解析金属材料物理性能检测技术

顾 强，杜仁硕

（重庆市计量质量检测研究院，重庆 402260）

金属材料广泛用于多个行业，物理性能地检测是物理材料流入市场前的必需检测指标。但金属材料的物理性能检测技术多样，检测影响因素较多，包括检测人员、检测设备、检测操作等，易使金属材料的物理性能检测出现偏差，降低检测精度。因此，关于金属材料物理性能检测技术的研究具有鲜明的现实意义。

1 金属材料物理性能检测技术

1.1 现场检测技术

1.1.1 硬度检测

在金属材料物理性能检测中，硬度的现场检测技术相对多样，包括里氏硬度、肖氏硬度等，不同检测技术的原理不同，适用不同的金属材料，遵循的标准不同，需检测人员根据实际情况进行合理的选择，确保物理性能检测符合金属材料应用管理要求，发挥物理性能检测作用。细化来说，硬度检测常用技术如下。

第一，里氏硬度，将冲头置于与试样表面相距1mm的位置，冲击试样，根据冲头的回弹速率与冲击速率比值，准确获取金属材料的硬度。这种检测技术适用于质量较大的金属材料，检测时应遵循GB/T17394-2014的相关规定。

第二，布氏硬度。通过压痕直径或深度测定金属材料硬度，该检测技术应用于轧辊行业，检测时应遵循GB/T24523-2009的相关规定。

第三，肖氏硬度，将冲头置于与试样表面相距一定距离的位置，冲击试样，根据冲头回弹高度和固定落下高度的比值，准确获取金属材料的硬度，检测时应遵循GB/T24523-2001的相关规定。

第四，维氏硬度，选择符合要求的金刚石正棱锥体压头，通过一定载荷将其压入金属材料试样表面，测量计算压痕表面积，进而计算压痕表面积的平均压力，获取金属材料的维氏硬度[1]。

1.1.2 金相检验

金相检验可以获取金属材料的金相显微组织，用于金属材料的质量分析、内部组织观察，明确金属材料的成分、性能之间的关系，为金属材料的应用管理提供参考依据。以灰口铸铁件应用管理为例，运维人员在维修检查时，发现材料表面出现裂纹，而在此使用探伤技术检查时，未发现裂纹，为解决该问题，准确检测金属材料的物理性能，检测人员实施金相检测，发现灰口铸铁件内部存在片状沟槽，由内部片状石墨产生，并未发现裂纹。

1.1.3 残余应力检测

在金属材料现场检测中，残余应力检测技术相对多样，技术适用范围和优势不同。目前常用的残余应力检测技术有以下几项。

第一，有损检测法。

（1）小孔法，通过钻孔破坏金属材料的应力平衡，使金属材料局部释放应力，测定释放应变，同时，按照柯西公式计算金属材料的残余应力。该检测技术的适用范围较广，金属材料和非金属材料均可测定。对于硬度较高的金属材料，选择喷砂打孔方式破坏应力平衡。但小孔法属于半无损检测技术，不适用于不容许设置小孔的金属材料或构件，如果必须使用小孔法检测，检测人员可与客户沟通，协商是否在检测完成后，使用同类型金属材料的焊条点焊填充小孔，弥补损失。

（2）环芯法，在金属材料表面制作环形槽，破坏引力平衡，使金属材料释放应变，再按照柯西公式计算金属材料残余应力，该方法的原理与小孔法类似，但与小孔法相比，环芯法对金属材料的破坏更大[2]。

第二，无损检测法。针对小孔法及环芯法的局限性，检测人员选择无损检测技术，在保护金属材料的同时，完成残余应力的检测，检测方法包括X射线衍射法与超声临界折射纵波法。在X射线衍射法中，利用衍射角测定金属材料内部晶面间距，根据布拉格方程计算残余应力，其不仅具有无损优势，同时可以测定金属材料组织的残余奥氏体含量；在超声临界折射纵波法中，利用超声探头测定纵波的速度差或时间差，并且，按照金属材料的应力与速度差、应力与时间差的标定曲线，计算残余应力，该方法测定的残余应力为5mm×5mm及以上区域的平均应力，要求金属材料试样大小超过5mm×5mm，且该检测技术可以获取金属材料的弹性模量。

1.1.4 成形性能检测

在金属材料物理性能检测中，成形性能通常用于金属板带检测中，成形性能的优异程度直接影响金属板带的加工效果，进而影响金属板带加工成本。在成形性能检测中，可用检测技术有以下两种：

第一，冲压车间检测。在对金属板材实施冲压处理前，印好网格，冲压处理后，测定网格的主应变与次应变；通过检测设备测定金属板材冲压零件的FLD，分析金属板材的成形效果，明确金属材料的成形性能，为金属板材应用提供参考。

第二，实验室测定。选择平直无变形的金属板材为样本，在金属板材表面印制网格，通过Nakajima方法对金属板材进行处理，直到金属板材破裂，完成实验。

1.2 实验室检测技术

实验室检测技术是指需在实验室通过实验完成的物理性能检测，包括密度、热膨胀性等。

1.2.1 密度检测

对于不同类型的金属材料，对应的密度检测标准不同。本文以烧结致密烧结金属材料为例，分析其密度检测技术。GB/T3850-2015中明确密度测定原理如下：首先，将金属材料试样置于空气环境中，称量金属材料试样的重量；其次，将金属材料试样置于液体中，测量其重量，计算公式为（空气环境下的试样重量×液体在空气中的密度）/液体环境下的试样重量。在检测技术应用中，检测人员注意以下事项：

第一，在测定空气环境中的试样重量时，将试样放置于测量装置的上部吊篓中，要求吊篓的下部全部浸入液体内，并且吊丝部分暴露在空气中，部分浸入液体内，在没有气泡的情况下测量试样重量；第二，在测定液体环境中的试样重量时，将试样放置于测量装置的下部吊篓中，仅允许吊丝露出液体表面，在没有气泡的情况下测量试样重量；第三，如试样重量低于10g，取值为0.1mg，如试样重量超过10g，取值为称重值的0.001%；第四，在试样重量称量时，要求液体温度与环境温度一致，根据液体在不同温度的密度值，计算金属材料密度[3]。

1.2.2 热膨胀性检测

在GBT4339-2008中，金属材料热膨胀性的检测选择推杆式膨胀仪检测法，测定金属材料的线性热膨胀，线性热膨胀是指金属材料随温度变化出现的单位长度变化，检测温度范围为（-180）℃-900℃，通常以20℃为基准起始温度。在热膨胀性的检测过程中，需应用膨胀位移测量系统、温度测量系统、试样载体与推杆。在检测完成后，按照标准规定的公司计算线性热膨胀数值，完成金属材料的性能检测。

2 金属材料物理性能检测技术应用要点

在合理选择金属材料物理性能检测技术的同时，检测人员应注重检测操作的规范性，提高检测精度，保障检测质量。细化来说，金属材料物理性能检测技术要点如下：

第一，规范金属材料取样。在实施金属材料的物理性能检测前，检测人员根据检测要求，选择外观与尺寸符合要求的金属材料，并选择合适的位置进行取样，做好标记，避免试样混淆，影响检测结果。以钢板材料为例，如产品规范或检测合同对试样无要求，则可在w/4（w为钢板宽度）区域横向切割钢板，取样坯。

第二，合理制备检测试样。在取样完成后，应按照物理性能检测要求制备试样，以保障检测准确性。例如，在密度检测中，要求试样体积超过0.5cm3，如试样体积小于0.5cm3，则可将多个试样组成一个试样组，共同检测，并在检测前做好试样的清洁工作，严禁试样表面存在尘土或油渍；在热膨胀性检测中，要求试样长度为25mm±0.1mm，试样的横向尺寸控制在3-10mm，且不选择带有尖端的试样，避免检测过程中试样出现变形，降低检测精度；在维氏硬度检测中，如试样外形不规则或者检测截面较小，对试样进行镶嵌处理，便于检测。

本研究选择武汉市洪山区光谷地区部分城乡结合部2006年、2009年、2011年3年的遥感影像(3期遥感影像购买自中国遥感数据网，都为6月份的数据)作为初始数据，空间分辨率分别为2.4 m、2.4 m和2.0 m.为了满足本研究需要，把研究区用地简单分为城市用地和非城市用地，具体详见表1，土地利用类型分类参考参考文献[1]中的分类标准.

第三，遵循规范检测流程。在金属材料物理性能检测中，检测设备与检测实验的操作步骤有明确规定，一旦某个环节出现偏差，会使整个检测出现问题，降低检测精度。就此，检测人员应严格按照规范检测流程实施检测技术，以保障检测质量。以金属材料的线性热膨胀检测为例，国标中明确指出检测流程，检测人员应严格按照该流程开展检测工作，具体如下：

（1）清洗组件。将熔融石英组件置于10%的氢氟酸水溶液中浸泡1min，再通过蒸馏水全面漂洗组件，且在测量完成后，检测人员禁止用手触摸组件，避免高温条件下，熔融石英组件因碱性化合物污染，出现晶化问题，影响检测精度。

（2）准备工作。在室温条件下，测定金属材料试样检测方向的原始长度。在保障金属材料试样表面清洁的基础上，将其置于膨胀仪内，调整位置，保持稳定；将温度传感器放置在金属材料试样中部，在确保试样顺利运动的同时，尽量靠近试样。检查推杆、试样等检测器件可有效接触；装配膨胀测量系统，并将其置于炉内。于推杆中施加一定荷载（0-1N），使推杆与试样有效接触。记录温度传感器与位移传感器的初始读数。

（3）自动测量。在设定的金属材料测定温度范围内，测定金属材料试样的膨胀值，直到温度达到最高临界值。以速率不超过5℃/min的恒定速度，进行测量程序的加热或冷却处理，如对金属材料热膨胀性检测精度要求较高，则恒定速度设置为3℃/min。在此过程中，连续记录温度传感器和位移传感器的数值变化。

（4）精密测量。通过阶梯式升温或冷却方式，调节测量程序的温度，根据位移传感器显示数值稳定的时间，设置各点的保温时间，要求保温过程中，稳定变化数值低于2℃，试样内的温度梯度低于0.5℃/cm。在此过程中，保温时间视为膨胀测试装置与试样总热周量的函数。在不同恒定温度下，读取记录温度传感器及位移传感器数值。根据上述测量读取的数值，按照国标规定的公式进行数据计算，准确检测金属材料的热膨胀性。

3 结论

综上所述，在金属材料的物理性能检测技术中，现场检测技术包括硬度检测、金相检验、残余应力检测、成形性能检测；实验室检测技术包括密度检测与热膨胀性检测。为保障检测精度，检测人员规范金属材料的取样，合理制备检测试样，严格按照规范流程进行检测，发挥金属材料的物理性能检测技术的作用，推动金属材料行业的健康发展。