【正文】 通常是使被測(cè)組分與試樣中的其它組分分離后，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N純粹的、化學(xué)組成固定的化合物，稱其重量，從而計(jì)算被測(cè)組分含量的一種分析方法。這種方法的分析速度較慢，但準(zhǔn)確度高，目前在某些測(cè)定中仍用作標(biāo)準(zhǔn)方法。滴定法此法是用一種已知準(zhǔn)確濃度的試劑溶液（即標(biāo)準(zhǔn)溶液），滴加到被測(cè)組分溶液中去，使之發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)恰好完全時(shí)所消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積計(jì)算出被測(cè)組分的含量。這樣的分析方法稱為滴定法，又稱溶量分析法，此種方法操作簡(jiǎn)單快速，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度比較高，有較大適用價(jià)值。此外還有比色法、導(dǎo)電法等。一、碳的測(cè)定碳是鋼中的重要元素。平衡狀態(tài)下碳溶于αFe即鐵素體中。碳與鋼中的鐵作用形成滲碳體，合金鋼中的碳還能與合金元素形成碳化物。測(cè)定鋼中碳的方法很多，有物理法（如光譜法），化學(xué)及物理化學(xué)法（如燃燒—?dú)怏w容量法、吸收重量法等）。常用的有燃燒─氣體容量和燃燒非水滴定法。目前，所生產(chǎn)的化學(xué)分析設(shè)備及生產(chǎn)實(shí)際操作中大多為碳硫連續(xù)測(cè)定，而且測(cè)定方法也很多。二、硫的測(cè)定硫來自生鐵和燃燒，硫是極有害的雜質(zhì)元素。硫的存在促使鋼產(chǎn)生熱脆性，同時(shí)也容易在鋼凝固時(shí)產(chǎn)生偏析，降低鋼的抗疲勞性、可塑性、耐磨性等，%。測(cè)定硫的方法有高溫燃燒法和溶解法等。三、磷的測(cè)定磷主要來自生鐵，磷也是鋼中的一種有害元素，但有時(shí)為了提高鋼的耐腐蝕性能，在鋼中添加磷的例子也有。%以下，%以下。測(cè)定鋼中磷的方法很多，一般都是使磷酸，再與鉬酸銨作用生成磷鉬酸，在此基礎(chǔ)上分別用重量法、滴定法、磷釩鉬酸光度法或磷鉬蘭廣度法等進(jìn)行測(cè)定。四、硅的測(cè)定鋼中Si來自生鐵，廢鋼和脫氧劑。硅也可作為合金元素特意加入。硅的含量一般小于或等于1%。硅的測(cè)定方法有重量法，容量法、光度法等。對(duì)硅含量很低的鋼或鐵中硅的測(cè)定多采用硅鉬蘭光度法。五、錳的測(cè)定鋼中錳主要來自生鐵、廢鋼和脫氧劑，錳鋼中的錳是煉鋼時(shí)專門加入的，錳在鋼中多以化合物的形態(tài)存在，如MnS、Mn3C等，也能固溶于鐵素體中。鋼中錳的測(cè)定方法，根據(jù)錳含量的多少可采用容量法或光度法等。六、鉻和鎳的測(cè)定鉻是冶煉合金鋼、不銹鋼的重要合金元素之一。鋼中加入合金元素鉻，可以改善鋼的工藝性能、提高鋼的機(jī)械性能，加入大量的鉻可使鋼具有特殊的物理、化學(xué)性能，譬如鉻含量在12%以上，鋼就具有了不銹鋼的特性。鉻的測(cè)定，對(duì)鉻含量高的鋼、鐵常采用滴定法測(cè)定，低含量一般用光度法測(cè)定。鎳也是冶煉合金鋼、不銹鋼的一種極重要的合金元素。根據(jù)鋼的性能要求不同，鎳的添加量不同。含鎳具有良好的力學(xué)性能，高鎳鋼具有特殊的物理、化學(xué)性能。鎳的測(cè)定方法很多，一般多采用滴定法和光度法。在許多方法中鎳的測(cè)定常常受到鈷的干擾。第二節(jié) 儀器分析儀器分析是以物質(zhì)的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的分析方法。儀器分析需將待測(cè)物質(zhì)光、電、熱、聲、磁等物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再與已知量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同條件下得到的電信號(hào)作比較，以測(cè)量出這些物質(zhì)的化學(xué)組成、含量和結(jié)構(gòu)。這些物理量和物理化學(xué)量的測(cè)定，一般需要采用專門的儀器設(shè)備。儀器分析的靈敏度高、分析速度快，所需試樣量少、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、所以儀器分析方法已逐步成為化學(xué)分析的主要方法。常用的儀器分析方法有光譜分析、光電比色分析、極譜分析、電子和離子探針微區(qū)分析等。光譜分析可分為發(fā)射光譜分析，原子吸收光譜和射線熒光光譜分析。光電直讀光譜分析是發(fā)射光譜分析的一種。其基本原理是試樣受到光原發(fā)生器的作用，其組成元素的原子轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子時(shí)，其中一些原子的外層電子被激發(fā)到高能狀態(tài)成為激發(fā)態(tài)原子。當(dāng)它們從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射出不同波長的光譜線，各種原子結(jié)構(gòu)不同，所發(fā)射的光譜也不同。試樣中元素含量不同，譜線強(qiáng)度也不同和，發(fā)射的光經(jīng)過分光儀器作用，可以根據(jù)波的長短排列成原子或離子被激發(fā)的線狀光譜，由光電原件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大記錄自動(dòng)給出分析結(jié)果。光電直讀光譜分析速度快，分析結(jié)果準(zhǔn)，確操作方便，應(yīng)用范圍越來越廣，特別是作為煉鋼爐前分析，已成為必不可少的分析設(shè)備。第三節(jié) 鋼鐵材料火花鑒別鋼的火花鑒別是一種最簡(jiǎn)便鑒別鋼種類的方法，火花鑒別是一種古來的方法，然而由于方法簡(jiǎn)便易行，所以應(yīng)用廣泛。圖21到圖28是八種不同鋼的火花特征。第三章 鋼的宏觀檢驗(yàn)宏觀分析則因其觀察面較大且較直觀，可了解金屬或合金結(jié)構(gòu)的整體情況，便于對(duì)比研究生產(chǎn)工藝改變時(shí)所造成的材料內(nèi)部質(zhì)量的差異，因此廣泛用于判斷冶煉、塑性加工或焊接過程是否正常，在工廠和科研部門也是檢查冶金質(zhì)量、熱處理質(zhì)量和分析機(jī)械零件早期失效原因的重要試驗(yàn)研究手段，有時(shí)通過宏觀分析還可推知材料和構(gòu)件的制造歷史，特別是加工成型的方法，達(dá)到控制材料和產(chǎn)品質(zhì)量的目的。宏觀檢驗(yàn)是用肉眼或用不大于十倍的放大鏡檢查金屬表面或斷面以確定其宏觀組織缺陷的方法。宏觀檢查也稱低倍組織檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)方法很多，包括酸浸試驗(yàn)、硫印試驗(yàn)、斷口檢驗(yàn)和塔形試樣發(fā)紋檢驗(yàn)等。酸浸試驗(yàn)可以顯示一般疏松、中心疏松、錠型偏析、點(diǎn)狀偏析、皮下氣泡、殘余縮孔、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂縫、內(nèi)部氣泡、非金屬夾雜物（肉眼可見的）及夾渣、異金屬等，并可對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定。硫印試驗(yàn)是利用鋼中硫化物與硫酸反應(yīng)生成硫化氫、硫化氫與相紙的溴化銀反應(yīng)生成硫化銀，使相紙變成棕色這一原理檢查鋼中硫的宏觀分布情況，并可間接檢查其它元素在鋼中偏析和分布情況。斷口檢驗(yàn)是根據(jù)目的采取適當(dāng)方法將試樣折斷以檢驗(yàn)斷口質(zhì)量，或?qū)υ谑褂眠^程中破損的零部件和生產(chǎn)制造過程中由于某種原因而導(dǎo)致破損的工件斷口進(jìn)行觀察和檢驗(yàn)?？砂磾嗫诘暮暧^形貌和冶金缺陷將斷口分類，評(píng)定鋼材質(zhì)量。塔形車削發(fā)紋檢驗(yàn)是檢查鋼材不同深度處的發(fā)紋。試驗(yàn)時(shí)將鋼材試樣車成不同尺寸的接替，進(jìn)行酸浸或磁力探傷后，檢查其裂紋程度，以衡量鋼中發(fā)紋夾雜物、氣孔和疏松存在的多少。發(fā)紋嚴(yán)重地危害鋼的動(dòng)力學(xué)性能，特別是疲勞強(qiáng)度等，因此，對(duì)重要用途的鋼材都要進(jìn)行塔形檢驗(yàn)?？傊糠N檢驗(yàn)都是以不同的顯露形式，暴露金屬材料的組織缺陷，加以評(píng)定，將其控制在允許的范圍的。第一節(jié) 鋼錠的組織及宏觀缺陷鋼在冶煉后，除少數(shù)直接鑄成鑄鋼件外，絕大部分都要先鑄成鋼錠（或鋼坯），隨后再軋制（或鍛造）成各種鋼材，如型鋼、鋼板、鋼管、金屬制品等。鋼材的質(zhì)量與鋼錠（鋼坯）的質(zhì)量有著直接的關(guān)系。根據(jù)煉鋼終脫氧是否完全，澆注后可得到不同的鋼錠。鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵和鋁等進(jìn)行充分脫氧，使鋼液澆入鋼錠模后不發(fā)生碳氧反應(yīng)，凝固時(shí)析出氣體很少，鋼液表面平靜，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼；澆注前只用少量錳脫氧，脫氧不完全，鋼液注入鋼錠模后，鋼液冷卻時(shí)發(fā)生碳氧反應(yīng)，析出大量一氧化碳?xì)怏w引起鋼液沸騰，這種鋼稱為沸騰鋼，經(jīng)連鑄機(jī)澆注的鋼錠稱為連續(xù)鑄錠（連鑄坯）。下面簡(jiǎn)單介紹鎮(zhèn)靜鋼鋼錠、沸騰鋼鋼錠以及連鑄坯的組織和缺陷。一、鎮(zhèn)靜鋼圖31為鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的宏觀組織示意圖。與純金屬鑄錠基本相同，也是由表層晶粒區(qū)、柱狀晶區(qū)及中心等軸晶粒區(qū)三個(gè)晶區(qū)組成。所不同的是，在鎮(zhèn)靜鋼錠下部還有一個(gè)由等軸細(xì)晶粒組成的致密的沉積椎體，這是鎮(zhèn)靜鋼錠的組織特點(diǎn)。表層由于鋼錠模的激冷，過冷度大，形核率高，形成細(xì)小等軸的晶粒，它的厚度通常較薄，與鋼液的澆注溫度有關(guān)，澆注溫度越高，則等軸細(xì)晶區(qū)越薄。在表層等軸細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，模壁溫度迅速升高，冷卻速度變慢，固相和液相的接口處鋼液的過冷度大大減少，新晶粒的形成變得困難，只有那些一次晶軸垂直于型壁的晶粒才能得以優(yōu)先成長，形成了柱狀晶粒。由于固液接口前沿的液體中存在著成分過冷，所以，柱狀晶往往以枝晶方式長大，形成樹枝狀晶體。當(dāng)鑄錠中心的鋼液經(jīng)過散熱也都降至鋼液熔點(diǎn)以下時(shí)，由于過冷度小，加之雜質(zhì)等多方面的因素作用，會(huì)在剩余的整個(gè)液體中同時(shí)形成數(shù)目較少的晶核，因這些晶核是在液體中自由成長，各方面的成長速率差不多一致，故長成等軸晶粒。當(dāng)它們生長到和柱狀晶相遇時(shí)，就會(huì)阻擋期繼續(xù)長大，且在全部鋼液結(jié)晶完畢后，就形成了中心等軸粗晶粒區(qū)。中心等軸晶的降落現(xiàn)象被稱為“結(jié)晶雨”，降落到鋼模的底層，形成錐形體。鎮(zhèn)靜鋼鋼錠常見缺陷偏析鋼錠中的偏析是鋼錠中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。按照偏析涉及的范圍大小，偏析可分為兩種，即區(qū)域偏析和顯微偏。圖32為鎮(zhèn)靜鋼錠的縱切面上偏析分布情況示意圖?？梢杂^察到明顯的偏析帶：錠心上部的倒V形偏析帶、V形偏析帶以及鋼錠下部的錐狀偏析帶。倒V形偏析的形成是由于柱狀晶結(jié)晶時(shí)，雜質(zhì)元素富集在結(jié)晶前沿，而富含雜質(zhì)的鋼液密度較輕，逐漸上浮集中在鋼錠上部，在中心等軸晶帶開始結(jié)晶時(shí)，這些雜質(zhì)大量的固定在柱狀晶和中心等軸晶帶之間，構(gòu)成了鋼錠上部的倒V形偏析帶，在鋼錠橫切面上表現(xiàn)為方形偏析（錠型偏析）和點(diǎn)狀偏析特征。V形偏析是由于保溫冒口內(nèi)鋼液向下補(bǔ)縮而形成的，因?yàn)楸匚缚趦?nèi)鋼液雜質(zhì)富集，因此向下補(bǔ)縮時(shí)形成漏斗形偏析，在鋼錠的橫切面上，表面為中心偏析。倒V形偏析和V形偏析均屬于正偏析，即偏析帶雜質(zhì)的含量高于鋼錠平均含量。在中心等軸晶開始結(jié)晶時(shí)，先長成的晶體因密度較大而下沉，形成了鋼錠底部的錐狀偏析。由于是最先結(jié)晶的，所以雜質(zhì)含量低于鋼液中平均含量，因此這種偏析屬于負(fù)偏析，但這里含有較多的高熔點(diǎn)氧化物（SiO2或SiO2?FeO等）,可能是晶體下沉帶來的?？s孔和純金屬鑄錠一樣，鋼液在凝固時(shí)要發(fā)生收縮，故在凝固后的鋼錠中會(huì)出現(xiàn)縮孔。在鋼錠上部安放保溫冒，可使縮孔集中在鋼錠頂部冒口中，縮孔處是鋼錠最后凝固的地方，是偏析、夾雜物和疏松密集的區(qū)域。在壓力加工前必須把冒口切掉。如果切頭時(shí)未被除凈，遺留相愛的殘余部分，在鋼材的低倍檢驗(yàn)中稱為殘余縮孔，它是一種不允許存在的低倍組織缺陷。為了減少縮孔深度，主要是選擇合理的錠模錐度和尺寸，采用保溫冒并嚴(yán)格控制澆注條件。疏松疏松是鋼不致密性的表現(xiàn)。由于晶粒以枝晶方式長大，在結(jié)晶后期“數(shù)枝”相遇時(shí)，堵塞了鋼液向“樹枝”間隙補(bǔ)充的通道，鋼液的流動(dòng)性又較差，因此形成很多細(xì)小的空隙，稱為疏松。疏松若集中在最后凝固的中心區(qū)域，即縮孔的下部區(qū)域，則稱為中心疏松。由于鋼液中含有較多的氣體，在凝固時(shí)，由鋼中析出后，不能完全上浮，形成細(xì)小的孔隙，它們均勻分布于鋼錠的各部分，稱為一般疏松。氣泡（氣孔）鎮(zhèn)靜鋼中的氣泡分皮下氣泡和內(nèi)部氣泡兩種。靠近鋼錠表面的氣泡為皮下氣泡。它是在鋼錠皮下呈分散或成簇分布的細(xì)長裂紋或橢圓形氣孔，而細(xì)長裂紋又多數(shù)垂直于鋼錠表面，皮下氣泡多出現(xiàn)于鋼錠尾部，時(shí)常成群出現(xiàn)。鋼錠模內(nèi)壁潮濕、鋼錠模內(nèi)壁涂料含水份和保護(hù)渣不干燥等原因均能引起皮下氣泡。位于鋼錠內(nèi)部的氣泡稱為內(nèi)部氣泡，它呈蜂窩狀，內(nèi)壁較光滑，有些氣泡中還伴有微笑的可見夾雜物。鋼液中含有大量氣體，在澆注過程中大量折出，隨著結(jié)晶的進(jìn)行，在樹枝狀晶體之間形成的氣泡不能很好上浮而留在鋼的空位中，而成為內(nèi)部氣泡。二、沸騰鋼圖33為沸騰鋼錠宏觀組織示意圖，其結(jié)晶過程與鎮(zhèn)靜鋼基本相同，但于鋼液沸騰，使其宏觀組織具有與鎮(zhèn)靜鋼錠下同的特點(diǎn)。沸騰鋼鋼錠常見宏觀缺陷蜂窩氣泡帶蜂窩氣泡是由分布在柱狀晶帶內(nèi)的長形氣泡所構(gòu)成。二次氣泡帶由于結(jié)晶過程中碳氧濃度繼續(xù)增大，并不斷積聚，同時(shí)結(jié)晶體積收縮，使形成氣泡所需要克服的外壓力逐漸降低，C—O反應(yīng)重新進(jìn)行，但此時(shí)氣體出路已被堵死，這些氣體便呈球形留在鋼錠內(nèi)，這就是二次氣泡帶。連鑄坯通常，連鑄坯的凝固組織和模鑄鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的凝固組織相比較，二者并無根本的差別，都是由表層激冷層、次層柱狀晶區(qū)和中心等軸粗晶區(qū)三部分組成，各晶區(qū)的形成機(jī)理也大致相同。但是，由于連鑄坯的斷面相對(duì)小，而且是在較強(qiáng)的冷卻條件下凝固的，因而其斷面上溫度梯度較大，凝固速度較快。溫度梯度大有利于柱狀晶的生長，而凝固速度快則易于生成枝晶間距小的鑄造組織。所以在澆注相同鋼種情況下，連鑄坯比鋼錠具有較發(fā)達(dá)的柱狀晶組織，并有著較小的樹枝晶間距。連鑄坯的常見缺陷見圖3—4。第二節(jié) 鋼材常見宏觀組織和缺陷鋼錠經(jīng)過軋制（或鍛造）制成的型鋼、鋼板、鋼管等稱之為鋼材。鋼材的宏觀缺陷與鋼錠質(zhì)量有密切關(guān)系，常見鋼材宏觀組織及缺陷包括一般疏松、中收疏松、錠型偏析、斑點(diǎn)狀偏析、白亮帶、中心偏析、帽口偏析、皮下氣泡、殘余縮孔、翻皮、白點(diǎn)、軸心晶間裂縫、內(nèi)部氣泡、非金屬夾雜物（肉眼可見）及夾渣、異金屬夾雜等15種。在生產(chǎn)過程中，還會(huì)出現(xiàn)過熱（晶粒粗大）和過燒組織，以及邊緣和中心增碳等缺陷。在經(jīng)過酸蝕的試樣上，對(duì)所觀察到的宏觀（低倍）組織進(jìn)行辨認(rèn)和評(píng)定時(shí)可根據(jù)GB/T1979—2001標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖片進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)性的，使用于各類鋼。下面簡(jiǎn)要地?cái)⑹鲆恍┏Ｒ娊M織和缺陷在酸蝕試樣上的特征。一、 一般疏松一般疏松在橫向酸浸試樣上表現(xiàn)為組織不致密，整個(gè)截面上出現(xiàn)分散的暗點(diǎn)和空隙。暗點(diǎn)之所以發(fā)暗是由于珠光體量明顯增加，而暗點(diǎn)上的許多微空則是因細(xì)小的非金屬夾雜物和氣體的聚集，經(jīng)酸浸蝕后擴(kuò)大而形成的。因此可以說，暗點(diǎn)是碳，非金屬夾雜物和氣體的聚集而產(chǎn)生的。至于空隙，則是非金屬夾雜物被酸溶解遺留下來的孔洞。鋼的組織疏松對(duì)性能很有影響，特別是對(duì)橫向力學(xué)性能影響大，降低斷面收縮率、斷后、沖擊韌性，拉伸試驗(yàn)時(shí)斷口出空隙、降低抗拉強(qiáng)度。鋼的一般疏松見圖3—5。二、中心疏松中心疏松在橫向酸浸試樣上表現(xiàn)為空隙和暗點(diǎn)都集中分布在中心部分，它是鋼錠最后結(jié)晶收縮的產(chǎn)物。由于氣體、低熔點(diǎn)雜質(zhì)、偏析組元都在中心部位最后凝固，所以該部位易被腐蝕，酸浸后出現(xiàn)一些空隙和較暗的小點(diǎn)，見圖3—6。輕微中心疏松對(duì)鋼的力學(xué)性能影響不大。但是，嚴(yán)重的中心疏松影響鋼的橫向塑性和韌性指標(biāo)，降低強(qiáng)度，且有時(shí)在加工過程中出現(xiàn)內(nèi)裂，特別荒管穿孔時(shí)容易出現(xiàn)內(nèi)裂，因此嚴(yán)重中心疏松不是允許存在的。三、 錠型偏析錠型偏析在橫向酸浸試親上表現(xiàn)為腐蝕較深、由暗點(diǎn)和孔隙組成，與原錠型橫截形狀相似的框帶。由于其形狀一般為方形，所以又稱方形偏析。錠型偏析是鋼錠結(jié)晶過程中，柱狀晶生長時(shí)把低熔點(diǎn)組元、氣體和雜質(zhì)元素推向尚未冷凝的中心液相區(qū)，便在柱狀晶區(qū)與中心等軸晶區(qū)交界處形成偏析和雜質(zhì)集聚框。試驗(yàn)分析證明，錠型偏析框處的碳、硫、磷含量都比基體高，如圖3─7所示。錠型偏析使鋼的橫向斷面伸長率、斷面收縮率以及沖擊吸收功降低。錠型偏析的級(jí)別應(yīng)根據(jù)形區(qū)的組織疏松程度和框帶的寬度來評(píng)定。四、斑點(diǎn)狀偏析在橫向酸浸試樣