现代冶金测试技术概要

1、现代冶金测试技术,主 讲：李光辉 Email：liguangh liguanghuicsu,1 测试技术发展与科学技术进步的关系 2 现代冶金测试技术 2.1 概述 2.2 热分析技术 2.3 X-射线衍射技术 2.4 红外光谱分析技术 2.5 扫描电镜分析技术 2.6 微区分分析技术 3. 冶金动力学研究方法 3.1 概述 3.2 热重法 3.3 差示扫描法,主 要 内 容,科学技术发展的速度与基础研究和测试技术 的发展密切相关。新测试技术不断涌现极大地 推动着科技和国民经济的发展。,1 测试技术发展与科学技术进步的关系,主要原因在于： 近代理化仪器与测试分析技术已被广泛应用于基础科 学、应

2、用科学和新材料的研究工作中 仪器测试技术已成为工业产品的质量监控手段 新的测试技术能够从宏观到微观，甚至于从原子尺度 来探索和研究物理、化学、冶金、材料等领域的相关 问题，大大推进了人类对未来未知领域的探索,1.2 现代测试技术在冶金领域的应用和作用 促进现代冶金工业的快速发展 提高产品质量、降低生产能耗、保护环境 为现代冶金过程的改进和新的冶金过程的探索 以及最佳工艺流程的确定提供帮助和依据,高温冶金物理化学研究的基本技术 包括：高温的获得与温度测量； 气体的制备与净化； 真空技术等及高温熔体表面性质； 粘度、电导率的测定等。,2 冶 金 测 试 技 术,2.1 主要研究方法与测试技术,主要

3、的测试分析技术 热分析技术 热重分析；差热分析；差示扫描分析 结构与物相分析技术 X射线衍射分析；电子衍射分析；固体核磁共振分析；红外光谱分析 表面分析技术 扫描电子显微镜分析；扫描图像分析；X-射线光电子能谱分析；俄歇电子能谱分析;原子力显微镜 微区成分分析 X-射线光电子能谱（电子探针）,2.2 高温冶金物理化学研究基本技术,高温的获得与温度测量 1）获 得 电阻炉：设备简单、易于控制、温度性能好 感应炉：设备可密封、可用于无坩埚熔炼 电弧炉和等离子炉：温度可达500010000K 电子束炉：仅适用于局部加热和真空条件下 利用热辐射加热：发热体可远离物料、加热与 冷却速度快,2）高温炉应具

4、有的基本特点 能够达到足够高的温度并具有合适温度分布 炉温要易于测量与控制 炉体结构简单灵活，便于操作 炉膛易于密封与气氛调整 目前，应用最多的是电阻炉和感应炉,3）高温的测量 测量方法 电热偶温度计 光学高温计：1400 插入灰色吸收玻璃后：2000 再加一块玻璃后：3200 光电高温计 红外辐射温度计,热电偶 以铂铑为材料 铂铑10-铂电热偶（S型）：13001600 铂铑13-铂电热偶（R型）：13001600 铂铑30-铂铑6电热偶（B型）：16001800 以镍铬等为材料 镍铬-镍硅(镍铝)热电偶(K型)：10001200 镍铬硅-镍硅镁热电偶（N型）：-2001300 铜-康铜（铜

5、镍）热电偶（T型）：-200300 镍铬-康铜热电偶（E型）：-250870 铁-康铜热电偶（J型）：750 氧，950 还,非标准热电偶 铂铑系： 铂铑13-铂铑1电热偶：14501600 铂铑20-铂铑5电热偶：15001700 铂铑40-铂铑20电热偶：16001850 铱铑系（惰性、真空） ： 铱铑10-铱热电偶：19002000 铱铑60-铱热电偶：20002100 钨铼系（惰性、氢气、真空）： 钨铼3-钨铼25：20002800 钨铼5-钨铼26：20002800 ,使用铂铑热电偶的注意事项 1400度以上导致铂晶粒长大，强度降低 真空中铂铑易挥发，产生污染 H2可渗透保护管，与铂

6、反应，降低铂熔点 还原条件下，铂与SiO2反应降低铂的熔点 P、S蒸气使铂在低温下就变脆 高纯碳对铂无影响，但碳易还原Cu、Pb、Bi氧 化物，使其与铂反应生成低熔点合金 有机物（油脂）高温分解产生C、S，预先用硝 酸清洗,气体的制备与净化 1）制备与贮存 钢瓶颜色与气体 氧气天蓝色；氮气黑色 氢气深绿色；二氧化碳黑色 氩气灰色；氯气草绿色 氨气黄色；硫化氢白色 其它：可燃气体红色 非可燃气体黑色,2）各种吸收剂对气体的吸收作用,3）CO气体的净化 CO2吸收剂1：2KOH溶液 取1000克KOH溶于2000ml水中 O2吸收剂焦性没食子酸碱溶液 取焦性没食子酸280克加热溶于500ml水中，

7、冷却后流注入吸收入瓶中，再注入1：2 KOH溶液1300ml H2O浓硫酸或无水CaCl2,2.2.1 热分析技术概论 定义 热分析是指在程序控制温度下测量物质的物理性质与 温度关系的一类技术 说明： 程序控制温度指线性的升温、降温、恒温以及非线 性的升降温过程 物质试样本身，包括中间反应物和最终反应物 物理性质指质量（热重法）、热焓（差示扫描）、温 度（差热法）、尺寸、力学特性、电学特性、 磁学特性、光学特性和声学特性,2.3 热分析技术,应用 1）应用领域(23个) 物理、化学化工、地质、石油、冶金、建材、 纺织、塑料、橡胶、玻璃、玻璃钢、陶瓷、煤炭、 火药、生物、医药、化妆品、航空航天材

8、料、食 品、土壤、环保等科学和工农业部门,2）具体作用 物质鉴定与鉴别：热分析图谱是物质的指纹图 要求 先建立各种矿物、有机物（无机）化合物的 热分析标准图谱 材料结构与性能、生产过程中产品或版成品的质量 分析与控制 研究分子生物、生物材料（如类脂的相转变） 热力学研究：如测定相图，物质的潜热、比热、生 成热、反应热学、热力学数据 热动力学研究：如测定反应速度、反映级数和反应 活化能,热分析技术特点 对试样的形状和状态没有特殊要求 从矿物原料、中间产物到最终产品都可以直接取样试验，液体也行 试样用量少，目前的热分析仪用1毫克试样就够了，这样对于贵重的试样十分重要 热分析仪及辅助设备的技术不复杂

9、，操作比较容易，而且在较大的温度范围内，一次实验可连续测得有关参数，实验周期短 试验条件的选择十分灵活（试样多少、升降温度速率大小、气氛等） 分析结果信息多样,需要注意的问题 热分析结果是必然的，但不是充分的 必然性：无论试样、试验条件如何均能得到一个 热分析谱图 不充分性：不能由单一的热谱图得出肯定的确切 的无疑问的结论，需要其它已知条件或 实验结果相配合,热重曲线的分析,2.2.2 热重分析 在程序控制温度下测量物质质量变化与温度关系 的一种技术,谱图解析 AB、CD平台，质量没变化，表示试样为稳定 的化合物或稳定组分混合物 T1反应起始温度（累计质量能达到热天平检 测程度的温度） Tf反

10、应终止温度（仪器感觉不到质量变化时的 温度） T1 Tf反应区间,周围气氛对试样支架的合力改变（产生表观增重） 气氛对流（产生表观失重） 温度的测量方式 样品盘的质料合形状(深浅、带盖影响气体扩散 增加阻力) 加热速率（V提高，曲线向高温移动， 但形状基本不变 试样质量（吸、放热量大，曲线位置变化， 气体难于扩散，温度提高大 试样形状、粒度（粗粒分解温度细粒分解温度） 试样填充情况（装得紧，传热好，误差小） 气氛种类 记录图纸的走速（成45角最佳） 试样的飞溅 试样的反应潜热 试样的热化学系数 分解产物的凝聚,仪器方面的因素,实验条件的因素,其它因素,影 响 因 素,影响TG曲线的因素,TG

11、曲线的作用 对于简单的无机盐类，从平台间高度差的质 量大小，按化学计量配比确定相应反应重分 解（裂解、释放等）出来的产物构成 TG曲线上的某些特征点对应的温度，可作为 试样的热征参数和聚合物及某些有机化合物 试样热稳定性范围的度量指标,热重法的局限性 考查试样的物理化学反应时，必须对所研究的反 应过程已知 在很多情况下，必须与其它方法分析得到的结果 综合才能确定最终结论,碳酸钙和碳酸镁沉淀混合物(湿）的TG曲线,举例,已知：在白云石（MgCO3CaCO3 )的TG曲线上， MgCO3比CaCO3 优先分解 因此，在上述TG曲线上 （1）室温210，混合试样脱除吸附水的失重 成分： MgCO3与

12、CaCO3 （2）350480 失重，MgCO3的分解失重 反应： MgCO3MgO+CO2 （3）480 600 平台 成分：MgO与CaCO3 混合物,（4）600 850失重台阶： CaCO3的分解失重 反应： CaCO3 CaO+ CO2 （5）850 平台： 成分：CaO MgO混合物,坩埚,气氛,TG,校正,/,测量 范围,DSC,校正,/,测量 范围,备注,DSC,-,TG,/,样品,+,校正,1,/,1,DSC,/,TG pan Al,2,O,3,air,/,30,/ -/-,020,/,5000,mg,620,/,5000,V,wjx 17-10-2005 14:59,某褐铁

13、矿TG-DSC曲线,样品,+,校正,1,/,1,DSC,/,TG pan Al,2,O,3,air,/,30,/ -/-,820,/,5000,mg,020,/,5000,V,wjx 31-10-2005 20:47,褐铁矿磁化焙烧后TG-DSC曲线,2.2.3 差热分析（DTA) 在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度 差与温度关系的一种技术 DTA曲线,ADTA曲线 B参比物温度曲线 C试样温度曲线,差热分析中，试样温度的变化是由相变或 反应的吸、放热效应引起 一般情况下： 吸热效应由相转变、脱水、脱氧、熔化、沸腾、蒸 发、升华和一些分解反应产生 当发生吸热反应，试样的温度将偏低于参

14、比物温度， DTA曲线上出现“低谷”（吸热峰） 放热效应由结晶、氧化和另一些分解反应产生 当发生放热反应，试样的温度将偏高于参比物温度， DTA曲线上出现“高谷”（放热峰）,常见DTA曲线的峰形 二级相变，以水平基线改变为特征 吸热峰，通常由熔融或熔化所引起（较小温度区间发生急剧 烈反应 吸热峰，由分解或裂解引起的（较大区间发生缓慢反应） 放热峰，由结晶相变引起,差热分析的作用 根据DTA的分析结果，从吸热和放热峰的个数、形状、 位置与相应温度，可较为方便地定性确定试样的热行为。 而且可以根据峰的面积计算出热焓的变化，测得试样的反 应热。,差热分析数据的报导与说明 指明试样、参比物（包括稀释剂

15、） 若采用Al2O3粉作参比物，则使用前应经过1000以上 的煅烧处理且密封保存 对所有物质的处理和分析进行说明 试样的组分、纯度及测定时气氛是静态的还是动态的 仪器的升温速度 式样的重量和所用稀释剂及稀释程度 吸热、放热的标识,影响DTA曲线的主要因素 试样量 增大试样量 分解反应和吸热过程使峰变大，形状发生改变 一般相变过程使峰变高变大 增大试样量的优缺点 增加实验结果的“灵敏度”，同时降低多峰之间的分 辨率，基线漂移相对较大 试样粒度 粒度影响分解气体的扩散、热导速度等,加热速率 提高加热速度可增大峰高，提高灵敏度，但同时又 含降低分辨率，一般取10min 气氛的影响,举例 白云石的DT

16、A曲线,750 吸热峰： MgCO3 分解吸热 950 吸热峰： CaCO3分解吸热,2.2.4 差示扫描分析（DSC) 在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度 差与温度关系的一种技术,2.2.4 X-射线衍射分析（XRD) XRD的主要作用 区别晶质矿物与非晶质矿物 区别晶质矿物的晶族和对称程度高低 确定矿物的物相及赋存状态 测定结晶矿物的结晶度,XRD的主要分析方法 劳埃法（固定晶体法） 旋转晶体法 粉晶法,粉晶法 定义：利用许多不同的小晶粒集合体（如金属合金、 晶质矿物、磨碎的矿物晶体或岩石），即采用 粉末进行研究 条件（特点） 样品采用粉末晶体（多晶），粒径110m，重量 为0.

17、10.5g 样品是旋转的。因有数亿的晶粒，具有各种不同方位 的面网 选用原子序数相差110的靶效果较好,粉晶法存在的主要问题 对低含量矿物（小于15）一般无法鉴定。 因为含量太低不会产生衍射或衍射线很弱，难确定其是否存在 矿物种有类质同相混入物存在时，将导致d值产生变化，增加鉴别物相的难度 样品中物相愈多，衍射线互相叠合愈历害，造成鉴定物相困难 粉晶法对矿物进行精确定量测量难度大，目前只能定性或半定量分析,粉晶法送样要求 代表性 粒度 过粗使衍射线不连结，变成点线状 过细衍射线变化，高角区不会产生衍射 要求：对称程度高的样品200目左右 对称程度低的样品325目左右 一般样品110m 左右,样

18、品重量，仪器分析0.5g左右 样品加工中要防止用铁锤加工（必要时用木锤），以免破坏晶格 样品如需烘干处理，则处理温度不宜超过80左右，最好用自然烘干,解谱中应注意的几点 讲明所用的靶材 扫描速度 是否用了滤波器，是何种滤波器 仪器工作参数（电流、电压、狭缝等） 样品量的多少,举例说明,叶蜡石原矿的XRD谱,800下焙烧后的XRD谱,1050下焙烧后的XRD谱,1000下焙烧后的XRD谱,1200下焙烧后的XRD谱,1100下焙烧后的XRD谱,以上XRD中：（C-Al2O3；Cr方石英；D一水硬铝石；M莫来石；P叶蜡石；P脱水叶蜡石）,2.2.5 扫描电镜（SME）,SME方法的特点 放大倍数范

19、围宽（1020万倍内连续可调） 分辨率高（二次电子像分辨率优于10nm，而光学显微镜 为200nm） 可直接观察大尺寸试样的原始表面（如断口的析出物） 制样简单，能够得到富有立体感、高分辨率的真空形貌,应用 用于研究形貌、内部结构及形成机理。从一般 鉴定杂质类型推进到研究析出相合材料破坏关系 例如： 钢中的杂质是极细颗粒高度弥散分布的，用SEM 对高强钢深腐蚀量相试样及断口试样的MnS,举例说明,高岭石晶体结构示意图,2.2.6 红外光谱分析 分子的振动模式 伸缩振动（Stretching Vibration） 振动沿着原子间的化学键轴向发生时，是键长发生变 化的振动 对称伸缩振动:振动中各键

20、同时伸长或缩短 不对称伸缩振动：振动中当某个键伸长时，另一个键缩短 变形振动（Deformation Vibration） 面内弯曲振动：一个分子或 基因作参体在该分子或基团所在的平面内左右摇摆振动 面外弯曲振动：沿该分子或基因所在平面的法线方向前后摇摆振动,制样方法 对于粉末样品 将分析样品研成很细的粉末，因不同分散介质将其制 成糊状、薄膜或压片 沉降膜法 将分析样品研成很细的粉末，用沉淀分离的方法获得 2m的细粉，并烘干，移动红外线载体（NaCl片等）， 滴上及滴挥发的溶剂（异丙醇）拌匀，溶剂挥发后即形 成薄膜 优点：对片状矿物的红外研究有意义 缺点：样品颗粒不均匀，溶剂挥发后留下许多气孔

21、，散 射现象严重，光谱基线高，谱图质量差，不适合 于定量分析,糊状法（矿物油法） 将矿物的细粉分散于矿物油等介质中制成糊涂状后涂 在载片上 优点：方法快捷、不存在吸潮的问题 缺点：矿物油对矿物的吸收带有干扰 如，液体石蜡在30002800-1、1460-1、 1380-1和720-1有强的吸收,压片法 把固体样品的细粉分散于碱卤化物中压成透明 的薄片中 优点：粘结剂碱金属卤化物本身没有吸收带，能 较好控制样品的浓度及厚度，适于定量分 析，散射光影响小，薄片易保存 缺点：不能完全消KBr所吸附的吸收光谱的影响， 操作繁琐、费时，压片有时有难度,制样应注意的问题 样品粒度：大颗粒对红外光谱产生严重

22、的散射和反射， 粒度减小至2m 以下可减弱散射的影响 样品用量：样品过量基线抬高，强带被抑制，谱带变 宽，使强度互相重叠，分辨不清 化学反应：样品与KBr混合研磨时，可发生某些化学 反应，如吸湿、离子交换、化学反应等， 导致光谱发生变化 大气的影响：大气中的湿度、CO2成分将导致谱带上产 生水吸收带和CO32-离子的吸收带，因此应 记录KBr空白光谱作参考,举例说明,3 冶金动力学研究方法 3.1 主要研究方法 静态法 动态法 淬冷法 重分析法（等温/非等温热） 差热分析法 电化学法,3.2 热重法 3.2.1 等温热重法 等温法是在确定的反应温度范围内，选取一系列的温度点作恒温失重曲线，即在恒定的温度下测定反应变化率与时间之间的关系 特点 测定一系列的热重曲线才能获得反应过程动力学参数 在等温热重曲线的测试过程中，由于在实验操作上难以将反应试样在试验一开始就刚好保持在所选定的温度点上，加之受测