SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要： 为确保低碳钢液压缸焊接工艺的可靠性， 对其环焊缝的显微组织和硬度变化规律进行了研究。试样采用线切割进行截取， 避免焊缝的二次热影响效应。截取后的试样通过热压镶嵌操作完成焊缝采样， 通过不同颗粒度的水砂纸分别对镶嵌试样进行粗磨 和细磨。抛光剂选用 Cr2O3. 腐蚀溶液选用 4% 硝酸酒精溶液。在金相显微镜 400 倍放大条件下观测不同焊缝区域的显微组织， 分析 组织形貌以及形成原因。设定不同方向的显微硬度测试路径， 得出硬度变化规律， 预测焊缝力学性能; 受焊缝热源影响， 热影响 区组织有分成了过热区和正火区部分， 该部分组织低于奥氏体相变温度， 保留了少量的奥氏体晶核; 焊缝区奥氏体晶核的数量逐 渐增多， 在熔池凝固的阶段中完成了相变过程。
关键词：金相,显微组织,硬度,试样制备,力学性能
Analysis of Microstructure and Hardness Characteristics of Circumferential Weld of Low Carbon Steel Hydraulic Cylinder
Duan Xiuju
(Zaozhuang Science and Technology Career Academy, Zaozhuang, Shandong 277599. China)
Abstract: In order to ensure the reliability of welding process of low carbon steel hydraulic cylinder, the variation law of microstructure and hardness of circumferential weld was studied. The sample was cut by wire cutting to avoid the secondary heat effect of the weld . The intercepted samples were sampled by hot pressing inlay operation, and the inlaid samples were roughly and finely ground by water sandpaper with different particle sizes. The polishing agent was Cr2O3 , and the corrosion solution was 4% nitric acid alcohol solution. Under the condition of 400 times magnification of metallographic microscope, the microstructure of different weld areas was observed, and the microstructure morphology and formation causes were analyzed. The microhardness test paths in different directions were set, the hardness change law was get, and the mechanical properties of the weld was predicted. Under the influence of weld heat source, the structure of heat affected zone was divided into superheated zone and normalized zone, which was lower than the austenite transformation temperature and retained a small amount of austenite nucleus. The number of austenite nuclei in weld zone increased gradually, and the phase transformation process was completed in the solidification stage of molten pool.
Key words: metallography; microstructure; hardness; sample preparation; mechanical property
0 引言
液压缸是液压系统中重要的动力元件， 焊接作为其 重要的制造工艺， 对于零件的力学性能有着关键的影响。 金相分析是研究液压缸材料性能的基本方法之一[1-3]， 在 焊接方面也有着广泛的应用。在热影响作用下， 焊缝的 组织有着显著的分区现象， 包括热影响区、焊缝区和母 材区等。温度对材料性能的影响效果是非常大的， 当热 源靠近焊缝附近时， 将产生热循环效应[4]， 这对于液压 缸自身残余应力的分布有着关键的影响。热载荷循环作 用是产生焊缝组织区分度较大的主要因素， 而且将对内 部元素的分布造成一定影响[5-6]。温度对于材料属性的影 响， 最明显的表现在力学性能[7]， 而硬度作为力学性能 评价的重要手段之一， 能够有效地预测焊缝是否出现结 构或承载异常。
材料的焊接过程本质上为显微组织的再结晶过程， 与温度和材料自身属性有关。影响焊缝金相形貌的因素 包括焊接停留时间、最高温度、材料自身相变温度、冷 却效率等。通过焊缝的金相组织结构的分析， 能够有效 地评价焊缝工艺的合理性， 并介于此进行相关工艺参数 的优化。金相分析和显微硬度分析都是图像分析法[8]， 能够有效地放大材料表面微观形貌。
1 试样制备
1.1 试样截取与镶嵌
本文所研究的液压缸为低碳钢材料， 实验测试内容 包括金相分析和显微硬度分析。由于液压缸环焊缝的结 构较为复杂， 因此截取试样后应当进行合理的镶嵌操作。 为防止常规机械截取过程产生的热量对焊缝性能产生影 响， 选用线切割方式将试样截取， 并沿着焊缝轴向方向依次截取， 得出焊缝区、热影响区的断面结构。试样的 镶嵌采用热成型镶嵌机， 如图 1 所示， 能够在高压和高 温作用下将有机粉末熔化并凝固成标准圆柱形结构。图 中结构利于金相试样的制备， 为后续试样的打磨和抛光 做准备。由于观测显微组织要求良好的平面度， 因此镶 嵌试样应当保持顶面和底面的平行度。
1.2 试样打磨与抛光
金相试样在完成镶嵌工艺后， 被测表面仍处于粗糙 状态， 是无法直接完成实验的， 需要将表面的划痕去除， 即依次进行试样的打磨与抛光。试样的打磨分为人工打磨 和机械打磨两种，机械打磨为机床打磨，一般用于表面及 其不平的条件。对于焊缝试样， 文中采用人工打磨方法， 即依次选用粗糙度不同的砂纸进行被测表面的打磨。根据 浸水特点，砂纸分为干砂纸和水砂纸两种，其中水砂纸需 要在水流环境下操作。一般来说，干砂纸的硬度较大，磨 损量较高， 细砂纸的硬度相对较低， 但易于排出磨损颗 粒。此外， 两者的纸基不同， 因此柔韧性也有一定的区 别。根据低碳钢焊缝的基本硬度特点，文中选用水砂纸作 为打磨的主要工具， 磨损后的碎屑不会对焊缝表面再次 造成明显的温度影响， 砂纸能够有效地保证锋利程度。
砂纸打磨分为粗磨和细磨两种， 均基于单个方向进 行打磨， 使得划痕能够保持平行方向。砂纸的型号依次 增大， 划痕方向则互相垂直。当细磨至肉眼看不到明显 划痕后， 就可以进行抛光操作。在试样制备中， 抛光焊 接非常关键， 其能够有效地将微细划痕消除掉， 从而实 现无论肉眼还是显微镜内均没有划痕问题， 即达到镜面 效果。由于抛光能够去除的试样表面为典型的薄壁层，因 此要求前期打磨效果良好，否则难以获得抛光效果。根据 实现抛光的方式，可将抛光类型分为机械抛光、电解抛光 和化学抛光等。根据液压缸环焊缝的基本性能，文中采用 机械抛光方式。抛光介质为光滑绒布和 Cr2O3 抛光剂， 抛 光过程采用抛光剂溶液浇注方式。为防止镶嵌试样破坏绒 布， 甚至出现划破性损伤， 首先将试样的底部磨出圆角。 抛光完成的试样需要在显微镜下观测是否有划痕， 若没 有则将其采用酒精冲洗后， 作为腐蚀操作的备用试样。
1.3 试样腐蚀
抛光后的金相试样在显微镜下是无法直接观测出金相组织的， 直接呈现出的是光亮的一片图像。因此， 需 要对试样进行酸性腐蚀， 使其表面针对酸性环境得出不 同的反馈， 进而在微观上形成高低不等的组织块区。一 般地， 对于金相试样的腐蚀方式基本采用化学腐蚀法[9]， 而且需要根据被测对象的耐腐蚀特点选取并配制合适的 腐蚀液。试样表面受酸性环境影响的方法有 3 类： 浸蚀 接触、滴蚀接触和摖蚀接触。为防止腐蚀后的试样发生 氧化问题， 影响观测效果， 需要将试样擦拭纯酒精， 并 尽快用吹风机吹干放置。文中对于腐蚀液的配制， 选取 4% 硝酸酒精溶液， 能够获得明显的组织相貌。由于不同 的焊缝组织对于酸性环境的反馈不同， 因此试样表面将 呈现出明显的花纹状。
2 金相与显微硬度分析
2.1 实验条件
针对试样检测要求， 文中对于试样显微组织的观测 采用 Axio 系列的计算机控制型金相显微镜， 内部集成了 专业的金相分析软件， 能够对金相图进行优化。此外， 系统能够完成相应的初评和量化。对于低碳钢， 内部还 有大量的珠光体和铁素体， 能够在系统中直接进行评 定[10]， 包括一些特定的非金属夹杂物。对于其他材料， 比如高碳钢或铸铁材料， 系统能够根据组织形貌分析得 出石墨球化率， 并根据要求进行相应脱碳层、渗碳层等 测量和分析。在放大倍数的设定方面， 通过初步观测可 知， 400 倍放大能够获得良好的分析目标。
在硬度测试方面， 采用 HV- 1000 系列的显微硬度 计， 配置有压力控制系统和智能旋转机构， 在设定测试 区域后， 能够根据坐标设置完成特定点的检测。显微硬 度计设置有相应的电脑处理软件， 可根据用户需求得出 不同类型的硬度数据。在软件控制下， 测试系统能够输 出准确的定载荷或动载荷， 同时设置对应的双轴联动， 智能生成压痕计算结果等， 均可自动完成。为确保实验 结果的可靠性， 将测点均匀布置， 并针对焊缝区域的特 点， 横跨各个区域。在显微硬度计作用下， 能够导出不 同类型的参数数据以及实验报告， 可操作性良好。
2.2 热影响区特性分析
由于液压缸口位置处的焊缝厚度相对较小， 使得焊 缝的区域划分更为显著， 不同组织下的金相结构显著不 同。通过金相显微镜的观测， 可得出热影响区的组织形 貌如图 2 所示。在宏观方面， 可以明显地看出熔合线两 侧的花纹结构具有对称性。由于母材为冷轧结构， 因此 其组织以长带状为主， 在靠近焊缝区域的母材， 出现了 一定的部分相变现象， 使其相比母材区呈现出更多的细 小珠光体[11- 12]。随着与焊缝中心距离的靠近， 逐渐得出 热影响区组织， 该部分组织虽然没有达到奥氏体相变效 应， 但是仍保持了少量的奥氏体晶核。随着温度的升高， 奥氏体晶核的数量逐渐增多， 并依次完成相变过程。
当温度增大到一定程度， 温度对于母材区的影响将 达到负面效果，即降低材料的力学性能。较高的温度将在 热影响区产生子区域， 即过热区， 如图 3 所示。可以看 出，过热区的组织晶粒较为粗大，而且大小不均衡，甚至 存在一定的偏析问题。焊接过程是温度升高和降低不断循 环的过程，因此在温度下降时，将进一步析出较为均匀的 铁素体颗粒，而且与珠光体之间呈现出相间分布。由于焊 道距离较小， 因此高温停留的时间并不长。在过热区域， 焊接温度已经达到完全的奥氏体化温度，因此母材内的带 状组织已经重新结晶， 变成了块状晶粒， 硬度将有所提升。 若焊缝组织出现了较为明显的偏析问题，则在混合效应下 生成新的魏氏组织。与常规的融合区不同，液压缸环焊缝 的过热区呈现出一定的半融化结果， 高温影响更为显著。
2.3 焊缝区特性分析
熔合线内测的焊缝区组织如图 4 所示， 可以看出， 焊缝区组织与母材组织已经完全不同， 晶粒相貌以树枝 状为主， 衍生现象明显， 晶粒的尺寸较为粗大且不规则。焊缝区组织为重结晶组织， 因此在不同的焊道层有着明显的不同。焊缝区的上表面与过热区左 侧 的 组 织 形 貌 一 致，均呈现出较多的魏氏体和马氏体组织。由于上层焊道对于下层焊道有一定的热处理效果，因此，底层组织更为细小，并呈现出 一定数量的正火组织及部分相变组织。
2.4 硬度分布特性
为研究焊缝组织的力学性能变化规律， 需要对焊缝 区域进行合理地划分， 即在横向和纵向均要选择对应的 测点进行硬度测量。由于横向截面为对称结果， 因此采 用半结构进行测试。测试路径贯穿焊缝的整个区域， 包 括过热区、正火区及焊缝中心、熔合区等区域， 横向采 用字母定义， 纵向采用数字定义。
焊缝的硬度变化规律如图 5 所示， 可以看出： 焊缝不 同区域的硬度差别较为明显，焊缝中心的硬度较大，在靠 近母材区的正火区硬度有所降低;不同焊道层数下的硬度 有所区别， 在上层焊道作用下， 下层焊道受到热处理效 应， 硬度降低; 在底层的焊缝区， 存在少量的索氏体组织，导致局部硬度过高， 可通过降低焊接速率的方式改善; 正火区组织晶粒较为细小， 因此塑性和韧性均有提升。
3 结束语
金相分析作为材料性能分析的关键技术手段之一， 需要的步骤较为繁琐， 试样制备流程包括焊缝试样的截 取采样、热压镶嵌、砂纸打磨、机械抛光、酸溶液腐蚀 等操作。在特定的焊接热量影响下， 液压缸的焊缝呈现 出显著的区分度， 不同区域的组织形貌和力学特性均有 着明显的不同。在显微硬度计的测量下， 得出焊缝不同 方向的硬度变化规律。通过研究可以得出以下结论： (1) 焊接作为液压缸的主要工艺手段， 具有良好的应用效果， 其载荷特性具有对称性， 因此整体的变形较小， 满足装 配要求; ( 2) 相比其他修复手段， 将补焊作为液压缸修 复的主要方法能够获得更好的经济效果。焊缝的硬度是 综合力学性能的重要体现， 能够有效衡量焊缝质量。
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