低碳鋼液壓缸環焊縫的顯微組織及硬度特性分析

段修菊

（棗莊科技職業學院，山東 棗莊 277599）

0 引言

液壓缸是液壓系統中重要的動力元件，焊接作為其重要的制造工藝，對于零件的力學性能有著關鍵的影響。金相分析是研究液壓缸材料性能的基本方法之一[1-3]，在焊接方面也有著廣泛的應用。在熱影響作用下，焊縫的組織有著顯著的分區現象，包括熱影響區、焊縫區和母材區等。溫度對材料性能的影響效果是非常大的，當熱源靠近焊縫附近時，將產生熱循環效應[4]，這對于液壓缸自身殘余應力的分布有著關鍵的影響。熱載荷循環作用是產生焊縫組織區分度較大的主要因素，而且將對內部元素的分布造成一定影響[5-6]。溫度對于材料屬性的影響，最明顯的表現在力學性能[7]，而硬度作為力學性能評價的重要手段之一，能夠有效地預測焊縫是否出現結構或承載異常。

材料的焊接過程本質上為顯微組織的再結晶過程，與溫度和材料自身屬性有關。影響焊縫金相形貌的因素包括焊接停留時間、最高溫度、材料自身相變溫度、冷卻效率等。通過焊縫的金相組織結構的分析，能夠有效地評價焊縫工藝的合理性，并介于此進行相關工藝參數的優化。金相分析和顯微硬度分析都是圖像分析法[8]，能夠有效地放大材料表面微觀形貌。

1 試樣制備

1.1 試樣截取與鑲嵌

本文所研究的液壓缸為低碳鋼材料，實驗測試內容包括金相分析和顯微硬度分析。由于液壓缸環焊縫的結構較為復雜，因此截取試樣后應當進行合理的鑲嵌操作。為防止常規機械截取過程產生的熱量對焊縫性能產生影響，選用線切割方式將試樣截取，并沿著焊縫軸向方向依次截取，得出焊縫區、熱影響區的斷面結構。試樣的鑲嵌采用熱成型鑲嵌機，如圖1所示，能夠在高壓和高溫作用下將有機粉末熔化并凝固成標準圓柱形結構。圖中結構利于金相試樣的制備，為后續試樣的打磨和拋光做準備。由于觀測顯微組織要求良好的平面度，因此鑲嵌試樣應當保持頂面和底面的平行度。

圖1 試樣的鑲嵌

1.2 試樣打磨與拋光

金相試樣在完成鑲嵌工藝后，被測表面仍處于粗糙狀態，是無法直接完成實驗的，需要將表面的劃痕去除，即依次進行試樣的打磨與拋光。試樣的打磨分為人工打磨和機械打磨兩種，機械打磨為機床打磨，一般用于表面及其不平的條件。對于焊縫試樣，文中采用人工打磨方法，即依次選用粗糙度不同的砂紙進行被測表面的打磨。根據浸水特點，砂紙分為干砂紙和水砂紙兩種，其中水砂紙需要在水流環境下操作。一般來說，干砂紙的硬度較大，磨損量較高，細砂紙的硬度相對較低，但易于排出磨損顆粒。此外，兩者的紙基不同，因此柔韌性也有一定的區別。根據低碳鋼焊縫的基本硬度特點，文中選用水砂紙作為打磨的主要工具，磨損后的碎屑不會對焊縫表面再次造成明顯的溫度影響，砂紙能夠有效地保證鋒利程度。

砂紙打磨分為粗磨和細磨兩種，均基于單個方向進行打磨，使得劃痕能夠保持平行方向。砂紙的型號依次增大，劃痕方向則互相垂直。當細磨至肉眼看不到明顯劃痕后，就可以進行拋光操作。在試樣制備中，拋光焊接非常關鍵，其能夠有效地將微細劃痕消除掉，從而實現無論肉眼還是顯微鏡內均沒有劃痕問題，即達到鏡面效果。由于拋光能夠去除的試樣表面為典型的薄壁層，因此要求前期打磨效果良好，否則難以獲得拋光效果。根據實現拋光的方式，可將拋光類型分為機械拋光、電解拋光和化學拋光等。根據液壓缸環焊縫的基本性能，文中采用機械拋光方式。拋光介質為光滑絨布和Cr2O3拋光劑，拋光過程采用拋光劑溶液澆注方式。為防止鑲嵌試樣破壞絨布，甚至出現劃破性損傷，首先將試樣的底部磨出圓角。拋光完成的試樣需要在顯微鏡下觀測是否有劃痕，若沒有則將其采用酒精沖洗后，作為腐蝕操作的備用試樣。

1.3 試樣腐蝕

拋光后的金相試樣在顯微鏡下是無法直接觀測出金相組織的，直接呈現出的是光亮的一片圖像。因此，需要對試樣進行酸性腐蝕，使其表面針對酸性環境得出不同的反饋，進而在微觀上形成高低不等的組織塊區。一般地，對于金相試樣的腐蝕方式基本采用化學腐蝕法[9]，而且需要根據被測對象的耐腐蝕特點選取并配制合適的腐蝕液。試樣表面受酸性環境影響的方法有3類：浸蝕接觸、滴蝕接觸和摖蝕接觸。為防止腐蝕后的試樣發生氧化問題，影響觀測效果，需要將試樣擦拭純酒精，并盡快用吹風機吹干放置。文中對于腐蝕液的配制，選取4%硝酸酒精溶液，能夠獲得明顯的組織相貌。由于不同的焊縫組織對于酸性環境的反饋不同，因此試樣表面將呈現出明顯的花紋狀。

2 金相與顯微硬度分析

2.1 實驗條件

針對試樣檢測要求，文中對于試樣顯微組織的觀測采用Axio系列的計算機控制型金相顯微鏡，內部集成了專業的金相分析軟件，能夠對金相圖進行優化。此外，系統能夠完成相應的初評和量化。對于低碳鋼，內部還有大量的珠光體和鐵素體，能夠在系統中直接進行評定[10]，包括一些特定的非金屬夾雜物。對于其他材料，比如高碳鋼或鑄鐵材料，系統能夠根據組織形貌分析得出石墨球化率，并根據要求進行相應脫碳層、滲碳層等測量和分析。在放大倍數的設定方面，通過初步觀測可知，400倍放大能夠獲得良好的分析目標。

在硬度測試方面，采用HV-1000系列的顯微硬度計，配置有壓力控制系統和智能旋轉機構，在設定測試區域后，能夠根據坐標設置完成特定點的檢測。顯微硬度計設置有相應的電腦處理軟件，可根據用戶需求得出不同類型的硬度數據。在軟件控制下，測試系統能夠輸出準確的定載荷或動載荷，同時設置對應的雙軸聯動，智能生成壓痕計算結果等，均可自動完成。為確保實驗結果的可靠性，將測點均勻布置，并針對焊縫區域的特點，橫跨各個區域。在顯微硬度計作用下，能夠導出不同類型的參數數據以及實驗報告，可操作性良好。

2.2 熱影響區特性分析

由于液壓缸口位置處的焊縫厚度相對較小，使得焊縫的區域劃分更為顯著，不同組織下的金相結構顯著不同。通過金相顯微鏡的觀測，可得出熱影響區的組織形貌如圖2所示。在宏觀方面，可以明顯地看出熔合線兩側的花紋結構具有對稱性。由于母材為冷軋結構，因此其組織以長帶狀為主，在靠近焊縫區域的母材，出現了一定的部分相變現象，使其相比母材區呈現出更多的細小珠光體[11-12]。隨著與焊縫中心距離的靠近，逐漸得出熱影響區組織，該部分組織雖然沒有達到奧氏體相變效應，但是仍保持了少量的奧氏體晶核。隨著溫度的升高，奧氏體晶核的數量逐漸增多，并依次完成相變過程。

圖2 熱影響區組織

當溫度增大到一定程度，溫度對于母材區的影響將達到負面效果，即降低材料的力學性能。較高的溫度將在熱影響區產生子區域，即過熱區，如圖3所示。可以看出，過熱區的組織晶粒較為粗大，而且大小不均衡，甚至存在一定的偏析問題。焊接過程是溫度升高和降低不斷循環的過程，因此在溫度下降時，將進一步析出較為均勻的鐵素體顆粒，而且與珠光體之間呈現出相間分布。由于焊道距離較小，因此高溫停留的時間并不長。在過熱區域，焊接溫度已經達到完全的奧氏體化溫度，因此母材內的帶狀組織已經重新結晶，變成了塊狀晶粒，硬度將有所提升。若焊縫組織出現了較為明顯的偏析問題，則在混合效應下生成新的魏氏組織。與常規的融合區不同，液壓缸環焊縫的過熱區呈現出一定的半融化結果，高溫影響更為顯著。

圖3 過熱區偏析組織

2.3 焊縫區特性分析

熔合線內測的焊縫區組織如圖4所示，可以看出，焊縫區組織與母材組織已經完全不同，晶粒相貌以樹枝狀為主，衍生現象明顯，晶粒的尺寸較為粗大且不規則。焊縫區組織為重結晶組織，因此在不同的焊道層有著明顯的不同。焊縫區的上表面與過熱區左側的組織形貌一致，均呈現出較多的魏氏體和馬氏體組織。由于上層焊道對于下層焊道有一定的熱處理效果，因此，底層組織更為細小，并呈現出一定數量的正火組織及部分相變組織。

圖4 焊縫區組織

2.4 硬度分布特性

為研究焊縫組織的力學性能變化規律，需要對焊縫區域進行合理地劃分，即在橫向和縱向均要選擇對應的測點進行硬度測量。由于橫向截面為對稱結果，因此采用半結構進行測試。測試路徑貫穿焊縫的整個區域，包括過熱區、正火區及焊縫中心、熔合區等區域，橫向采用字母定義，縱向采用數字定義。

焊縫的硬度變化規律如圖5所示，可以看出：焊縫不同區域的硬度差別較為明顯，焊縫中心的硬度較大，在靠近母材區的正火區硬度有所降低；不同焊道層數下的硬度有所區別，在上層焊道作用下，下層焊道受到熱處理效應，硬度降低；在底層的焊縫區，存在少量的索氏體組織，導致局部硬度過高，可通過降低焊接速率的方式改善；正火區組織晶粒較為細小，因此塑性和韌性均有提升。

圖5 硬度分布規律

3 結束語

金相分析作為材料性能分析的關鍵技術手段之一，需要的步驟較為繁瑣，試樣制備流程包括焊縫試樣的截取采樣、熱壓鑲嵌、砂紙打磨、機械拋光、酸溶液腐蝕等操作。在特定的焊接熱量影響下，液壓缸的焊縫呈現出顯著的區分度，不同區域的組織形貌和力學特性均有著明顯的不同。在顯微硬度計的測量下，得出焊縫不同方向的硬度變化規律。通過研究可以得出以下結論：（1）焊接作為液壓缸的主要工藝手段，具有良好的應用效果，其載荷特性具有對稱性，因此整體的變形較小，滿足裝配要求；（2）相比其他修復手段，將補焊作為液壓缸修復的主要方法能夠獲得更好的經濟效果。焊縫的硬度是綜合力學性能的重要體現，能夠有效衡量焊縫質量。