20鋼金相試樣制備過(guò)程的影響因素分析

馬堯 楊超 吳昊

摘?要：對(duì)20鋼金相試樣制備進(jìn)行了L33（3×54）的混合水平正交試驗(yàn)，根據(jù)全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行打分。采用極差分析研究了試樣制備過(guò)程中的5個(gè)主要因素對(duì)最終試樣評(píng)分的影響程度與影響規(guī)律。影響評(píng)分的制樣因素的主次順序?yàn)椋捍蚰毫?gt;拋光時(shí)間>打磨次數(shù)>加水次數(shù)>腐蝕時(shí)間，制樣參數(shù)的最優(yōu)組合為A1B4C4D3E3。試驗(yàn)反映的相關(guān)規(guī)律具有較高的準(zhǔn)確性，可為金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)與金相大賽訓(xùn)練提供參考。

關(guān)鍵詞：20鋼;金相制樣;正交試驗(yàn);制樣參數(shù);影響規(guī)律

中圖分類號(hào)：TG115??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis?of?Metallographic?Sample?Preparation?Factors?of?20?Steel

Ma?Yao?Yang?Chao?Wu?Hao

Engineering?Technology?Training?Center，Civil?Aviation?Flight?University?of?China?SihuanGuanghan?618307

Abstract：Based?on?the?results?of?20?steel?Metallographic?Sample?preparation?orthogonal?experiment，the?influence?of?preparation?factors?on?sample?scores?is?analyzed?by?the?method?of?extreme?difference?analysis.The?results?show?that?the?grinding?pressure?has?the?most?significant?effect?on?the?sample?scores.A1B4C4D3E3is?a?set?of?optimized?factors，the?corresponding?score?is?74.It?indicates?that?the?trends?are?reasonable，which?can?provides?a?certain?reference?for?the?metallographic?sample?preparation?of?20?steel.

Keywords：20?Steel;Metallographic?Sample;Orthogonal?Experiment;Preparation?Factors

20鋼是含碳量0.2%的鐵碳合金，屬于低碳鋼，其退火狀態(tài)的組織是鐵素體+珠光體。20鋼是材料、機(jī)械、飛行器制造工程等專業(yè)進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常用材料，也是近幾屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽的比賽材料之一。研究20鋼試樣制備過(guò)程中的影響因素與因素的影響規(guī)律，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和指導(dǎo)初學(xué)者較快掌握制樣技巧，都有實(shí)際意義。

在金相制樣實(shí)踐中，制樣質(zhì)量的提高主要取決于制樣人員的經(jīng)驗(yàn)積累。經(jīng)驗(yàn)積累一方面依靠反復(fù)的訓(xùn)練，一方面來(lái)自于汲取前輩老師的經(jīng)驗(yàn)。目前，已有一些老師、同學(xué)在文獻(xiàn)中分享了不同材料金相制樣的經(jīng)驗(yàn)與技巧。袁秋林等對(duì)金相制樣取樣、磨樣、拋光、侵蝕等主要環(huán)節(jié)中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)[1]。孫亦蕙對(duì)工業(yè)純鐵金相試樣的制備方法、常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策進(jìn)行了總結(jié)[2]。郭林秀對(duì)球墨鑄鐵金相試樣制備方法與技巧進(jìn)行了介紹[3]。李維俊等對(duì)鐵及其合金的金相制樣常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法進(jìn)行了總結(jié)[4]。

然而，在課堂教學(xué)中，對(duì)于初次接觸金相實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，缺乏制樣經(jīng)驗(yàn)，也沒(méi)有積累經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間條件。對(duì)制樣過(guò)程中的主要因素，如果有具體的指標(biāo)和規(guī)律進(jìn)行指導(dǎo)，相比抽象的經(jīng)驗(yàn)傳授，初次接觸的學(xué)生也可能獲得較好的制樣效果。對(duì)于比賽訓(xùn)練，則可以縮短操作的時(shí)間。而現(xiàn)有研究中少有關(guān)于制樣因素的定量分析。

因此，以20鋼為研究對(duì)象，以試樣評(píng)分為指標(biāo)，進(jìn)行了試樣制備的正交試驗(yàn)，分析了各主要制樣因素對(duì)指標(biāo)的影響程度與影響規(guī)律，以期為實(shí)驗(yàn)教學(xué)與比賽訓(xùn)練提供參考。

1?金相制樣正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)采用20鋼北科標(biāo)樣，試樣為Φ15mm×18mm的圓柱體棒料。制樣過(guò)程包括倒角、6張砂紙打磨（由粗到細(xì)，目數(shù)分別為180、320、600、800、1000、1200）、拋光、腐蝕、觀察5個(gè)步驟。根據(jù)20鋼自身特性與以往制樣經(jīng)驗(yàn)，選取了5個(gè)主要制樣參數(shù)作為正交試驗(yàn)的因素。試驗(yàn)因素及水平如表1所示。打磨使用恒宇金相砂紙，沿砂紙長(zhǎng)邊從頭至尾直線單程推磨，壓力大小由制樣人控制，每張砂紙打磨次數(shù)不變。拋光使用恒宇拋光膏，帶背膠海軍呢拋光布，拋光轉(zhuǎn)速1400。腐蝕使用濃度為4%的NaOH溶液。金相觀察使用光學(xué)金相顯微鏡，對(duì)每個(gè)試樣在500X和100X下的5個(gè)隨機(jī)視場(chǎng)進(jìn)行拍照。制樣時(shí)間約為25分鐘一個(gè)試樣。

2?正交試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

參考全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[5]對(duì)試樣的十張金相照片進(jìn)行打分。為突出劃痕控制的重要性，且認(rèn)為試樣制備過(guò)程操作規(guī)范，因此適當(dāng)調(diào)整了分值分配，圖像質(zhì)量90分（其中組織40分、劃痕40分、假象10分），表面質(zhì)量10分。使用Allpairs軟件設(shè)計(jì)了L33（3×54）的混合水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

為了探究各個(gè)制樣因素對(duì)評(píng)分影響的程度大小以及評(píng)分隨各個(gè)因素的變化規(guī)律，采用極差分析法對(duì)表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如表3所示。

由表3可知，影響評(píng)分的制樣因素的主次順序?yàn)椋篈打磨壓力>C拋光時(shí)間>E腐蝕時(shí)間>B打磨次數(shù)>D加水次數(shù)。制樣參數(shù)的最優(yōu)組合為A1B4C4D3E3，即大壓力打磨，每張紙打磨50次，拋光5分鐘，加水3次，腐蝕10秒。對(duì)制樣參數(shù)最優(yōu)組合進(jìn)行了驗(yàn)證，試樣評(píng)分74分，對(duì)比33個(gè)正交試驗(yàn)試樣，評(píng)分幾乎最高，說(shuō)明試驗(yàn)反映的相關(guān)規(guī)律具有較好的準(zhǔn)確性。各制樣因素對(duì)試樣評(píng)分的影響規(guī)律如圖1—圖5所示。

由圖1可知，隨著打磨壓力減小，試樣評(píng)分降低。這是由于20鋼較純鐵硬度大，打磨時(shí)需要用一定的壓力才能有效除去劃痕。壓力過(guò)小時(shí)，目數(shù)小的砂紙留下的磨跡不能被打磨掉，以至最終成品表面劃痕大小不一，交錯(cuò)繁雜。

由圖2可知，隨著打磨次數(shù)增加，試樣評(píng)分波動(dòng)上升。每張砂紙打磨次數(shù)本應(yīng)越多越好，然而打磨次數(shù)越多，留在砂紙表面的金屬粉末，砂紙脫落的沙礫也就越多，可能會(huì)在打磨過(guò)程中給試樣表面造成與打磨方向不平行的劃痕。這樣的不平行的劃痕一旦留下，就難以通過(guò)后續(xù)砂紙的打磨消除，最終將影響試樣表面的質(zhì)量。

由圖3可知，隨著拋光時(shí)間的增加，試樣評(píng)分先上升后下降。這是由于拋光時(shí)間增加能更多地去除細(xì)小劃痕。但時(shí)間越久，拋光布表面越臟，殘留的金屬粉末及拋光膏會(huì)污染試樣表面，導(dǎo)致金相圖樣模糊，組織不清晰，降低圖像的質(zhì)量。

由圖4可知，試樣評(píng)分隨加水次數(shù)波動(dòng)不大，加水不是影響試樣評(píng)分的主要因素。加3次水時(shí)評(píng)分最高，可認(rèn)為是保持適當(dāng)濕度，即可防止試樣表面過(guò)熱，又可以避免加水過(guò)多導(dǎo)致出現(xiàn)麻點(diǎn)或殘留水漬的現(xiàn)象。

由圖5可知，試樣評(píng)分隨腐蝕時(shí)間波動(dòng)不大，腐蝕時(shí)間不是影響評(píng)分的主要因素。取中間值10秒時(shí)評(píng)分最高，這是由于腐蝕時(shí)間過(guò)短，細(xì)微劃痕腐蝕不掉，晶界不明顯。腐蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)產(chǎn)生雙晶界，且試樣表面會(huì)變黑，降低試樣評(píng)分。

結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了20鋼金相試樣制備L33（3×54）的混合水平正交試驗(yàn)，分析了制樣因素對(duì)試樣評(píng)分的影響程度與影響規(guī)律。制樣因素影響程度的主次順序?yàn)椋篈打磨壓力>C拋光時(shí)間>E腐蝕時(shí)間>B打磨次數(shù)>D加水次數(shù)。

（2）制樣參數(shù)的最優(yōu)組合為A1B4C4D3E3，即大壓力打磨，每張紙打磨50次，拋光5分鐘，加水3次，腐蝕10秒。對(duì)制樣參數(shù)最優(yōu)組合進(jìn)行了驗(yàn)證，試樣評(píng)分74分。試驗(yàn)反映的相關(guān)規(guī)律具有較好的準(zhǔn)確性，可為金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)與金相大賽訓(xùn)練提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁秋林，樊湘芳，馮逾鵬，王毅.金相制樣的流程及所需注意事項(xiàng)[J].輕工科技，2021（37）：4748.

[2]孫亦蕙.工業(yè)純鐵金相試樣的制備方法[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2020（06）：187188.

[3]郭林秀.球墨鑄鐵金相試樣制備方法與技巧[J].山西冶金，2020（05）：3941.

[4]李維俊，張旭明，彭東，黃耀光.鐵及其合金的金相制樣常見(jiàn)問(wèn)題及解決[J].化工管理，2021（35）：7172.

[5]全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽競(jìng)賽委員會(huì).第十一屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽復(fù)/決賽競(jìng)賽規(guī)則[EB/OL].http：//www.msecn.com/past/11/11rule.pdf.

基金項(xiàng)目：中國(guó)民用航空飛行學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202110624091）;中國(guó)民用航空飛行學(xué)院面上項(xiàng)目（J2021-043）

作者簡(jiǎn)介：馬堯（1988—?），男，碩士，講師，研究方向?yàn)楹娇諜C(jī)械;楊超（1999—?），男，本科在讀，獲第九屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽個(gè)人二等獎(jiǎng)。