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(jù)全國大學(xué)生金相技能大賽的評分標(biāo)準(zhǔn)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(guī)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(shù)>加水次數(shù)>腐蝕時間，制樣參數(shù)的最優(yōu)組合為A1B4C4D3E3。試驗反映的相關(guān)規(guī)律具有較高的準(zhǔn)確性，可為金相實驗教學(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;制樣參數(shù);影響規(guī)律

中圖分類號：TG115??文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)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(yè)進行金相實驗教學(xué)的常用材料，也是近幾屆全國大學(xué)生金相技能大賽的比賽材料之一。研究20鋼試樣制備過程中的影響因素與因素的影響規(guī)律，對提高實驗教學(xué)質(zhì)量和指導(dǎo)初學(xué)者較快掌握制樣技巧，都有實際意義。

在金相制樣實踐中，制樣質(zhì)量的提高主要取決于制樣人員的經(jīng)驗積累。經(jīng)驗積累一方面依靠反復(fù)的訓(xùn)練，一方面來自于汲取前輩老師的經(jīng)驗。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)驗與技巧。袁秋林等對金相制樣取樣、磨樣、拋光、侵蝕等主要環(huán)節(jié)中的注意事項進行了總結(jié)[1]。孫亦蕙對工業(yè)純鐵金相試樣的制備方法、常見問題與對策進行了總結(jié)[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(jié)[4]。

然而，在課堂教學(xué)中，對于初次接觸金相實驗的學(xué)生，缺乏制樣經(jīng)驗，也沒有積累經(jīng)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(biāo)和規(guī)律進行指導(dǎo)，相比抽象的經(jīng)驗傳授，初次接觸的學(xué)生也可能獲得較好的制樣效果。對于比賽訓(xùn)練，則可以縮短操作的時間。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鋼為研究對象，以試樣評分為指標(biāo)，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(biāo)的影響程度與影響規(guī)律，以期為實驗教學(xué)與比賽訓(xùn)練提供參考。

1?金相制樣正交試驗設(shè)計

正交試驗采用20鋼北科標(biāo)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(xì)，目數(shù)分別為180、320、600、800、1000、1200）、拋光、腐蝕、觀察5個步驟。根據(jù)20鋼自身特性與以往制樣經(jīng)驗，選取了5個主要制樣參數(shù)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(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(shù)據(jù)分析

參考全國大學(xué)生金相技能大賽評分標(biāo)準(zhǔn)[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(rèn)為試樣制備過程操作規(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)計了L33（3×54）的混合水平正交試驗，試驗結(jié)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(guī)律，采用極差分析法對表2中的試驗結(jié)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(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。對制樣參數(shù)最優(yōu)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(guān)規(guī)律具有較好的準(zhǔn)確性。各制樣因素對試樣評分的影響規(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(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，交錯繁雜。

由圖2可知，隨著打磨次數(shù)增加，試樣評分波動上升。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(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(xì)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(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，試樣評分隨加水次數(shù)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(rèn)為是保持適當(dāng)濕度，即可防止試樣表面過熱，又可以避免加水過多導(dǎo)致出現(xiàn)麻點或殘留水漬的現(xiàn)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(xì)微劃痕腐蝕不掉，晶界不明顯。腐蝕時間過長又會產(chǎn)生雙晶界，且試樣表面會變黑，降低試樣評分。

結(jié)語

（1）設(shè)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(guī)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(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。對制樣參數(shù)最優(yōu)組合進行了驗證，試樣評分74分。試驗反映的相關(guān)規(guī)律具有較好的準(zhǔn)確性，可為金相實驗教學(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[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(xué)生金相技能大賽競賽委員會.第十一屆全國大學(xué)生金相技能大賽復(fù)/決賽競賽規(guī)則[EB/OL].http：//www.msecn.com/past/11/11rule.pdf.

基金項目：中國民用航空飛行學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202110624091）;中國民用航空飛行學(xué)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(xué)生金相技能大賽個人二等獎。