隨著汽車工業(yè)與金屬材料工業(yè)的發(fā)展，普通的鋼鐵材料已經(jīng)不能完全適應(yīng)汽車發(fā)展的需要,，一些新材料如高強(qiáng)度鋼,、超高強(qiáng)度鋼、鋁合金等應(yīng)運(yùn)而生,。金屬材料在使用過程中所表現(xiàn)的各種性能如機(jī)械性能（拉,、壓、沖,、彎,、扭）、物理性能和其他性能,，直接決定了它在車輛上的應(yīng)用范圍,、安全可靠性以及使用壽命。

而金屬材料組織結(jié)構(gòu)以及元素種類分布及含量,，決定了其應(yīng)用范圍以及在加工制造過程中所表現(xiàn)出來的性能如沖壓性能,、焊接性能,、切削性能、熱處理性能等,，以及零件加工制造的難易程度,。對于鋼鐵金屬材料的物理性能影響較大化學(xué)成分有碳、硅,、錳,、磷、硫,，俗稱五大元素,。碳作為金屬中一個重要元素，而碳含量增加時(shí),，鋼鐵的強(qiáng)度和硬度增加,，塑性和延展性降低，反之亦然,；而硫作為一種有害的元素,，硫含量過高，形成硫化錳,、硫化鐵,，是鋼鐵在熱變形的產(chǎn)生裂紋主要原因，要嚴(yán)格控制,。對于合金鋼而言除了控制五大元素的含量外,，還要對其他合金元素如硼、鎳,、鉻,、釩、鉬,、鈦,、鈮等進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證達(dá)到材料的使用要求和性能要求,。

鑄鐵是含碳量為2.11%～6.69% 的鐵碳合金,，元素成分以鐵,、碳,、硅為主要成分。按照碳在鑄鐵中存在的形態(tài)和石墨形狀,，鑄鐵被分為白口鑄鐵,、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵,、蠕墨鑄鐵,、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵。鑄鐵具有優(yōu)良鑄造性能,、切削加工性能以及耐磨和減振性能,，鑄鐵的生產(chǎn)工藝簡單、成本低,，是汽車制造及其他工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種材料,，如發(fā)動機(jī)缸體、動力轉(zhuǎn)向節(jié),、主軸承蓋,、平衡軸等等。

1.2 汽車用鋼

鋼是含碳量在0.04%～2.3%之間的鐵碳合金,，是汽車金屬材料中應(yīng)用較為廣泛的一種,，車身的許多板件都用鋼板制成。按照化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼,。碳素鋼按碳含量高低又分低碳鋼,、中碳鋼、高碳鋼,。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,，通過控制硫、磷含量在0.04以下,，強(qiáng)度,、硬度低，塑性與韌性好,，冷塑性,、變形性和焊接性好，適合車身構(gòu)件沖壓成型,。而合金鋼按照合金元素高低又分為低合金,、中合金、高合金鋼,。低合金中,，高強(qiáng)度鋼（HLSA ）0.25%-0.60% ，在低碳鋼中加入磷來提高鋼的強(qiáng)度,，具有低碳鋼類似的加工特性,，提高抗拉強(qiáng)度；高抗拉強(qiáng)度鋼（HHS）,，通過增加了硅,、錳和碳，提高了抗拉強(qiáng)度,。用來制造與懸架裝置有關(guān)的構(gòu)件和車身,。

不銹鋼主要由鐵,、鉻及含量不同的碳元素合金組成。強(qiáng)度質(zhì)量比高及非凡的抗腐蝕能力,，決定它被廣泛用于機(jī)械加工及冷成形車身零件,。如車身、車輪,、防盜組,。

按照熱處理工藝，鋼分為普通熱處理和表面熱處理,。其中表面熱處理又分為表面淬火和化學(xué)熱處理,。熱處理是通過加熱保溫冷卻手段，改變材料表面或內(nèi)部的化學(xué)組織和結(jié)構(gòu),。鋼板按照軋制工藝,，常見的有熱軋鋼板和冷軋鋼板。熱軋鋼板車身鋼材,，一般 800℃以上的軋制,；而冷軋鋼板，是將熱軋鋼板酸洗后,，在常溫狀態(tài)由軋機(jī)軋制,，具有加工性好，表面美觀,，用于車身構(gòu)件,。表面淬火，通過淬火是提高鋼材料表面的硬度,、耐磨性,，而芯部仍然保持良好的韌性，如車輛的齒輪,、曲軸等,。表面化學(xué)熱處理的鋼板，通過化學(xué)反應(yīng)結(jié)合物理方式,，改變表層的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu),，一般會加入鎳、鋅,、鋁等合金元素,，主要用于汽車上易發(fā)生腐蝕、易氧化,、耐磨損等部位,，如車門檻,、車輪護(hù)罩,、車身下護(hù)圍等,。

1.3 汽車用有色金屬及合金

通常把鐵和鐵碳合金稱為黑色金屬，而把黑色金屬以外的其他金屬稱為有色金屬,。

隨著汽車輕量化需求以及輕量化材料的推廣,，在汽車上廣為應(yīng)用的有鋁及鋁合金、銅及銅合金,、鎂及鎂合金,，以鋁合金為主的有發(fā)動機(jī)、鋁輪轂以及鋁合金車身,、車門,、保險(xiǎn)杠、車輪等等,。

對于金屬中的元素成分測試,，傳統(tǒng)的測試方法通過制備少量的金屬碎屑，將碎屑通過一定的方式溶解,，再采用實(shí)驗(yàn)室的滴定法,、比色法、容量法等測試,。

隨著化學(xué)測試儀器設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展,，衍生了一批快速分析測試的設(shè)備，如火花放電原子發(fā)射光譜儀,、波長色散X射線熒光光譜儀,、碳硫分析儀、氧氮?dú)浞治鰞x等試驗(yàn)設(shè)備在一定程度上取代了傳統(tǒng)化學(xué)滴定,、重量法,，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的測試要求,。但是也存在一些樣品溶解方式無法被取代,，如元素含量極低的情況下，如質(zhì)量濃度達(dá)到10-6-10-9級別時(shí),，同樣可以借助傳統(tǒng)的溶樣方式,，再采用高靈敏度的儀器設(shè)備：石墨爐原子吸收光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等測試,。下面就汽車金屬元素成分的測試方法原理及相關(guān)研究進(jìn)行分別介紹。

2.1 火花源放電原子發(fā)射光譜法

火花源放電原子發(fā)射光譜法俗稱直讀光譜法,，是將制備好的金屬樣品塊在火花光源的作用下,，與對電極之間發(fā)生放電，在高溫和惰性氣氛中產(chǎn)生等離子體,，被測元素的原子被激發(fā)時(shí),，電子在原子內(nèi)不同能級間躍遷,，當(dāng)從高能級向低能級躍遷時(shí)產(chǎn)生特征譜線，通過測量該種特征譜線的波長和強(qiáng)度,，并且特征譜線的強(qiáng)度與元素的濃度呈比例關(guān)系,，實(shí)現(xiàn)對待測元素進(jìn)行定性分析和定量分析?；鸹ǚ烹娫影l(fā)射光譜法,俗稱直讀光譜法,。它可以同時(shí)測定包括C、Si,、Mn,、P、S在內(nèi)的非金屬和金屬多種元素,，測試范圍為百分之幾,。為了提高測試的準(zhǔn)確性，除了應(yīng)用儀器設(shè)備自帶的校準(zhǔn)曲線,，通常需要建立相應(yīng)基體的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,。該方法要求樣品的規(guī)整度較高，如果為碎屑,、粉末,、表面不規(guī)則樣品或者溶液狀態(tài)則不能測試。

我國鋼鐵領(lǐng)域的3個金屬元素的測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 4336-2016,、GB/T 24234-2009,、GB/T 11170-2008 ，分別規(guī)定了碳素鋼,、中低合金鋼,、鑄鐵、不銹鋼等材料的C,、Si,、Mn、P,、S等元素含量采用火花放電原子發(fā)射光譜測定方法,，在各行業(yè)應(yīng)用較廣。

2.2 波長色散X射線熒光光譜法

波長色散X-射線熒光光譜儀（WD-XRF）是一種可以對多元素進(jìn)行快速同時(shí)測定的儀器,。在X射線激發(fā)下,，被測元素原子的內(nèi)層電子發(fā)生能級躍遷而發(fā)出次級X射線（即產(chǎn)生X-熒光），采用晶體分光而后由探測器接收經(jīng)過衍射的特征X射線信號,。如果分光晶體和控測器作同步運(yùn)動,，通過不斷地改變衍射角，可獲得樣品內(nèi)各元素所產(chǎn)生的特征X射線的波長及各個波長X射線的強(qiáng)度，并依此進(jìn)行定性和定量分析,。WD-XRF對元素的檢測濃度線性范圍寬,，測試可達(dá)到0.001%-100%，一次可以測試多種元素,，測試速度快，對于符合要求的樣品基本無需處理,。WD-XRF方法對樣品的要求類似于火花放電原子發(fā)射光譜,。WD-XRF已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖礦的成分測試，在鋼鐵領(lǐng)域的不銹鋼,、鋁合金成分測試也有應(yīng)用,。但是WD-XRF不適合分析輕質(zhì)量元素以及極低含量如0.01%以下的元素測試。

2.3 原子吸收光譜法

原子吸收光譜分析（AAS）是基于試樣蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子對由光源發(fā)出的該原子的特征性窄頻輻射產(chǎn)生共振吸收,，其吸光度在一定范圍內(nèi)與蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子濃度成正比,，以此測定試樣中該元素含量的一種儀器分析方法。AAS測試范圍在為μg/ml以上4～6個數(shù)量級,，一般是單個元素測試,，但不能連續(xù)同時(shí)多個元素的測試，此外對非金屬元素的靈敏度偏低,。依據(jù)進(jìn)樣方式分為一般的火焰AAS和石墨爐AAS,，所有AAS測試進(jìn)樣都需要將固體樣品轉(zhuǎn)換為液體樣品，對大部分金屬元素可直接測試,，但對于部分元素如砷,、銻元素需要?dú)浠l(fā)生反應(yīng)生成氫化物測試。

2.4 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES),，是利用通過高頻電感耦合產(chǎn)生等離子體放電的光源來進(jìn)行原子發(fā)射光譜分析的方法,。它是一種火焰溫度范圍為6000至10000K的火焰技術(shù)。該發(fā)射強(qiáng)度表示樣品中元素的濃度,。ICP-AES在鋼鐵,、鋁合金、鋅合金,、高溫合金等冶金分析方面應(yīng)用較廣,。同AAS一樣，ICP-AES的進(jìn)樣也需要將固體樣品轉(zhuǎn)換為液體樣品,，它可以一次同時(shí)測試多種元素,，測試范圍在 μg/ml以上至100%，測試靈敏度高,，不僅可以測試金屬元素,，還可以測試部分非金屬元素B、P,、S,、Si等,。ICP-AES在低合金鋼、鋁合金,、鈦合金,、鋅合金等測試有應(yīng)用。

我國的標(biāo)準(zhǔn) GB∕T 20125-2006,、GB/T 20975.25-2008,、GB/T 5121.27-2008分別規(guī)定了應(yīng)用 ICP-AES法對低合金鋼、鋁合金和銅合金中的元素含量測試方法,。

2.5 電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜法

電感藕合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）,，它是一種將電感藕合等離子體ICP技術(shù)和質(zhì)譜MS結(jié)合在一起的分析方法。ICP利用在電感線圈上施加的強(qiáng)大功率的高頻射頻信號在線圈內(nèi)部形成高溫等離子體,，并通過氣體的推動,，保證了等離子體的平衡和持續(xù)電離，在ICP－MS中,，ICP起到離子源的作用,，高溫的等離子體使大多數(shù)樣品中的元素都電離出一個電子而形成了一價(jià)正離子。質(zhì)譜MS是一個質(zhì)量篩選和分析器,，通過選擇不同質(zhì)核比（m/z）的離子通過來檢測到某個離子的強(qiáng)度,，進(jìn)而分析計(jì)算出某種元素的強(qiáng)度。ICP-MS測試速度塊,，靈敏度高,，檢測限低，適合多元素同時(shí)測試,；在樣品經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后,，既可以測試金屬元素，也可以測試非金屬元素B,、Si,、P、S,、As等,，還可以結(jié)合液相色譜或氣相色譜聯(lián)機(jī)方式進(jìn)行測試元素的價(jià)態(tài)；元素含量測試范圍寬,，從ng/mL-100%可達(dá)9個數(shù)量級,。

ICP-MS主要有氣體進(jìn)樣、液體進(jìn)樣和固體進(jìn)樣多種方式,，其中液體進(jìn)樣方式應(yīng)用最為廣泛,。

2.6 非金屬元素CS/ONH分析法

金屬元素中的C、S與O、N,、H通常采用紅外吸收法和熱導(dǎo)檢測儀測試,，俗稱碳硫分析儀和氧氮?dú)浞治鰞x。碳硫分析儀（CS儀）即高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收儀,，針對金屬中的非金屬元素碳和硫,，電負(fù)性相差不大，在金屬中都能形成碳化物或硫化物,，碳在鋼鐵中以碳化物和游離態(tài)碳存在,，再高溫富氧的條件下可被氧化成二氧化碳和二氧化硫。二氧化碳和二氧化硫具有永久電偶極矩,，都有振動,、轉(zhuǎn)動等結(jié)構(gòu),，按照量子力學(xué)的分裂能級,，入射特征波長紅外輻射耦合產(chǎn)生吸收，根據(jù)朗伯-比爾定律,，吸收強(qiáng)度與濃度呈正比關(guān)系,，測量經(jīng)紅外吸收后的紅外光譜的強(qiáng)度，便可計(jì)算出二氧化碳或二氧化硫的含量,。CS分析測試的 C,、S質(zhì)量含量可低至0.005%和0.0005%。

標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11261-2006,、GB/T 20124-2006,、GB/T 223.82-2018分別采用惰性氣體熔融-熱導(dǎo)或紅外吸收法規(guī)定了鋼鐵中的氧、氮,、氫含量的測試方法,，氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量 0.0005～0.020%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量 0.002～0.6%,，氫元質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量素0.20～30μg/g,。