20钢金相试样制备过程的影响因素分析

马尧 杨超 吴昊

摘 要：对20钢金相试样制备进行了L33（3×54）的混合水平正交试验，根据全国大学生金相技能大赛的评分标准对试样进行打分。采用极差分析研究了试样制备过程中的5个主要因素对最终试样评分的影响程度与影响规律。影响评分的制样因素的主次顺序为：打磨压力>抛光时间>打磨次数>加水次数>腐蚀时间，制样参数的最优组合为A1B4C4D3E3。试验反映的相关规律具有较高的准确性，可为金相实验教学与金相大赛训练提供参考。

关键词：20钢;金相制样;正交试验;制样参数;影响规律

中图分类号：TG115  文献标识码：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钢是含碳量0.2%的铁碳合金，属于低碳钢，其退火状态的组织是铁素体+珠光体。20钢是材料、机械、飞行器制造工程等专业进行金相实验教学的常用材料，也是近几届全国大学生金相技能大赛的比赛材料之一。研究20钢试样制备过程中的影响因素与因素的影响规律，对提高实验教学质量和指导初学者较快掌握制样技巧，都有实际意义。

在金相制样实践中，制样质量的提高主要取决于制样人员的经验积累。经验积累一方面依靠反复的训练，一方面来自于汲取前辈老师的经验。目前，已有一些老师、同学在文献中分享了不同材料金相制样的经验与技巧。袁秋林等对金相制样取样、磨样、抛光、侵蚀等主要环节中的注意事项进行了总结[1]。孙亦蕙对工业纯铁金相试样的制备方法、常见问题与对策进行了总结[2]。郭林秀对球墨铸铁金相试样制备方法与技巧进行了介绍[3]。李维俊等对铁及其合金的金相制样常见问题及解决方法进行了总结[4]。

然而，在课堂教学中，对于初次接触金相实验的学生，缺乏制样经验，也没有积累经验的时间条件。对制样过程中的主要因素，如果有具体的指标和规律进行指导，相比抽象的經验传授，初次接触的学生也可能获得较好的制样效果。对于比赛训练，则可以缩短操作的时间。而现有研究中少有关于制样因素的定量分析。

因此，以20钢为研究对象，以试样评分为指标，进行了试样制备的正交试验，分析了各主要制样因素对指标的影响程度与影响规律，以期为实验教学与比赛训练提供参考。

1 金相制样正交试验设计

正交试验采用20钢北科标样，试样为Φ15mm×18mm的圆柱体棒料。制样过程包括倒角、6张砂纸打磨（由粗到细，目数分别为180、320、600、800、1000、1200）、抛光、腐蚀、观察5个步骤。根据20钢自身特性与以往制样经验，选取了5个主要制样参数作为正交试验的因素。试验因素及水平如表1所示。打磨使用恒宇金相砂纸，沿砂纸长边从头至尾直线单程推磨，压力大小由制样人控制，每张砂纸打磨次数不变。抛光使用恒宇抛光膏，带背胶海军呢抛光布，抛光转速1400。腐蚀使用浓度为4%的NaOH溶液。金相观察使用光学金相显微镜，对每个试样在500X和100X下的5个随机视场进行拍照。制样时间约为25分钟一个试样。

2 正交试验及数据分析

参考全国大学生金相技能大赛评分标准[5]对试样的十张金相照片进行打分。为突出划痕控制的重要性，且认为试样制备过程操作规范，因此适当调整了分值分配，图像质量90分（其中组织40分、划痕40分、假象10分），表面质量10分。使用Allpairs软件设计了L33（3×54）的混合水平正交试验，试验结果如表2所示。

为了探究各个制样因素对评分影响的程度大小以及评分随各个因素的变化规律，采用极差分析法对表2中的试验结果进行分析，如表3所示。

由表3可知，影响评分的制样因素的主次顺序为：A打磨压力>C抛光时间>E腐蚀时间>B打磨次数>D加水次数。制样参数的最优组合为A1B4C4D3E3，即大压力打磨，每张纸打磨50次，抛光5分钟，加水3次，腐蚀10秒。对制样参数最优组合进行了验证，试样评分74分，对比33个正交试验试样，评分几乎最高，说明试验反映的相关规律具有较好的准确性。各制样因素对试样评分的影响规律如图1—图5所示。

由图1可知，随着打磨压力减小，试样评分降低。这是由于20钢较纯铁硬度大，打磨时需要用一定的压力才能有效除去划痕。压力过小时，目数小的砂纸留下的磨迹不能被打磨掉，以至最终成品表面划痕大小不一，交错繁杂。

由图2可知，随着打磨次数增加，试样评分波动上升。每张砂纸打磨次数本应越多越好，然而打磨次数越多，留在砂纸表面的金属粉末，砂纸脱落的沙砾也就越多，可能会在打磨过程中给试样表面造成与打磨方向不平行的划痕。这样的不平行的划痕一旦留下，就难以通过后续砂纸的打磨消除，最终将影响试样表面的质量。

由图3可知，随着抛光时间的增加，试样评分先上升后下降。这是由于抛光时间增加能更多地去除细小划痕。但时间越久，抛光布表面越脏，残留的金属粉末及抛光膏会污染试样表面，导致金相图样模糊，组织不清晰，降低圖像的质量。

由图4可知，试样评分随加水次数波动不大，加水不是影响试样评分的主要因素。加3次水时评分最高，可认为是保持适当湿度，即可防止试样表面过热，又可以避免加水过多导致出现麻点或残留水渍的现象。

由图5可知，试样评分随腐蚀时间波动不大，腐蚀时间不是影响评分的主要因素。取中间值10秒时评分最高，这是由于腐蚀时间过短，细微划痕腐蚀不掉，晶界不明显。腐蚀时间过长又会产生双晶界，且试样表面会变黑，降低试样评分。

结语

（1）设计了20钢金相试样制备L33（3×54）的混合水平正交试验，分析了制样因素对试样评分的影响程度与影响规律。制样因素影响程度的主次顺序为：A打磨压力>C抛光时间>E腐蚀时间>B打磨次数>D加水次数。

（2）制样参数的最优组合为A1B4C4D3E3，即大压力打磨，每张纸打磨50次，抛光5分钟，加水3次，腐蚀10秒。对制样参数最优组合进行了验证，试样评分74分。试验反映的相关规律具有较好的准确性，可为金相实验教学与金相大赛训练提供参考。

参考文献：

[1]袁秋林，樊湘芳，冯逾鹏，王毅.金相制样的流程及所需注意事项[J].轻工科技，2021（37）：4748.

[2]孙亦蕙.工业纯铁金相试样的制备方法[J].机械工程与自动化，2020（06）：187188.

[3]郭林秀.球墨铸铁金相试样制备方法与技巧[J].山西冶金，2020（05）：3941.

[4]李维俊，张旭明，彭东，黄耀光.铁及其合金的金相制样常见问题及解决[J].化工管理，2021（35）：7172.

[5]全国大学生金相技能大赛竞赛委员会.第十一届全国大学生金相技能大赛复/决赛竞赛规则[EB/OL].http：//www.msecn.com/past/11/11rule.pdf.

基金项目：中国民用航空飞行学院大学生创新创业训练计划项目（S202110624091）;中国民用航空飞行学院面上项目（J2021-043）

作者简介：马尧（1988— ），男，硕士，讲师，研究方向为航空机械;杨超（1999— ），男，本科在读，获第九届全国大学生金相技能大赛个人二等奖。