今天我們就來(lái)介紹一下化學(xué)性成分定量分析技術(shù)。

化學(xué)性成分定量分析技術(shù)

在材料的化學(xué)分析領(lǐng)域，不同的分析目的需要不同的分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，各種分析方法對(duì)樣品的要求也不相同。

化學(xué)成分分析在失效分析中的主要作用是確定產(chǎn)品是否符合所規(guī)定的品牌和等級(jí)，材料的化學(xué)成分不同，其性能特點(diǎn)不同，使用要求也不同。

另外，對(duì)失效件表面的附著物進(jìn)行化學(xué)成分分析也可以間接地了解失效件經(jīng)歷的環(huán)境；對(duì)材料中一些未知相進(jìn)行成分分析還可以輔助分析其相組成，從而進(jìn)一步分析它們和失效之間的關(guān)系；有時(shí)還要對(duì)一個(gè)區(qū)域或者某種元素的線分布、面分布等情況進(jìn)行分析，還要對(duì)樣品表層進(jìn)行無(wú)損化學(xué)成分分析，或者對(duì)細(xì)微的痕跡或殘留物做成分分析等，具體分析時(shí)要根據(jù)分析的目的和樣品的實(shí)際情況選擇合適的分析方法。

一般的企業(yè)都有自己的理化實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)成分分析是其最基本的分析內(nèi)容之一。當(dāng)出現(xiàn)失效事故時(shí)，當(dāng)事人第一反應(yīng)往往就是分析材料的化學(xué)成分，如果發(fā)現(xiàn)材料用錯(cuò)了，就不需要再往下深究。

實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)機(jī)械裝備的失效分析過(guò)程中，用錯(cuò)料的案例較少，總結(jié)一下，主要有以下幾種情況：

在處理一起由法院委托的司法鑒定中發(fā)現(xiàn)，由上海某貿(mào)易公司供給大連一家鎂礦加工企業(yè)的壓鑄模具：外形尺寸900mm×900mm×900mm，質(zhì)量約6t，總共8套，在使用不到100次時(shí)（設(shè)計(jì)使用次數(shù)約5萬(wàn)次）即發(fā)生開(kāi)裂失效。

經(jīng)調(diào)查，供需雙方技術(shù)約定的材料為H13模具鋼。實(shí)際化學(xué)成分分析結(jié)果顯示失效模具材料為45鋼，屬于普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼，不具備H13熱作模具鋼的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致模具早期失效。按照2016年上半年市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，H13鋼比45鋼每噸的價(jià)格要高出約5000元，8套模具價(jià)格相差約24萬(wàn)元，顯然這是一起受利益驅(qū)使，人為更換材料導(dǎo)致的早期失效案例。

304不銹鋼以其較低的C含量和較高的Cr、Ni含量而具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，廣泛的應(yīng)用，另外，還有一種錳含量較高的2XX系列不銹鋼，該類不銹鋼用一部分較便宜的Mn代替了較貴的Ni，故產(chǎn)品價(jià)格較低，但抗腐蝕性能不如304不銹鋼好，容易受含有S、Cl元素的介質(zhì)腐蝕。

在實(shí)際檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)不銹鋼因化學(xué)成分不合格導(dǎo)致的失效案例較多，但化學(xué)成分不合格不一定就會(huì)導(dǎo)致失效。Ni、Cr等化學(xué)元素不合格會(huì)導(dǎo)致抗腐蝕性能下降，但失效形式也不是都與腐蝕有關(guān)，許多與腐蝕有關(guān)的不銹鋼失效案例中材料的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果都是合格的。這些都要結(jié)合構(gòu)件當(dāng)時(shí)的服役環(huán)境和受力特點(diǎn)做具體分析，再根據(jù)試驗(yàn)室的各種檢測(cè)結(jié)果做綜合判斷。

1）某地鐵站候車室屋頂梁用抱箍材料設(shè)計(jì)為304不銹鋼，于2006年竣工后開(kāi)始服役，于2015年進(jìn)行安全檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多處開(kāi)裂。抱箍化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)下表，失效分析結(jié)果為應(yīng)力腐蝕破裂。

2）2010年上海世博會(huì)期間，某電梯上的不銹鋼梯級(jí)軸安裝使用不到一年就發(fā)生了斷裂。斷裂的不銹鋼梯級(jí)軸設(shè)計(jì)材料為304不銹鋼。實(shí)際化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)下表，失效分析結(jié)果為疲勞斷裂。

3）某公司生產(chǎn)的海洋貨輪船艙“NE097不銹鋼壓棒”設(shè)計(jì)材料為304不銹鋼，單根6米，在艙蓋上焊接成18米長(zhǎng)，焊接后未做任何處理。該壓棒在使用近1年時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂。經(jīng)調(diào)查，輪船服役中存在海水浸沒(méi)該壓棒的現(xiàn)象。壓棒實(shí)際化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)下表，失效分析結(jié)果為應(yīng)力腐蝕破裂。

4）3CRF011VC蝶閥用于某沿海核電站排水管線，服役環(huán)境為海水，溫度為室溫，管內(nèi)壓力為0.2MPa，該蝶閥安裝使用約9-10個(gè)月時(shí)發(fā)現(xiàn)閥瓣斷裂，一部分連在閥體上，另一部分在下游的海水中被找到。閥瓣設(shè)計(jì)材料為304不銹鋼，實(shí)際化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)下表，失效分析結(jié)果為晶間腐蝕斷裂。

分析以上四個(gè)案例，雖然它們的化學(xué)成分均不符合技術(shù)要求，但失效的形式并不相同。抱箍、閥瓣和壓棒失效都與腐蝕有關(guān)，這跟他們的服役環(huán)境有關(guān)，它們都直接或間接地接觸了海水或海洋性環(huán)境氣氛，還與其受力狀態(tài)有關(guān)。電梯梯級(jí)軸斷裂部位在使用過(guò)程一直有潤(rùn)滑油膏覆蓋，不容易接觸到腐蝕性介質(zhì)。另外，該梯級(jí)軸服役過(guò)程中承受的是循環(huán)交變載荷，而其它三個(gè)構(gòu)件承受的是靜載荷，故而四個(gè)構(gòu)件的失效形式也各不相同。

圖1 （a）屋頂抱箍（b）電梯梯級(jí)軸軸銷（c）貨船艙不銹鋼壓棒（d）閥瓣

某TP321不銹鋼鋼錠重約5.6噸，鍛打成Φ340mm的圓鋼，在后續(xù)切割時(shí)發(fā)現(xiàn)中間有裂孔，二十多支中有十多支存在該情況。裂孔的低倍形貌見(jiàn)圖2（a），可見(jiàn)存在孔洞及裂紋缺陷，未見(jiàn)其它低倍缺陷。

對(duì)鍛件做化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)下表，所分析的化學(xué)元素含量均符合ASTM A276/A276M-17對(duì)TP321不銹鋼的技術(shù)要求。

從缺陷位置切取金相試樣，經(jīng)鑲嵌和磨拋后至于掃描電子顯微鏡（SEM）中觀察，可見(jiàn)裂紋附近存在聚集的灰色異物，放大后進(jìn)一步觀察灰色異物呈小塊狀分布，其SEM形貌見(jiàn)圖2（b）、（c）。

采用EDAX能譜儀（EDS）對(duì)觀察到的灰色異物做化學(xué)元素的定性及半定量分析，灰色異物中含有7.55%O和54.87%Cr元素，這和表中的元素含量差別較大。說(shuō)明該灰色異物為未完全熔化和充分混合的冶煉組分，與較低的澆注溫度有關(guān)。最終的失效分析結(jié)果表明：鍛件內(nèi)部裂孔為鍛造之前就存在的縮孔殘余缺陷。

圖2 （a）缺陷的低倍形貌，（b）缺陷高倍形貌，（c）呈游離態(tài)分布的未熔異物