解析金屬材料物理性能檢測技術

顧 強，杜仁碩

（重慶市計量質量檢測研究院，重慶 402260）

金屬材料廣泛用于多個行業，物理性能地檢測是物理材料流入市場前的必需檢測指標。但金屬材料的物理性能檢測技術多樣，檢測影響因素較多，包括檢測人員、檢測設備、檢測操作等，易使金屬材料的物理性能檢測出現偏差，降低檢測精度。因此，關于金屬材料物理性能檢測技術的研究具有鮮明的現實意義。

1 金屬材料物理性能檢測技術

1.1 現場檢測技術

1.1.1 硬度檢測

在金屬材料物理性能檢測中，硬度的現場檢測技術相對多樣，包括里氏硬度、肖氏硬度等，不同檢測技術的原理不同，適用不同的金屬材料，遵循的標準不同，需檢測人員根據實際情況進行合理的選擇，確保物理性能檢測符合金屬材料應用管理要求，發揮物理性能檢測作用。細化來說，硬度檢測常用技術如下。

第一，里氏硬度，將沖頭置于與試樣表面相距1mm的位置，沖擊試樣，根據沖頭的回彈速率與沖擊速率比值，準確獲取金屬材料的硬度。這種檢測技術適用于質量較大的金屬材料，檢測時應遵循GB/T17394-2014的相關規定。

第二，布氏硬度。通過壓痕直徑或深度測定金屬材料硬度，該檢測技術應用于軋輥行業，檢測時應遵循GB/T24523-2009的相關規定。

第三，肖氏硬度，將沖頭置于與試樣表面相距一定距離的位置，沖擊試樣，根據沖頭回彈高度和固定落下高度的比值，準確獲取金屬材料的硬度，檢測時應遵循GB/T24523-2001的相關規定。

第四，維氏硬度，選擇符合要求的金剛石正棱錐體壓頭，通過一定載荷將其壓入金屬材料試樣表面，測量計算壓痕表面積，進而計算壓痕表面積的平均壓力，獲取金屬材料的維氏硬度[1]。

1.1.2 金相檢驗

金相檢驗可以獲取金屬材料的金相顯微組織，用于金屬材料的質量分析、內部組織觀察，明確金屬材料的成分、性能之間的關系，為金屬材料的應用管理提供參考依據。以灰口鑄鐵件應用管理為例，運維人員在維修檢查時，發現材料表面出現裂紋，而在此使用探傷技術檢查時，未發現裂紋，為解決該問題，準確檢測金屬材料的物理性能，檢測人員實施金相檢測，發現灰口鑄鐵件內部存在片狀溝槽，由內部片狀石墨產生，并未發現裂紋。

1.1.3 殘余應力檢測

在金屬材料現場檢測中，殘余應力檢測技術相對多樣，技術適用范圍和優勢不同。目前常用的殘余應力檢測技術有以下幾項。

第一，有損檢測法。

（1）小孔法，通過鉆孔破壞金屬材料的應力平衡，使金屬材料局部釋放應力，測定釋放應變，同時，按照柯西公式計算金屬材料的殘余應力。該檢測技術的適用范圍較廣，金屬材料和非金屬材料均可測定。對于硬度較高的金屬材料，選擇噴砂打孔方式破壞應力平衡。但小孔法屬于半無損檢測技術，不適用于不容許設置小孔的金屬材料或構件，如果必須使用小孔法檢測，檢測人員可與客戶溝通，協商是否在檢測完成后，使用同類型金屬材料的焊條點焊填充小孔，彌補損失。

（2）環芯法，在金屬材料表面制作環形槽，破壞引力平衡，使金屬材料釋放應變，再按照柯西公式計算金屬材料殘余應力，該方法的原理與小孔法類似，但與小孔法相比，環芯法對金屬材料的破壞更大[2]。

第二，無損檢測法。針對小孔法及環芯法的局限性，檢測人員選擇無損檢測技術，在保護金屬材料的同時，完成殘余應力的檢測，檢測方法包括X射線衍射法與超聲臨界折射縱波法。在X射線衍射法中，利用衍射角測定金屬材料內部晶面間距，根據布拉格方程計算殘余應力，其不僅具有無損優勢，同時可以測定金屬材料組織的殘余奧氏體含量；在超聲臨界折射縱波法中，利用超聲探頭測定縱波的速度差或時間差，并且，按照金屬材料的應力與速度差、應力與時間差的標定曲線，計算殘余應力，該方法測定的殘余應力為5mm×5mm及以上區域的平均應力，要求金屬材料試樣大小超過5mm×5mm，且該檢測技術可以獲取金屬材料的彈性模量。

1.1.4 成形性能檢測

在金屬材料物理性能檢測中，成形性能通常用于金屬板帶檢測中，成形性能的優異程度直接影響金屬板帶的加工效果，進而影響金屬板帶加工成本。在成形性能檢測中，可用檢測技術有以下兩種：

第一，沖壓車間檢測。在對金屬板材實施沖壓處理前，印好網格，沖壓處理后，測定網格的主應變與次應變；通過檢測設備測定金屬板材沖壓零件的FLD，分析金屬板材的成形效果，明確金屬材料的成形性能，為金屬板材應用提供參考。

第二，實驗室測定。選擇平直無變形的金屬板材為樣本，在金屬板材表面印制網格，通過Nakajima方法對金屬板材進行處理，直到金屬板材破裂，完成實驗。

1.2 實驗室檢測技術

實驗室檢測技術是指需在實驗室通過實驗完成的物理性能檢測，包括密度、熱膨脹性等。

1.2.1 密度檢測

對于不同類型的金屬材料，對應的密度檢測標準不同。本文以燒結致密燒結金屬材料為例，分析其密度檢測技術。GB/T3850-2015中明確密度測定原理如下：首先，將金屬材料試樣置于空氣環境中，稱量金屬材料試樣的重量；其次，將金屬材料試樣置于液體中，測量其重量，計算公式為（空氣環境下的試樣重量×液體在空氣中的密度）/液體環境下的試樣重量。在檢測技術應用中，檢測人員注意以下事項：

第一，在測定空氣環境中的試樣重量時，將試樣放置于測量裝置的上部吊簍中，要求吊簍的下部全部浸入液體內，并且吊絲部分暴露在空氣中，部分浸入液體內，在沒有氣泡的情況下測量試樣重量；第二，在測定液體環境中的試樣重量時，將試樣放置于測量裝置的下部吊簍中，僅允許吊絲露出液體表面，在沒有氣泡的情況下測量試樣重量；第三，如試樣重量低于10g，取值為0.1mg，如試樣重量超過10g，取值為稱重值的0.001%；第四，在試樣重量稱量時，要求液體溫度與環境溫度一致，根據液體在不同溫度的密度值，計算金屬材料密度[3]。

1.2.2 熱膨脹性檢測

在GBT4339-2008中，金屬材料熱膨脹性的檢測選擇推桿式膨脹儀檢測法，測定金屬材料的線性熱膨脹，線性熱膨脹是指金屬材料隨溫度變化出現的單位長度變化，檢測溫度范圍為（-180）℃-900℃，通常以20℃為基準起始溫度。在熱膨脹性的檢測過程中，需應用膨脹位移測量系統、溫度測量系統、試樣載體與推桿。在檢測完成后，按照標準規定的公司計算線性熱膨脹數值，完成金屬材料的性能檢測。

2 金屬材料物理性能檢測技術應用要點

在合理選擇金屬材料物理性能檢測技術的同時，檢測人員應注重檢測操作的規范性，提高檢測精度，保障檢測質量。細化來說，金屬材料物理性能檢測技術要點如下：

第一，規范金屬材料取樣。在實施金屬材料的物理性能檢測前，檢測人員根據檢測要求，選擇外觀與尺寸符合要求的金屬材料，并選擇合適的位置進行取樣，做好標記，避免試樣混淆，影響檢測結果。以鋼板材料為例，如產品規范或檢測合同對試樣無要求，則可在w/4（w為鋼板寬度）區域橫向切割鋼板，取樣坯。

第二，合理制備檢測試樣。在取樣完成后，應按照物理性能檢測要求制備試樣，以保障檢測準確性。例如，在密度檢測中，要求試樣體積超過0.5cm3，如試樣體積小于0.5cm3，則可將多個試樣組成一個試樣組，共同檢測，并在檢測前做好試樣的清潔工作，嚴禁試樣表面存在塵土或油漬；在熱膨脹性檢測中，要求試樣長度為25mm±0.1mm，試樣的橫向尺寸控制在3-10mm，且不選擇帶有尖端的試樣，避免檢測過程中試樣出現變形，降低檢測精度；在維氏硬度檢測中，如試樣外形不規則或者檢測截面較小，對試樣進行鑲嵌處理，便于檢測。

本研究選擇武漢市洪山區光谷地區部分城鄉結合部2006年、2009年、2011年3年的遙感影像(3期遙感影像購買自中國遙感數據網，都為6月份的數據)作為初始數據，空間分辨率分別為2.4 m、2.4 m和2.0 m.為了滿足本研究需要，把研究區用地簡單分為城市用地和非城市用地，具體詳見表1，土地利用類型分類參考參考文獻[1]中的分類標準.

第三，遵循規范檢測流程。在金屬材料物理性能檢測中，檢測設備與檢測實驗的操作步驟有明確規定，一旦某個環節出現偏差，會使整個檢測出現問題，降低檢測精度。就此，檢測人員應嚴格按照規范檢測流程實施檢測技術，以保障檢測質量。以金屬材料的線性熱膨脹檢測為例，國標中明確指出檢測流程，檢測人員應嚴格按照該流程開展檢測工作，具體如下：

（1）清洗組件。將熔融石英組件置于10%的氫氟酸水溶液中浸泡1min，再通過蒸餾水全面漂洗組件，且在測量完成后，檢測人員禁止用手觸摸組件，避免高溫條件下，熔融石英組件因堿性化合物污染，出現晶化問題，影響檢測精度。

（2）準備工作。在室溫條件下，測定金屬材料試樣檢測方向的原始長度。在保障金屬材料試樣表面清潔的基礎上，將其置于膨脹儀內，調整位置，保持穩定；將溫度傳感器放置在金屬材料試樣中部，在確保試樣順利運動的同時，盡量靠近試樣。檢查推桿、試樣等檢測器件可有效接觸；裝配膨脹測量系統，并將其置于爐內。于推桿中施加一定荷載（0-1N），使推桿與試樣有效接觸。記錄溫度傳感器與位移傳感器的初始讀數。

（3）自動測量。在設定的金屬材料測定溫度范圍內，測定金屬材料試樣的膨脹值，直到溫度達到最高臨界值。以速率不超過5℃/min的恒定速度，進行測量程序的加熱或冷卻處理，如對金屬材料熱膨脹性檢測精度要求較高，則恒定速度設置為3℃/min。在此過程中，連續記錄溫度傳感器和位移傳感器的數值變化。

（4）精密測量。通過階梯式升溫或冷卻方式，調節測量程序的溫度，根據位移傳感器顯示數值穩定的時間，設置各點的保溫時間，要求保溫過程中，穩定變化數值低于2℃，試樣內的溫度梯度低于0.5℃/cm。在此過程中，保溫時間視為膨脹測試裝置與試樣總熱周量的函數。在不同恒定溫度下，讀取記錄溫度傳感器及位移傳感器數值。根據上述測量讀取的數值，按照國標規定的公式進行數據計算，準確檢測金屬材料的熱膨脹性。

3 結論

綜上所述，在金屬材料的物理性能檢測技術中，現場檢測技術包括硬度檢測、金相檢驗、殘余應力檢測、成形性能檢測；實驗室檢測技術包括密度檢測與熱膨脹性檢測。為保障檢測精度，檢測人員規范金屬材料的取樣，合理制備檢測試樣，嚴格按照規范流程進行檢測，發揮金屬材料的物理性能檢測技術的作用，推動金屬材料行業的健康發展。