過程控制、材料可靠性鑒定（PMI）、質(zhì)量控制、資產(chǎn)完整性管理、材料分類、廢料回收、根本原因分析和新材料開發(fā)均依賴于精確的元素分析，才可確保正確的規(guī)格、性能和法規(guī)合規(guī)性。商用手持式、移動(dòng)式和固定式分析儀可用于實(shí)現(xiàn)此任務(wù)，還有許多產(chǎn)品可滿足各種行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
金屬元素分析主要采用三種技術(shù)——激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）、直讀光譜儀（OES）和X射線熒光（XRF），每種技術(shù)都有其確保質(zhì)量和安全的作用。鑒于此類技術(shù)具有不同的優(yōu)勢，似乎很難選擇合適的技術(shù)。對(duì)不同元素的分析需求加以了解將有助于針對(duì)具體的應(yīng)用領(lǐng)域選擇合適的技術(shù)。
本指南將討論關(guān)于10種需要火花OES才可獲得精確分析結(jié)果的元素、此等元素可能出現(xiàn)的情況，以及在分析此等元素時(shí)必須獲得精確結(jié)果的原因。
一、元素分析的主要技術(shù)
上述三種主要技術(shù)都以類似的方式發(fā)揮作用——作用于材料表面，并在原子層級(jí)相互作用，以檢測存在的元素。每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，我們將在下面對(duì)此進(jìn)行探討：
X射線熒光（XRF）
XRF技術(shù)用于驗(yàn)證多種樣品的化學(xué)成分，包括金屬、非金屬、粉末、液體、固體、溶液和糊劑。XRF是一種完全無損的技術(shù)，即使對(duì)于成品部件，此種技術(shù)也可在不造成其表面損傷的情況下對(duì)其進(jìn)行檢測。手持式和臺(tái)式分析儀均可供使用，此種技術(shù)非常適合用于管道工程，因其可對(duì)熱樣品進(jìn)行精確分析。
XRF光譜儀的局限性在于其檢測輕元素的準(zhǔn)確性不高，輕元素通常被認(rèn)為是原子序數(shù)小于11的元素，如鋁（Al）、硅（Si）和鈣（Ca），以及稀土元素，如鈰（Ce）和鉺（Er）。另一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是，XRF光譜儀依賴于X射線技術(shù)，而且此款分析儀可能需要獲得許可，這可能比較麻煩。
直讀光譜儀（OES）
與其他兩種技術(shù)相比，OES技術(shù)的最大優(yōu)勢在于其能夠檢測最廣泛的元素。對(duì)于鋼材中的所有重要元素（包括碳（C）、硼（B）、磷（P）和氮（N）），OES技術(shù)可在超低檢測含量的情況下實(shí)現(xiàn)極高準(zhǔn)確度。實(shí)質(zhì)上，OES可檢測出其他技術(shù)會(huì)漏檢的痕量元素的存在。
OES擅長分析金屬和非金屬元素 ，但只能分析金屬的基體材料。這是因?yàn)镺ES的工作原理是在材料表面進(jìn)行放電，所以基體材料必須具有導(dǎo)電性。OES像LIBS一樣會(huì)在表面留下可見的激發(fā)斑點(diǎn)，因此不適合用于成品。最后，OES設(shè)備往往體積更大，所需的能源更多，并且該技術(shù)需要?dú)鍤夤?yīng)。
本質(zhì)上，OES能檢測到其他技術(shù)會(huì)遺漏的痕量元素。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）
LIBS分析的主要優(yōu)勢是速度快。借助手持式LIBS光譜儀，可在一秒鐘內(nèi)獲得結(jié)果——這在分析大量零件或分揀一堆廢料時(shí)是一大優(yōu)勢。這正是LIBS最擅長的領(lǐng)域，尤其是該技術(shù)在測量大多數(shù)鋁合金時(shí)非常精確。LIBS不像XRF那樣完全無損，LIBS測量會(huì)在表面留下一個(gè)很小的激光斑點(diǎn)，因此人們不會(huì)在極為注重外觀的成品部件上使用LIBS。
此項(xiàng)技術(shù)需要在無污染物的固體表面進(jìn)行測量。目前的LIBS技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于其根本無法測量某些元素，如氧（O）、氮（N）、氫（H）、砷（As）、磷（P）、硫（S）和硼（B）。
二、10種需要火花OES才可獲得精確結(jié)果的元素
氣體元素：
1.氫
以鈦合金為例，分析時(shí)需要非常小心地控制氫元素含量。氫元素可與鈦基合金的結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致機(jī)械降解和斷裂，尤其是在高溫下亦如此。因此，不同牌號(hào)鈦均設(shè)有氫元素最大值。對(duì)于許多牌號(hào)鈦，如1號(hào)鈦，其中的氫含量限值為0.15%，但對(duì)于醫(yī)用鈦，如2、3號(hào)鈦，合金中的氫含量必須低于0.125%。
對(duì)于鋼而言，溶解在固態(tài)鋼中的氫會(huì)在焊接時(shí)立即或在焊接后短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致冷裂紋，尤其是在熱影響區(qū)（HAZ）的碳錳鋼中亦如此。這也可能延伸至焊縫中。
使用XRF或者LIBS技術(shù)都無法檢測出氫元素，因此OES技術(shù)是最好的選擇。某些OES儀器不具備氫元素檢測能力，因此需要仔細(xì)檢查產(chǎn)品規(guī)格。另一種選擇是燃燒分析法，但此種技術(shù)難度更大，所需的儀器比OES光譜儀更加昂貴。
2. 氧
除非使用燃燒分析法，否則氧元素也可能像氫元素一樣難以分析。分析銅熔體時(shí)需要減少氧含量，因?yàn)楦吆康难鯐?huì)影響導(dǎo)電性、可塑性和耐腐蝕性；如果銅將用于電氣應(yīng)用領(lǐng)域，這一點(diǎn)尤其重要。
對(duì)于鈦牌號(hào)，通常規(guī)定其中的氧含量為0.2%左右，以增加強(qiáng)度。
3. 氮
監(jiān)測鋼中的氮含量極其重要；氮的存在與否會(huì)影響強(qiáng)度、耐腐蝕性和可加工性，因此必須對(duì)氮含量加以控制以適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域。
雙相鋼中的氮是一種重要的合金元素，可形成優(yōu)異的耐腐蝕性和強(qiáng)度等關(guān)鍵特性。然而，不正確使用雙相鋼將產(chǎn)生問題，尤其是在低溫下亦如此。精確測定鋼中氮成分對(duì)于熔體控制和來料檢驗(yàn)至關(guān)重要，可避免材料混淆?；鸹∣ES是燃燒分析法的一種合適的替代技術(shù)。
氮是鈦牌號(hào)中的一種合金元素，其存在會(huì)影響焊接性。根據(jù)具體的鈦牌號(hào)，其中的氮含量通常保持在0.02%至0.05%之間。
金屬和非金屬元素
4. 硼
硼是一種輕元素，且XRF或LIBS無法檢測出硼，只有OES才能檢測出硼。在金屬檢測中，必須小心控制硼在低合金鋼和碳鋼中的存在。一方面，硼在提高碳鋼的淬透性方面非常有用，只要3ppm的硼便可產(chǎn)生巨大的影響。因此，含硼鋼通常用于車輛的安全桿、立柱和儀表板。
然而，當(dāng)硼的含量上升時(shí)，其會(huì)從鋼中分離出來，并沉淀在晶界內(nèi)。僅僅5ppm的硼就會(huì)降低淬透性、降低韌性、導(dǎo)致脆化并導(dǎo)致焊縫開裂。因此含硼鋼不能用于大型結(jié)構(gòu)，并且已制定適當(dāng)?shù)姆ㄒ?guī)確保這一點(diǎn)。
5. 鋰
對(duì)于鋁基合金而言，鋰是一種有問題的雜質(zhì)。首先，鋰會(huì)導(dǎo)致鑄造問題，影響孔隙率。熔融鋁中鋰的存在會(huì)影響氧化速率，并對(duì)鑄造產(chǎn)品產(chǎn)生不利影響。
在加工線更下游的工序中，鋰會(huì)在熱軋過程中導(dǎo)致脆化。在最終應(yīng)用領(lǐng)域中，鋰會(huì)導(dǎo)致焊接性問題，從而導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定；即使鋰的含量低于5ppm，其也會(huì)導(dǎo)致鋁箔在潮濕條件下變色。
在制造過程中，尤其是對(duì)于8090系列，需要進(jìn)行進(jìn)料和出貨檢驗(yàn)，而且在金屬回收過程中，鋰鋁需要分離，因?yàn)殇嚭砍^5ppm的任何物質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致鑄造回收原材料的問題。
由于鋰是一種輕元素，因此XRF無法對(duì)其進(jìn)行分析。LIBS可檢測出鋰的存在，但難檢測出低濃度鋰。中高端OES光譜儀可檢測含量低至1ppm的鋰。
6. 鈹
鈹是銅中一種重要的合金元素，其主要功能是抵消銅成分在長期受熱后的弱化。因此含鈹銅被用于發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)和洗衣機(jī)的電連接器。
鈹?shù)暮咳Q于銅的牌號(hào)，銅的牌號(hào)通常分為兩類：高強(qiáng)度牌號(hào)和高導(dǎo)電性牌號(hào)。高強(qiáng)度牌號(hào)銅的鈹含量通常不足2%，而高導(dǎo)電性合金（如鋁合金174）的鈹含量可低至0.15%。
測量銅中如此低含量的鈹對(duì)LIBS光譜儀而言是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。然而，由于鈹被認(rèn)為是對(duì)人類毒性最大的化學(xué)物質(zhì)之一，因此了解桿材或金屬棒等中的鈹含量是一項(xiàng)重要的健康和安全措施。OES光譜儀的基本功能包括精確檢測鈹含量是否適當(dāng)，確保適當(dāng)?shù)暮辖鹱罱K用于正確的應(yīng)用領(lǐng)域，并防止任何健康和安全事故。
7. 碳
碳是鋁中的一種雜質(zhì)，在鋁中形成碳化物，碳化物遇水分解，會(huì)導(dǎo)致表面點(diǎn)蝕。然而，檢測鋼（包括碳鋼和鎳鉻鋼）中碳含量的需求最為廣泛。
鋼材按含碳量分類；低碳鋼（L）用于耐腐蝕，高碳鋼（H）用于提高強(qiáng)度。低碳鋼與高碳鋼之間的差異非常小；低碳鋼要求含碳量在0.03%或以下，高碳鋼則要求含碳量在0.04%至0.1%之間。
首先，需要能夠可靠地檢測上述含碳量的分析儀。但是，由于“碳當(dāng)量”（CE）的概念，碳的分析并不十分簡單。此處，在計(jì)算“碳當(dāng)量”值的公式中使用了其他合金元素的精確成分。該值用于預(yù)測材料在高溫加工時(shí)的性能。
XRF無法檢測出碳。OES在檢測碳和用于CE計(jì)算的所有合金元素方面具有卓越性能。LIBS更像是一種中間技術(shù)。LIBS可用于檢測碳，但是此項(xiàng)技術(shù)缺乏OES的精確度。對(duì)于CE計(jì)算，LIBS完全無法檢測出一些關(guān)鍵元素，例如硼。
8. 鈉
鈉是鋁合金中的一種雜質(zhì)。在鋁熔煉和鑄造過程中保持低鈉含量至關(guān)重要，否則會(huì)導(dǎo)致熔體損失。鋁合金中可接受的鈉含量屬于低ppm范圍；在熱軋過程中，僅少量ppm的鈉即可導(dǎo)致裂紋，如果焊絲中的鈉含量超過10ppm，焊弧會(huì)變得不穩(wěn)定。
作為一種輕元素，鈉屬于太輕而無法被XRF檢測出的一類元素，而LIBS也難檢測出鈉。火花LIBS同樣是最好的選擇，有些LIBS儀器的檢出限（LOD）為1ppm或更低。
OES在檢測碳和用于CE計(jì)算的所有合金元素方面非常出色。
9. 磷
鋼中的磷可能有害或有益，這取決于應(yīng)用領(lǐng)域和成型工藝。例如，加入磷可提高機(jī)械加工性和耐腐蝕性，加入少于0.2%的磷可提高低碳薄鋼板的抗拉強(qiáng)度。但是磷也會(huì)導(dǎo)致脆化，從而導(dǎo)致延展性降低。某些鋼特別容易脆化，如高強(qiáng)度低合金鋼，此類鋼的磷含量必須限制在0.02%以下。
對(duì)于鋁壓鑄件，磷會(huì)污染含鍶和含鈉變質(zhì)劑，大幅降低其在鑄造過程中的效果。這可能導(dǎo)致鑄造產(chǎn)品形成次優(yōu)熔體結(jié)構(gòu)和較差的性能特性。
磷是一種相對(duì)較輕的元素，XRF很難檢測出鋁合金和碳鋼中的磷含量。LIBS光譜儀根本檢測不出磷?；鸹∣ES能夠檢測出鋼合金中低ppm含量范圍內(nèi)的磷。
10. 硫
硫在鋼中被視為雜質(zhì)還是被視為所需元素取決于相關(guān)用途。在接受焊接的低合金鋼中，硫被歸類為雜質(zhì)，其含量必須保持在0.05%以下。當(dāng)硫含量高于0.05%時(shí)，鋼會(huì)變脆，焊接完整性會(huì)受損。然而，易切削鋼中會(huì)特意添加含量為0.10%至0.30%的硫，以改善機(jī)械加工性。
硫的原子質(zhì)量相對(duì)較低，因此盡管XRF可檢測出硫，但難以達(dá)到檢測鋼所需的超低檢出限。LIBS根本無法檢測出硫?；鸹∣ES同樣是唯一能夠以所需精度可靠地分析金屬中硫含量的技術(shù)。
三、投資火花OES以實(shí)現(xiàn)未來靈活性
除上文討論的元素之外，火花OES還是唯一一種擅長檢測其他更稀有元素的技術(shù)。下文簡要介紹可能會(huì)越來越多地在金屬合金中使用的七種元素。
鈦
鈦是一種極其耐用的輕金屬，比標(biāo)準(zhǔn)低碳鋼更堅(jiān)固，但重量只有低碳鋼的55%。由于鈦具有較高的生物相容性，其已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療器械中，但預(yù)計(jì)鈦將更普遍地用于車輛和飛機(jī)，以滿足減輕重量從而提高效率的需要。
釩
在使用碳當(dāng)量計(jì)算法時(shí)，可能已開始查看釩，因?yàn)殁C是一種變質(zhì)元素。釩也被用作鈦合金中的穩(wěn)定劑，并與鋁和鈦混合，形成一種用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的超強(qiáng)合金。釩鋼非常堅(jiān)韌，而釩合金用于制造核反應(yīng)堆。
鉬
此種銀白色的硬金屬有許多用途；鉬被添加至鈷合金中以增強(qiáng)強(qiáng)度，其還可被添加至鈦合金中作為穩(wěn)定劑。鉬是雙相鋼中的四種合金元素之一，用于碳當(dāng)量計(jì)算法。鉻鉬合金鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性和抗拉強(qiáng)度，因此可用于建筑和汽車應(yīng)用領(lǐng)域。
火花OES是唯一擅長檢測其他如稀有元素是否存在的技術(shù)。
鈮
由于鈮的表面會(huì)形成一層保護(hù)性氧化物，因此鈮天然地極其耐腐蝕。鈮可提高不銹鋼合金的強(qiáng)度，用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭和管道。鈮還具有超導(dǎo)特性，越來越多地應(yīng)用于粒子加速器和磁共振掃描儀中。
鉭
鉭與鈮一樣具有極高的天然耐腐蝕性，這要?dú)w功于其表面易于形成的一種堅(jiān)固的氧化物。正是由于此種高度絕緣的氧化物，鉭廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備，尤其是手機(jī)。鉭也能生產(chǎn)用于超音速飛機(jī)的異常堅(jiān)固的合金。
鉿
此種高熔點(diǎn)金屬在高溫應(yīng)用領(lǐng)域中有多種用途。鉿的抗腐蝕能力和吸收中子的能力使其廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆。將鉿用于“高溫合金”中有助于提高后者的高溫使用性能，因此鉿用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。
鎢
在所有金屬中，鎢的熔點(diǎn)最高，鎢在過去一直被用于燈絲。如今，鎢合金被用于高溫應(yīng)用領(lǐng)域，包括電弧焊和熔爐。由于碳化鎢具有極高的硬度，因此許多切削工具均由碳化鎢制成，并且碳化鎢的新應(yīng)用領(lǐng)域正在開發(fā)中，例如牙鉆。
可使用OES光譜儀分析所有上述元素。隨著材料規(guī)格和應(yīng)用發(fā)生變化，需要確保所選擇的分析儀具有較寬的波長范圍，以便涵蓋目前和將來需要分析的所有元素。
