不同間隙位置發(fā)生再分布，這些是X射線分析與電子顯微鏡觀測(cè)中不能提供的信息。

正電子湮滅技術(shù)

正電子 (e⁺)是電子(e^–)的反粒子。當(dāng)正電子與電子相遇時(shí)，這兩個(gè)電子在大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)化為兩個(gè)γ光子，這個(gè)過(guò)程稱為正電子的湮滅。若湮沒(méi)時(shí)電子偶的機(jī)械能忽略不計(jì)，所形成的兩個(gè)光子各具有511keV的能量，沿相反方向射出相應(yīng)能量γ射線。正電子射入樣品后，在極短時(shí)間內(nèi)(小于10^–11s)因損失能量而減速，然后在材料中自由擴(kuò)散，遇到電子而湮沒(méi)。正電子的壽命與其所在處的電子密度有關(guān)，約為(100～500)×10^–12s，電子密度愈低，其壽命愈長(zhǎng)。當(dāng)材料中存在空位型缺陷時(shí)，由于這種缺陷帶有等效負(fù)電荷，能夠吸引正電子，使之不再自由擴(kuò)散，而是被束縛在缺陷中，這一現(xiàn)象稱為捕獲現(xiàn)象。由于缺陷中電子密度較低，處于捕獲態(tài)的正電子壽命τ_d較自由態(tài)正電子的壽命為長(zhǎng)，而且缺陷的尺寸愈大，電子密度愈低，τ_d愈長(zhǎng)。因此，正電子壽命能反映材料中缺陷的大小或種類。同時(shí)，缺陷的濃度越高，正電子被捕獲的幾率就愈大，長(zhǎng)壽命成分在壽命譜中所占的相對(duì)強(qiáng)度也越大，因此長(zhǎng)壽命成分的相對(duì)強(qiáng)度反映缺陷的濃度。此外，由于電子偶動(dòng)量p??0，兩個(gè)γ光子運(yùn)動(dòng)方向偏離180°，從2γ角關(guān)聯(lián)可以測(cè)得動(dòng)量分布曲線，用以研究電子的動(dòng)量和能帶結(jié)構(gòu)；利用電子偶運(yùn)動(dòng)引起湮滅能的變化，即從多普勒增寬測(cè)量中得到有關(guān)缺陷的信息；例如，缺陷的存在，使動(dòng)量分布曲線變窄。

利用正電子湮滅技術(shù)研究單空位、雙空位、位錯(cuò)、空位團(tuán)和微空洞等，靈敏度高（適于缺陷濃度為10^-7～10^-4的范圍），可以鑒別不同缺陷，測(cè)定其形成能。正電子湮滅試驗(yàn)用的試樣對(duì)制備沒(méi)有特殊要求，但對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的確切分析比較困難。

自50年代開(kāi)始正電子湮滅技術(shù)用于金屬材料的研究，60年代以后蓬勃發(fā)展，在測(cè)定金屬及其他固體中空位的形成能、研究輻照效應(yīng)、疲勞、氫脆、形變和回復(fù)、時(shí)效沉淀、馬氏體相變以及非晶態(tài)金屬等領(lǐng)域中發(fā)揮其作用。

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標(biāo)簽：金屬物理性能分析

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文章名稱：《金屬物理性能分析》

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