浅析热分析及X射线衍射技术在工程材料检测中的应用

浅析热分析及X射线衍射技术在工程材料检测中的应用

黄振坤

  350525198709106277

摘要：伴随科学技术的发展，越来越多的先进仪器被用于工程实践中，特别是材料的检测。本文简要的介绍热分析和X射线衍射技术，并简要分析它们在工程中的典型应用情形。

关键词：热分析技术；X射线衍射检测技术；工程材料检测；应用

引言

目前，x射线检测领域的最新研究方向是对某些等效数值进行研究，该研究的意义是为各种材料检测提供了相同的x射线照相参数、透明度方法和注释。目前常用的图像主要是钢铁材料，而其他材料检测须判断薄膜的灵敏度是否符合标准，因此有必要进行钢铁和不同材料的等效厚度转化研究。如果可以将不同材料转化为钢材料的等效系数，意味着可以将未知材料的厚度转换为已知的钢材料厚度，可以保证测试的进行和提高检测的质量。同时利用x射线进行无损探伤可以提前发现材料的微观缺陷，降低材料的安全隐患。

1. 热分析技术

热分析技术是研究材料的转变和反应与温度的关系，常见的有脱水，结晶-熔融，相变等。热分析技术于19世纪开始应用，直到电子技术的发展应用才推动了热分析技术的快速发展和广泛使用。热分析技术应用场景广泛，可以用于检测材料的物性包括质量、温度、热焓变化、尺寸、力学特性、声学特性、光学特性、电学及磁学特性等。热分析技术按不同分类标准有不同的分类方式，按照ICTA命名委员会的命名方法，将热分析技术进行分类审定，共计分成9类17种。在这17中热分析技术中，最常用用的是差热分析（DTA）、热重（TG）、差示扫描量热（DSC）。热重法（TG）是指程序温度控制下，表征物质质量与温度（或时间）关系的技术，其表达式为：W=f(T or t)。热重法分析法经过发展，已广泛应用诸多领域，常见的用于物质的成分分析、不同气氛下物质热性质、物质热分解过程和热解机理、相图测定等。差热分析法（Differential Thermal Analysis, 简称DTA）是指同一温度场中以一定速度加热或冷却试样和标准样之间温度差技术而产生温度差是由于才开发生相变、化学反应、分解或其他变化产生热效应。差示扫描量热法DSC（Differential Scanning Calorimetry )是指在程序控制温度下，测量输入到试样和标准样的功率差与温度关系技术。

2. X射线衍射检测技术

本质上，X射线、⾃然光在是没有区别，都是电磁波；但X射线粒子能量远⼤于可见光，可穿透可见光⽆法穿透的物体，可与物体进行物理和化学作⽤。依电磁波的相关理论，当X射线波长越短，穿透率越⾼；物体的密度越低、厚度越薄，X射线穿透越容易。X射线检测原理是利用X射线的穿透性和X射线与物体的物理、化学作用，借助图像探测器上显示一个放大的X光图。X射线检查技术的应⽤场合有以下几种：①用于质量检验、检测铸造和焊接过程中的缺陷厚度测量；②⽤于在线、实时、⾮接触式厚度测量；③用于安全检查，如机场、车站的危险物品扫描；④用于动态研究，例如弹道，铸造技术等。而与建筑工程领域最适用的是用于建筑材料的质量检验，常见的有X射线无损探伤技术等。X射线无损探伤技术不会损坏被检物，通过探测器将检测数据传输⾄电脑，应用软件处理实时成像，显⽰出检测结果，易操作、易保存。

3. 建筑工程材料质量检测的必要性

影响建筑工程质量的因数很多，包括设计、施工、保养等因素，其中材料质量是关键因素。高质量合格的建筑材料是满足设计指标的前提，也是保证建筑工程质量的前提。在施工组织设计和工程质量管理中，建筑材料在投入使用前都必须要按照相关的标准规范和检验方法进行质量检查，以确认投入使用的建筑材料符合设计规范、满足质量要求。作为工程项目的主要参与单位，建筑施工企业应对入场的施工材料进行严格的取样检测。建筑材料进行质量检查和控制的重要性有以下几个方面：

影响建筑工程的整体安全性能，特别是主体工程的安全性，材料的质量直接决定建筑工程的施工质量。施工用的材料质量检测结果不准确、不规范，将会误导设计单位和施工单位等，导致材料选择出现偏差，进而影响施工整体质量。

建筑材料质量决定钢筋、水泥、砌块等材料的质量控制，整体质量的提升有助于减少外部环境因素脆弱性。如提高整体的密封性，可减少建筑工程漏水质量问题，同时可提高建筑整体的保温性，节约能量损坏。

有利于推广新材料和工艺。随着建筑技术的发展，对材料和工艺的质量要求越来越高。为了满足新型项目建造需求，设计单位和施工单位需要更新新材料和工艺的使用，需要对新材料进行质量控制，更新材料的检测方法，并在建造中检查新材料和工艺是否符合设计要求。

4. 建筑工程材料检测常见问题

4.1检测试验系统老旧

材料检测结果的准确性受材料本身的均匀性、检测的环境、检测设备、人员操作等因素影响。性能良好、稳定可靠的检测设备，特别是新型检测技术的检测设备对于保证检测结果的准确性具有重要的影响，同时也影响材料工程师对检测结果的分析和综合判定

。但是，目前建筑行业质量监督受政府管辖，质量监督检查一般由行政机关下属的单位进行检测。而相关单位更换设备也受政府管辖，受政府预算而无法及时更新；而且也存在部分检测技术人员因缺乏专业水平、不熟悉材料检测分析质量控制，导致检测结果出现较大的波动。

4.2检测市场混乱

目前可以进行建筑材料检测的实验室，有施工单位的检测室、第三方机构实验室、高校实验室以及行政机构下属的质量检验部门的实验室。一般工程质量的监督检验一般以行政机构下属的质量检验部门的实验室检测结果为依据，受限于设备更新和人员专业技术能力提升；同时第三方专业检验公司在市场中占有率又相对较低。检测市场上也出现检测单位门槛低、检验市场缺乏一定的监管等问题。

4.3试样管理问题

检验结果同样也取决于取样的科学性和严谨性。为了提高试验准确率，须确保取样方法和试样运输、储存和处理过程的严格性和科学性，符合检测标准和实际检测需求。试样取样需要满足代表性、科学性和完整性，同时试样在运输和存储中要确保安全、无破损，试样的处理同样需要满足标准要求。而试样的选择又具有重要的影响，一般在工程领域样品取样除满足相关标准外，还需要注意以下事项：首先，一组待检样品必须取自于该组的不同部分；其次，试样长度和宽度应按照取样规格规定的尺寸取样，同时需要满足样品数量要求，取样方法和手法正确，符合检测要求；最后，取样过程中须考虑取样控制和数量与检测方法、检测要求的关系，尽可能制定一套完整的检测方法，减少取样方法和检测方法引起的误差。

5. 满足工程材料检测新要求的应对策略

5.1提高人员检测能力

伴随着新材料、新技术、新工艺的开发应用，新型先进的检测方法和设备陆续投入到工程材料检测领域。目前，检测市场上尚存在检验人员对建筑材料所有特点了解不面、相关检测专业知识有限、操作水平和低、熟练度低、检测方法老旧等问题，无法满足现在检测市场的需求。面对这一困境，可以通过一下方法进行改善：（1）定期开展理论培训，提高检测专业理论水平。鼓励检测单位定期对检验人员进行培训，包括材料基础理论知识、材料理化特性、材料检测方法、检测方法研究趋势等，提升检测人员的理化能力。（2）定期开展实操训练，并进行考核。举行同业间的操作技术交流会议、参与检测设备开发单位的开发讨论会议、开展检测技术竞赛，培养检测工匠和达人。（3）建立长效考核机制，将检测业务能力纳入绩效考核。建立奖惩机制，鼓励检测技术人员提高专业技能、改善和创新检验方法，提高效率降低能耗。（4）培养提升检测技术人员的职业道德，鼓励单位开展职业道德培训和法律知识培训，建立纪律监察，加大宣传，引导检测技术员养成职业道德观和责任感。

5.2合理选择检测方法

材料的质量包括成分、尺寸、外观、显微组织等指标。材料的成分可采用分光光谱仪、XRF等设备分析法或者滴定法、ICP等湿法分析方法确认；尺寸可采用简便的工具量测；外观可通过肉眼观察；但是显微组织特别是微小裂纹等需要采用特殊的检测方法。由于材料特性和制造过程的控制，显微组织特别是微小裂纹在材料中偶然发生异常，微小裂纹对于结构用建筑材料，将产生安全隐患。因此对于建筑材料的微观组织质量检查是必要的。

以前对材料的显微组织、显微缺陷分析，以破坏性分析为主，一般为常见分析方法有金相分析等，常常在材料破坏后进行分析，属于事故后检查，而且常无法全范围检查。随着新检测技术的发展，超声波、X射线等无损检测技术于建筑材料检测中越来越引起广泛管制。

超声波无损探伤有多种检测方法，包括共振法、非线性检测法、脉冲反射法、超声特征扫描成像法等。不同方法检测的灵敏度和可范围不同，使用超声波无损检测材料质量缺陷，需对材料组织、晶体状态、微观缺陷类型、回波信号状态等进行综合分析。如要分析材料微小裂纹缺陷，由于裂纹的超声检测特征明显，且与材料基体阻抗有明显区别，可以采用超声特征扫描成像法。

X射线探伤是X射线技术在工程材料检测的研究趋势，其原料是利用根据不同材料厚度对X射线吸收程度差异不同，通过相应的转化程序显出建筑材料工件、零部件及焊缝的内部缺陷，如裂纹、缩孔、气孔、夹渣等，并可以确定缺陷的位置和大小，从而评定材料或制品的质量，避免引起重大工程问题。

而在建筑工程领域，材料的焊接、热处理是常见的工序，通过综合热分析技术确定材料的热膨胀系数、组织转变，对于设计和施工选材、工艺参数的研拟尤为重要。随着节能环保理念的提升和大量复杂设计工程项目的开展，大跨度屋顶材料的设计和施工研究引起的广泛关注。以不锈钢屋顶及幕墙建筑材料为例，新型445等材料的面世，给新建设项目带了可行性，如广州亚运会的体育馆的主体厂房、青岛胶州国际机场等。而新材料的特性和施工参数确认中，热分析综合技术又发挥着重要的作用。通过热分析综合技术，确认新材料的热膨胀系数，为建筑材料的铺装间隙设计和施工提供基础参数，避免材料的热胀冷缩造成屋顶和幕墙的开裂，引发漏水等质量问题。

5.3严格取样程序

材料检测要具备公信力，应确保试样取样具有代表性。应更新取样方法，根据检测要求和材料特性，适时采用传统取样法和新技术取样法，并严格按照国家标准、行业标准等方法取样。如，凝土材料性能检测应选取最具代表性的部分，检测的重点聚焦在混凝土载荷分布状态，特别是压力强度的波动情况。

结束语

建筑材料是建筑工程领域的重要组成部分，材料的质量影响工程的品质，建筑工程的品质又影响到人民居住的安全性、适时性。因此，有必要严格管制施工材料的品质。随着新技术的发展，新的设计项目大量涌现，新材料和新工艺的需求越来越多，对于新材料检测方法和设备提出了新的要求。除了人员技能提升、试验设备更新外，新的检测分析方法如热分析技术、X射线检测技术在建筑材料质量检测、品质管控中将大有可为。

参考文献：

[1]羊建信.建筑工程材料检测试验常见的问题及应对分析[J].四川水泥,2020(07):18-19.

[2]邹  勇.高耐候性铁素体不锈钢TTS445J2[J].钢结构,2011(增刊):19-22.

[3]吴穷.建筑材料检测在建筑工程中的重要性[J].居舍,2020(35):27-28.

[4]张天华.建筑工程材料检测技术应用探析[J].工程技术研究,2020,5(19):124-125.DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2020.19.056.

[5]张辉青.建筑工程材料检测试验及常见问题[J].中国建筑金属结构,2021(07):108-109.

[6]张莉.关于建筑工程材料检测的若干问题探讨[J].中华建设,2021(07):38-39.