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更新时间：2026-01-21
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钢铁及金属行业企业面临着日益严苛的要求：零部件必须耐受高热负荷，工艺窗口必须严格遵循，而定向的组织结构调控往往是改善材料性能的关键所在。无论是焊接结构的性能评估、新型合金的研发，还是单批次产品的质量验证，金属材料的可靠表征均是实现可持续质量保障与靶向材料开发的重要基础。
钢铁及其他金属需历经一系列严苛的制造与加工流程，材料自身的热学及力学行为，是决定热处理、焊接、铸造或轧制等工艺设计效率的核心因素。精准掌握这些性能参数，不仅有助于优化生产工艺流程，更能有效避免高成本的产品报废问题，因此热机械分析（TMA）在金属行业中具有不可替代的重要性。
热机械分析（TMA）是一项成熟的材料测试方法，可测定试样的尺寸变化与温度、外加作用力之间的函数关系。通过该方法能够确定线热膨胀系数（CTE）、松弛行为以及蠕变现象等关键参数。其测试原理如下：将试样置于测试系统中，对其施加设定的温度与机械载荷，同时对由此产生的形变进行高精度记录。
典型的测定变量包括长度变化量、线膨胀系数（CTE）、松弛过程中的形变量、蠕变及回复试验数据，以及相变点的检测结果（例如钢材中的马氏体起始点）。林赛斯等品牌的现代热机械分析（TMA）系统，可确保达到微牛（µN）量级的精准力分辨率。系统支持选配多种压头几何形状与测试模式，大幅提升了应用灵活性。对于易受环境影响的敏感材料体系，还可在可控惰性气氛中开展测试，以避免材料发生氧化或其他不良反应。
相较于其他表征方法，热机械分析（TMA）的优势体现在高灵敏度，以及可单独或同步观测热效应与力学效应的能力。热膨胀特性的精准测定，对于新型合金研发及焊缝等构件性能评估至关重要。同时，TMA也是检测和量化马氏体相变等物相转变过程的理想方法，还能可靠测定材料的长期形变及与时间相关的松弛过程。
已有研究表明，在表征钢铁材料的相变行为与热膨胀特性方面，TMA测试具有很高的应用价值。研究特别强调，对于高性能材料而言，TMA是为数不多能够同时并可比较地记录温度、机械载荷与体积变化三者相互作用关系的方法之一。另有文献指出，将TMA与目标气氛控制技术相结合，对于合金的批次质量保障同样具有显著优势，这一方法对于铸造厂的工艺控制意义重大，可通过及早检测材料不均匀性来避免不合格批次的产生。
要获得可重复且可靠的测量结果，有几个因素至关重要。样品制备起着核心作用：洁净的试样表面和明确的几何形状可以最大限度减少干扰因素，并确保测量的可重复性。气氛的选择也很重要，惰性气体或可调节真空的系统有助于防止氧化或不良的反应过程。
选择适当的力和压头几何形状会直接影响测量信号。根据应用不同，可以使用针入式、压缩式或弯曲式压头。现代软件工具还支持对转变过程的自动检测以及对质量参数的记录，从而显著简化并加快了评估过程。
TMA测量技术在冶金领域的优势十分多样。通过对热机械极限的精确分析，可以实现对工业过程的精准控制，从而确保工艺窗口的稳定性。利用TMA进行持续的质量保证可以避免成本高昂的批次缺陷，这将直接体现在降低的废品率上。用于松弛和相变的直接测量数据可加速新合金的放大生产和优化，从而显著提高材料开发的效率。此外，可验证的数字化测量记录往往是认证和交付证明的前提条件，这意味着TMA也有助于满足法规要求。
LINSEIS TMA L72 能够对各种样品施加正弦力程序。这使得几乎所有材料的弯曲模量和弹性模量都可以被测定。该系统最初主要为聚合物应用设计，最近已针对金属合金和纯金属等材料的测量进行了优化。通过将力范围扩展至20N并增大样品尺寸，现在即使是高要求的金属材料也能被精确地表征。
在典型的三点弯曲测试中，对一个长度为8.4mm、宽5.12mm、厚度为0.2mm的镍样品进行了检测。测量在50°C下进行，使用500mN的静态力，并叠加1N的正弦力。如上图所示，蓝色曲线显示了样品因受力而产生的长度变化，红色曲线则显示了该三点弯曲测试所得到的弹性模量。由此得到的样品长度变化以及计算出的弹性模量与文献数据高度吻合。特别有利的是，此类测量可以在仪器的整个温度范围内进行，从而能够对材料的力学性能进行全面筛查。
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