金属物理性能分析
physical examination of metals
选择适当的物理参量进行测定,以研究金属内部组织结构变化规律。通常包括:热分析、电阻分析、磁性分析、膨胀分析、热电分析、内耗分析、弹性分析和穆斯堡尔谱分析等。这些方法的一般特点是:速度快,既可研究测定一定的组织状态,也可综观组织变化的动态全貌。几种常用的物理性能分析法(内耗分析见内耗简述如下:
热分析 金属和合金的组织变化过程常伴有明显的吸热或放热反应。热分析就是利用这种热效应分析金属及合金组织状态转变的一种方法(见固态相变)。
热分析曲线是在一定的加热或冷却速率下测定试样的温度升高和加热时间或温度降低和冷却时间的关系曲线。为了准确测定温度,提高测量的灵敏度及精确度,可以测定一定温度间隔变化所需要的时间;也可以采用在测定的温度范围内不发生内部转变(相变)的标准试样作为参考,将被测试样和标准试样放在同一加热或冷却过程的环境中,测定试样与标准试样的温度差与时间的关系,即建立示差热分析曲线。图1是共析钢(含碳0.8%)的示差热分析曲线及温度-时间曲线,从曲线的转折处可以确定相变的临界点(见铁碳平衡图)。
热分析方法是测定合金相图的基本方法之一,也用于研究钢中过冷奥氏体的转变过程(见过冷奥氏体转变图)。利用热效应还可用以研究有序无序转变、淬火钢的回火、合金时效(见脱溶)以及冷变形金属加热时形变能的释放等过程。
电阻分析 精确测定金属和合金电阻的变化以分析其组织变化的方法称为电阻分析。其突出的优点是灵敏度高,因为电阻对金属和合金的组织结构变化十分敏感,但影响电阻的因素较多,对测量的结果往往难以确切地进行分析。金属的导电性能一般以电阻率ρ来表示。金属和合金的电阻率与其化学成分、组织结构状态和所处的温度有关。例如,形成固溶体将使电阻升高;淬火或冷变形亦升高电阻。凡是能阻碍金属中自由电子移动的因素,均使其电阻率升高;反之,则使电阻率降低。据此可以进行金属和合金中某些物理化学变化的研究。金属是良导体,ρ值很小,当金属的组织变化时,引起的ρ值变化也很小。因此,金属电阻率的测量一般采用双电桥或高电阻电位计等精密测量仪器。
电阻分析是研究合金时效的最有效的方法之一,亦可用以测定固溶体的溶解度曲线,研究不均匀固溶体的形成,固溶体的有序无序转变,马氏体相变和淬火钢在回火时碳化物的析出,以及研究金属材料的疲劳过程、裂纹的形成和扩展等断裂问题。
磁性分析 测定表征磁性的各种参数(如磁化强度,磁化率,磁导率,矫顽力和磁感应强度等)以分析金属组织的方法。磁化强度M与磁场强度H 的关系为:M=xH
其中x为磁化率,根据x的大小及正负,可将物质分为三类:(1)逆磁体的x为负值,约为10-4~10-6,如Cu、Ag、Au、Zn等;(2)顺磁体的x为正值,约为10-3~10-5,如Al、Mg、Na等;(3)铁磁体的x为正值,且数值很大,如Fe、Co、Ni。磁化率与合金的成分、组织、结构和状态有关,测定x可用来研究逆磁与顺磁合金,特别是有色金属及其合金。也可用于测定合金的最大溶解度曲线或研究合金的时效析出等过程。
磁化曲线和磁滞回线是表征铁磁性的基本曲线(图2)。根据磁感应强度B与磁场强度H的关系:B=μH,可以求出初始磁导率 μ0(H=0处)和最大磁导率μmax,还可以求得矫顽力Hc(B=0)以及饱和磁感应强度。
根据磁滞回线可以判定材料的磁性。例如硬磁(永磁)材料要求Hc及Br(剩余磁感)高,软磁材料要求μ高和Hc低,而作为电子计算机的磁芯材料则要求具有矩形的磁滞回线。由于合金成分、热处理和加工硬化均对材料的磁性有影响,因而可以通过测量磁滞回线来选定最佳的合金成分和加工工艺。 钢中的磁性分析多用于相分析和相变动力学的研究。由于钢中奥氏体在任何温度均为顺磁体,而它的转变产物包括铁素体、珠光体、贝氏体,马氏体在768℃以下均为铁磁体。因此可以通过测量饱和磁化强度的变化来研究过冷奥氏体的等温转变过程,图3是亚共析钢等温转变的动力学曲线,转变自t1开始,至t2结束。磁性分析还常用来测量淬火钢中的残留奥氏体含量,测定马氏体点(Ms)以及研究淬火钢回火过程中马氏体、奥氏体的分解,碳化物类型的转变,以及对渗碳、石墨化、粉末压制工艺中磁性相的分析等。