20鋼金相試樣制備過程的影響因素分析

馬堯 楊超 吳昊

摘?要：對20鋼金相試樣制備進行了L33（3×54）的混合水平正交試驗，根據全國大學生金相技能大賽的評分標準對試樣進行打分。采用極差分析研究了試樣制備過程中的5個主要因素對最終試樣評分的影響程度與影響規律。影響評分的制樣因素的主次順序為：打磨壓力>拋光時間>打磨次數>加水次數>腐蝕時間，制樣參數的最優組合為A1B4C4D3E3。試驗反映的相關規律具有較高的準確性，可為金相實驗教學與金相大賽訓練提供參考。

關鍵詞：20鋼;金相制樣;正交試驗;制樣參數;影響規律

中圖分類號：TG115??文獻標識碼：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，其退火狀態的組織是鐵素體+珠光體。20鋼是材料、機械、飛行器制造工程等專業進行金相實驗教學的常用材料，也是近幾屆全國大學生金相技能大賽的比賽材料之一。研究20鋼試樣制備過程中的影響因素與因素的影響規律，對提高實驗教學質量和指導初學者較快掌握制樣技巧，都有實際意義。

在金相制樣實踐中，制樣質量的提高主要取決于制樣人員的經驗積累。經驗積累一方面依靠反復的訓練，一方面來自于汲取前輩老師的經驗。目前，已有一些老師、同學在文獻中分享了不同材料金相制樣的經驗與技巧。袁秋林等對金相制樣取樣、磨樣、拋光、侵蝕等主要環節中的注意事項進行了總結[1]。孫亦蕙對工業純鐵金相試樣的制備方法、常見問題與對策進行了總結[2]。郭林秀對球墨鑄鐵金相試樣制備方法與技巧進行了介紹[3]。李維俊等對鐵及其合金的金相制樣常見問題及解決方法進行了總結[4]。

然而，在課堂教學中，對于初次接觸金相實驗的學生，缺乏制樣經驗，也沒有積累經驗的時間條件。對制樣過程中的主要因素，如果有具體的指標和規律進行指導，相比抽象的經驗傳授，初次接觸的學生也可能獲得較好的制樣效果。對于比賽訓練，則可以縮短操作的時間。而現有研究中少有關于制樣因素的定量分析。

因此，以20鋼為研究對象，以試樣評分為指標，進行了試樣制備的正交試驗，分析了各主要制樣因素對指標的影響程度與影響規律，以期為實驗教學與比賽訓練提供參考。

1?金相制樣正交試驗設計

正交試驗采用20鋼北科標樣，試樣為Φ15mm×18mm的圓柱體棒料。制樣過程包括倒角、6張砂紙打磨（由粗到細，目數分別為180、320、600、800、1000、1200）、拋光、腐蝕、觀察5個步驟。根據20鋼自身特性與以往制樣經驗，選取了5個主要制樣參數作為正交試驗的因素。試驗因素及水平如表1所示。打磨使用恒宇金相砂紙，沿砂紙長邊從頭至尾直線單程推磨，壓力大小由制樣人控制，每張砂紙打磨次數不變。拋光使用恒宇拋光膏，帶背膠海軍呢拋光布，拋光轉速1400。腐蝕使用濃度為4%的NaOH溶液。金相觀察使用光學金相顯微鏡，對每個試樣在500X和100X下的5個隨機視場進行拍照。制樣時間約為25分鐘一個試樣。

2?正交試驗及數據分析

參考全國大學生金相技能大賽評分標準[5]對試樣的十張金相照片進行打分。為突出劃痕控制的重要性，且認為試樣制備過程操作規范，因此適當調整了分值分配，圖像質量90分（其中組織40分、劃痕40分、假象10分），表面質量10分。使用Allpairs軟件設計了L33（3×54）的混合水平正交試驗，試驗結果如表2所示。

為了探究各個制樣因素對評分影響的程度大小以及評分隨各個因素的變化規律，采用極差分析法對表2中的試驗結果進行分析，如表3所示。

由表3可知，影響評分的制樣因素的主次順序為：A打磨壓力>C拋光時間>E腐蝕時間>B打磨次數>D加水次數。制樣參數的最優組合為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。對制樣參數最優組合進行了驗證，試樣評分74分，對比33個正交試驗試樣，評分幾乎最高，說明試驗反映的相關規律具有較好的準確性。各制樣因素對試樣評分的影響規律如圖1—圖5所示。

由圖1可知，隨著打磨壓力減小，試樣評分降低。這是由于20鋼較純鐵硬度大，打磨時需要用一定的壓力才能有效除去劃痕。壓力過小時，目數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，交錯繁雜。

由圖2可知，隨著打磨次數增加，試樣評分波動上升。每張砂紙打磨次數本應越多越好，然而打磨次數越多，留在砂紙表面的金屬粉末，砂紙脫落的沙礫也就越多，可能會在打磨過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，就難以通過后續砂紙的打磨消除，最終將影響試樣表面的質量。

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

由圖4可知，試樣評分隨加水次數波動不大，加水不是影響試樣評分的主要因素。加3次水時評分最高，可認為是保持適當濕度，即可防止試樣表面過熱，又可以避免加水過多導致出現麻點或殘留水漬的現象。

由圖5可知，試樣評分隨腐蝕時間波動不大，腐蝕時間不是影響評分的主要因素。取中間值10秒時評分最高，這是由于腐蝕時間過短，細微劃痕腐蝕不掉，晶界不明顯。腐蝕時間過長又會產生雙晶界，且試樣表面會變黑，降低試樣評分。

結語

（1）設計了20鋼金相試樣制備L33（3×54）的混合水平正交試驗，分析了制樣因素對試樣評分的影響程度與影響規律。制樣因素影響程度的主次順序為：A打磨壓力>C拋光時間>E腐蝕時間>B打磨次數>D加水次數。

（2）制樣參數的最優組合為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。對制樣參數最優組合進行了驗證，試樣評分74分。試驗反映的相關規律具有較好的準確性，可為金相實驗教學與金相大賽訓練提供參考。

參考文獻：

[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[J].輕工科技，2021（37）：4748.

[2]孫亦蕙.工業純鐵金相試樣的制備方法[J].機械工程與自動化，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問題及解決[J].化工管理，2021（35）：7172.

[5]全國大學生金相技能大賽競賽委員會.第十一屆全國大學生金相技能大賽復/決賽競賽規則[EB/OL].http：//www.msecn.com/past/11/11rule.pdf.

基金項目：中國民用航空飛行學院大學生創新創業訓練計劃項目（S202110624091）;中國民用航空飛行學院面上項目（J2021-043）

作者簡介：馬堯（1988—?），男，碩士，講師，研究方向為航空機械;楊超（1999—?），男，本科在讀，獲第九屆全國大學生金相技能大賽個人二等獎。