探讨理化检测在材料研究中的地位与作用

探讨理化检测在材料研究中的地位与作用

蒋石林

（广东大长安检测有限公司525011）

摘要：材料的性能取决于它的内部结构，探讨其内部结构与性能之间的关系是材料科学中重要的基础性研究工作。而材料的内部结构同其性能间关系的研究与确立，则是通过理化检测研究和检测工作的参与得以实现。通过论理和实例的阐述，提出了理化检测是材料研究的重要组成部分的观点。

关键词：理化检测；材料；结构；地位；作用

在材料研究中，要了解材料的组成、结构和性能，必须通过理化检测手段及其检测理论研究予以解决，且其材料的组成、结构和性能间的相互关系及其变化规律的研究与确立，也系通过理化检测的研究和测试工作的参与而得以实现的。因此对理化检测在材料研究中的地位和作用有一个不断加深认识的问题。笔者就理化检测的工作性质、研究内容和所解决的材料研究中的问题等方面谈点认识和看法。

1理化检测在材料研究中的研究内容

按其化学元素组成，材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。出于对材料重要性的认识，人们将材料、能源与信息或材料、能源、生物和信息，分别誉之为世界经济发展的三大支柱或支撑现代人类文明大厦的四大支柱。无论在发展农业、工业、国防和科学技术方面,还是在提高人们生活方面,材料都是必不可少的物质基础。材料的品种、数量和质量无疑是一个国家现代化程度的标志之一。随着材料研究的不断深入，以及与材料有关的基础学科的日益发展，对材料的内在本质和规律有了进一步的了解，对各类材料的共性初步得到了科学的抽象，从而诞生了“材料科学”这个新的学术领域。

材料科学主要是研究材料的组成、结构与性能之间相互关系及其变化规律的科学。热力学、动力学、固体物理、固体化学、化学物理等基础学科为材料科学提供理论基础。材料的性能主要取决于材料内部的结构，材料的结构又取决于材料的组成、工艺参数等因素。因此，在材料研究中，必须深入探讨材料的性能与其组成、结构、工艺参数等因素相互间的内在联系，以确定合理的材料组成和最佳的制备工艺、加工工艺和处理工艺，从而获得最理想的内部结构和性能，以满足使用的要求。

这里所说的结构，主要是指材料的微（细）观结构，其中包括材料基体相的显微组织及其零维（点）缺陷、一维（位错）线缺陷、二维（层错、畴界、界面、表面）面缺陷、三维（微孔洞、裂纹、夹杂、晶界）体缺陷以及取向或状态的非均匀性；第二相的类型、结构、组成、数量、形态、尺寸和分布；以及原子按键力分布的晶体结构和电子按能量分布的原子、离子结构。

在材料的组成研究中，对金属材料和无机非金属材料的主量和痕量元素的测定，应用较为普遍的方法有原子光谱法、分子光谱法、电化学法和常规化学法；对有机高分子的分析,则需要有诸如常规的有机化合物的元素分析、红外光谱、核磁共振、质谱、荧光光谱、拉曼光谱等方面的配合。对其结构研究，通常以光学显微镜观察其基体组织及形貌；以工业CT观察其材料内部的微孔洞、裂纹和夹杂物的形态；以透射电镜观察其断口形貌、析出相的形态，借助于能谱或波谱检测，还可给出各相的大致成分；以X射线衍射和选区电子衍射法，鉴定第二相的晶体结构、取向和应力；电子探针能将相的形貌与成分联系起来，可表征微区域成分的相对变化；X射线光电子能谱、X射线荧光光谱、X射线衍射等技术，可研究材料的晶态、异构观像及其中元素的价态；自射线摄照技术用以研究某些元素及其形成相在基体中的分布；热分析可了解材料晶体和无定形结构的关系；质谱能精确地测定有机高分子的分子量、给出分子式和其他结构信息;核磁共振波谱、质谱与色谱的联用、质谱自身的串联、激光拉曼光谱与红外光谱研究有机结构;傅里叶变换-红外光谱和色谱的联合，被誉为鉴定有机结构的“指纹”；激光微探针质谱可获得无机物元素的局部形态和有机物的结构信息；以电子能谱、二次离子质谱、脉冲激光原子探针、俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、X射线衍射和X射线吸收精细结构技术等，研究表面与异质界面原子的几何结构，表面与界面原子的迁移和扩散，表面电子态、异质界面化学键，异质界面扩散反应和界面化合物的形成动力学，异质界面的浸润性、薄膜形成机制和界面失效等等。

复合材料是由一种或几种材料组分与另一种材料组分结合成的多相组合体。它既可以是金属、无机非金属、有机高分子材料各自间的复合，也可以是相互间的复合。因此，对复合材料的结构研究，则主要是对其各组成相间结合状态的研究。其研究方法也是上述各有关方法的综合。

在理化检测领域中，尚有一门研究金属材料中第二相的类型、结构、组成、数量、形态、分布状态及合金元素在相际间的分配，进而建立其合金系同相组成以及相组成同合金性能之间的关系，并可应用于他类材料的物理-化学相分析学科。

在材料研究的过程中，一方面，其材料的确切组成、结构和性能结果的获得是通过理化检测研究和测试工作所完成的；另一方面，其材料的组成、结构和性能之间相互关系及其变化规律的研究与确立，也是通过理化检测研究和测试工作的参与而得以实现的。由此可见，理化检测研究和测试工作是材料研究的重要组成部分。不难想象，如果没有理化检测对材料的组成、结构和性能及其它们之间相互关系的参与研究与检测，材料的研究就无法进行；进而材料的组成、结构和性能之间的关系及其变化规律就无法确立，材料科学就不能发展。

当然，在材料研究中，材料学科学家正在依靠科学理论及配合以高效率计算机工具，探索着材料结构的设计和性能预测的工作，并从其化学元素组成预测高温合金的某种性能、有机大分子的分子设计、复合材料的组织设计和基于线弹性断裂力学对于一定尺度以上裂纹长大与传播过程来预测寿命的方法方面获得一些成效。但由于材料结构和性能影响因素的复杂性和纯理论的局限性，要完全以“设计”和“预测”来代替其实际的理化检测研究和检测工作是不可能的。

2解决材料研究中具体问题的实例

（1）通过对析出相的类型、结构、组成与含量的研究，定量地研究了多种高温合金的时效过程中相的析出、溶解规律和相变规律以及组成与各有关相间的关系、各相与性能间的关系。通过这些规律和关系的研究，选择并确定了某些高温合金有关合金元素的用量、热处理制度，探讨了其组织的稳定性及其合金化机理和强化机理、失效原因等内容。

（2）针对50硼钢的脆化现象，通过对硼在钢中的存在状态与分布，硼相结构、组成与形成、溶解规律，测硼方法的系统研究，提出了Fe23（C,B）6相沿晶界析出的硼脆机理和通过高于950℃固溶处理，并结合快速冷却，以达到消除或改善硼脆的措施。依此，国内统一了测硼方法，修订了50硼钢的部颁标准。

（3）通过对18CrMnNiMoA钢气体碳氮共渗层中固溶氮的测定及固溶体和各种碳氮化物的逐层定量提取、化学分离、测定方法的研究与建立,进而对渗层基体的组织特征和碳氮化物相的类型、结构、组成、含量、形态、沿渗层的分布和合金元素在渗层基体与各碳氮化物相间的分配，残余奥氏体及残余应力在渗层中的分布规律，以及它们同渗层力学性能之间定量关系的系统研究，提出了渗层中碳氮化物的形成机制和碳氮共渗层的强化机理。从而为研究、选择适合于碳氮共渗的钢种及合理的共渗工艺，提供了重要的机理依据。

（4）通过锰的加入量的变化对93W-Ni-Fe-Co合金力学性能的影响，以及对合金中钨颗粒和粘结相的含量与组成，合金的显微组织与断口形貌，锰同氧、硫等原子的分布状态及其所形成夹杂物的类型、结构、形态、尺寸及分布的系统研究，提出了锰在W-Ni-Fe-Co系重合金中晶界净化的作用机制，以及借加入某一或某些可净化钨颗粒/粘结相界面的合金元素，以提高钨颗粒同粘结相间的结合强度，是提高其合金塑性和韧性的一种有效途经。

（5）通过对93W-Ni-Fe-Co（Mn）合金切屑以氧化还原法所得回收粉的化学纯度、粒度、各组分的结合状态及其以回收粉所制再生合金的力学性能间关系的系统研究,探明了回收粉中主要组分不是以单质形式，而是以W[Ni,Fe,Co（Mn）]颗粒和γ-[Ni,Fe,W,Co（Mn）]粘结相之状态存在。故当以回收粉烧结成再生合金时，使合金中各金属

原子间的扩散作用进行得更为充分，使其再生合金中粘结相自身及其分布的均匀性，以及钨在粘结相中和镍、铁和钴在钨颗粒中的溶解度均得以提高，进而使粘结相的自身强度和粘结相与钨颗粒间的结合强度为之增高，从而提供了再生合金的力学性能可优于原始合金的机理依据。

3结论

理化检测学是研究建立物质的组成、结构和性能的测试方法，并提供其结果信息的科学。它在材料研究中，为材料提供其组成、结构和性能的准确结果，参与材料的组成、结构和性能间相互关系及其变化规律的研究与确立。因此，理化检验是材料研究的重要组成部分。

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