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運用顯微組織分析解決實際問題當今的緊固件金相技術

日期：2013-11-27瀏覽：3237次

技術評論 —— 運用顯微組織分析解決實際問題當今的緊固件金相技術
作者：George Vander Voort

緊固件質量法規就在這里!
80 年代對于美國的緊固件制造商來說是一個艱辛的年代, 由于來自海外供應商的放肆競爭造成生意上的巨大損失, 其結果是工廠關閉, 規模銳減. 接下來, 緊固件用戶發現他們購買的許多緊固件不符合其品位應具有的性能時,他們感到非常震驚. 此外,人們發現一些記錄完善的運行失效是由偽劣螺栓造成的. 這就促使美國眾議院能源和商業委員會下屬的監督與調查委員會進行充分的調查. 失去生意和工作誠然是一個嚴重的問題, 但是利用偽造文件傾銷偽劣產品促使國會采取行動. 委員會在 1988 年發表的 61 頁報告揭露了許多令人難以置信的違規事例, 使美國的軍事、航空航天,

宇航規劃以及整個制造工業處于危險中. 1990 年通過的緊固件質量法（PL 101-542）要求嚴格遵守制定的緊固件檢驗草案和方法以及對外國和本國的違反者進行嚴厲懲處. 后來發現原法令形式實施起來有困難, 經過委員會六年來的討論, *總統于1996 年 3 月簽署了 PL 104-113 法令（實施日期-1996 年 5 月 27 日已經延期）. 本期的 BUEHLER 技術評論的目的就是用實例闡明, 怎樣按照法令中各條款的要求進行各項金相檢驗, 以保證法令得到zui高質量的實施.

金相檢驗的任務
表 1 列出緊固件制造商或任何其它改動緊固件以進行銷售的公司可能要求進行的各種檢驗項目. 要記住，法令適用于主要在美國銷售和使用的某些有等級標記的緊固件. 只要在轉售前不對緊固件進行改動, 批發商可免除檢驗. 關于新法令的進一步信息可參閱 Joseph Greenslade 發表在 1997 年 1/2 月號,第 14 卷,第 1 期美國緊固件雜志（American Fastener Journal）上的一篇文章. 此外還應注意到, 所有的緊固件技術條件并不要求進行所有的檢驗項目. 每一種緊固件技術條件都會提出所需的特定檢驗項目。

緊固件金相試樣制備
取樣/切割
緊固件技術條件幾乎總是要求將有代表性的緊固件試樣沿縱向切開，以顯露其頭部輪廓、螺紋、以及體干部分的zui小長度，如圖 1 所示。做到這點的zui有效辦法就是切割時略微偏離中心，以便為隨后的磨光和拋光留出足夠的材料損耗。較小的緊固件通常要鑲嵌并磨到所需平面而不是先切割再鑲嵌。

金相切割機及夾具通常是為一般應用而設計的，不一定都適用于裝卸各種尺寸和形狀的緊固件。通常要用一個小的附件夾具把緊固件夾緊，然后再把它夾緊在較大的切割機臺鉗上。另一種更好的替換方案就是使用ISOMET2000 型精密切割機和一個的緊固件臺鉗。由于這種切割機是自動的并能對要進行的切割定位等切割條件提供高度的控制，從而能*地適用于緊固件的切割。此外，使用專為這種精密切割機設計的較薄的切割片，可以得到精密且切縫損耗小的切割，且切口表面質量優于用普通金相切割機切出的表面。

切下試樣的鑲嵌`
一個正確截取的緊固件可顯露出螺紋的輪廓，當在拋光狀態下用低放大倍數檢查時，就可以發現不合格的缺陷。圖 3 示出螺紋的各種規格，其中中徑線以下包括螺紋根部的部位是zui危險的缺陷區域，也是分析人員zui關心的部位。由于潛在的不合格缺陷通常都出現在螺紋的邊緣，這些部位在制備時一定不能磨圓，否則將難于或不可能對試樣邊緣進行分析。邊緣磨圓是由于在鑲嵌及隨后用磨料進行表面制備的過程中作出錯誤的選擇造成的。

能zui大程度保持邊緣的三項步驟：
■ 試樣必須*清洗，以去除妨礙鑲嵌介質與緊固件試樣表面機械附著的顆粒和油膜。特別推薦使用超聲波清洗。一種勞動強度較大的替換辦法是用浸有熱水和洗滌劑的細刷子洗刷試樣。應當將清洗后的試樣在鑲嵌前*弄干。
■ 為了獲得*的邊緣保持，應當使用EPOMET 鑲嵌樹脂，這是一種與干凈表面附著良好的加壓鑲嵌環氧樹脂。由于它比其它鑲嵌材料更貴，EPOMET 的使用只限于為了保護試樣本身，而作為主體材料則使用比較便宜的酚醛樹脂，如圖 4 所示。
■ 鑲嵌好的試樣應當在保持壓力的條件下進行冷卻，以避免由于金屬與樹脂的膨脹及收縮系數不同而造成鑲嵌材料與緊固件試樣脫開，如圖及 5b所示。不要把剛鑲嵌好的試樣趁熱從壓力機取出并放入水中。象圖 6 所示的SIMPLIMET 2000 型鑲嵌壓力機可以在壓力下自動加熱和冷卻,為保證制出無收縮的鑲嵌試樣起了很大的作用.
圖 1。縱向切割示意圖
圖 3。螺紋中徑的位置
圖（上）。用酚醛樹脂鑲嵌的緊固件表面上的收縮間隙（箭頭所指處）
圖 5b （下）. EPOMET 鑲嵌樹脂的緊密附著（箭頭所指處）圖 4（左）使用兩種樹脂的鑲嵌試樣的表面制備為了能夠對緊固件試樣做出準確的分析, 要求選擇一種有效的制備步驟, 以及能夠迅速而經濟地做出制備良好的試樣并盡可能平坦. 表 2 列出適用于范圍廣泛的鐵基緊固件的典型制備步驟.

自動化的作用
對于用磨料近行緊固件的表面制備過程，自動化并不是一件品，它能提供以下主要好處：
■ 優良的精度和平面性
■ 均勻性和重現性更好
■ 生產率較高，每個工作班可完成更多的試樣
■ 對于手工操作技能的要求較低，消除對技藝的依賴自動試樣制備設備使用8英寸和12英寸的規格并可分為半自動或全自動兩類。PHOENIX 4000型制備系統，不論使用中心加載（對整個試樣夾持器）或單獨加載（對一個或更多試樣）都能得到*的結果。

高質量緊固件試樣制備效果
經過良好制備的緊固件試樣應當在拋光狀態下近行檢查，在輕微腐蝕后再簡短地重新拋光，以去除任何殘留的表面變形（擠抹），避免可能掩蓋住細小的裂紋。
圖 8 示出在拋光狀態下、在緊固件螺紋根部的一個細小裂紋。如果這塊試樣不在拋光狀態下進行檢查就進行了腐蝕，裂紋的觀察就會被螺紋根部的流線所掩蓋。
圖 9 為 A-286 緊固件螺紋根部附近經過輕微腐蝕后清晰顯示出的嚴重缺陷。圖 10 為經過熱處理的合金鋼緊固件zui初在放大 100X 下檢測出有缺陷，然后在放大400X 下看到的一薄層含有細小氧化物的全脫碳層。

圖 8 細小的螺紋根部裂紋。放大 100X；未經腐蝕圖 9 靠近螺紋根部的缺陷。放大 100X; 腐蝕劑：50-50 HCl-H2O2 （3%）技術提示問：我讀過若干關于保持邊緣的技術文獻，它們到底有多大用處？
答：在手工拋光時代，邊緣保持是一個比較困難的問題。從趁熱頂出熱固型酚醛樹脂鑲嵌試樣（人們常常將其在水中冷卻）轉為固化后在壓力下冷卻就已經實際上排除了收縮間隙的問題，特別是采用了象EPOMET 這種加壓鑲嵌環氧樹脂作為鑲嵌材料。此外，采用了自動拋光裝置以及較新的“硬”織物以后，使得浮凸相對地比較容易得到控制。一些年以前，人們使用帆布和其它
“較軟”的織物，其中有些還有絨毛，這樣，不論使用什么拋光設備，都必然會產生浮凸。化學鍍鎳誠然zui終解決了邊緣保持問題，但是它比較耗費時間。當今已沒有必要在鑲料中添加各種材料（例如鑄鐵或氧氣鋁細粒）。這些填充材料帶來的好處不多，但是會使拋光或腐蝕變得非常困難。

問：當我使用環氧樹脂時，我常常得到充滿氣泡的“含氣”鑲料，有時我還遇到使鑲料變硬的固化問題。我在什么地方做錯了？
答：首先，所有的液體樹脂都有一定的貯藏壽命，當時間超過了正常的貯藏壽命后，固化就會成為問題。對于任何液體鑲嵌系統，重要的是仔細按照說明書操作。當樹脂與固化劑在混合前按規定比例稱量好，大多數系統都可以很好地運行。雖然這樣做比較不方便，但是要比按體積混合的效果好些。當你混合環氧樹脂時，你應當輕輕地攪拌液體約一分鐘。劇烈地攪拌會把空氣截留在液體中從而產生氣泡，由于環氧樹脂的粘性而使這些氣泡無法上浮逸出。有些環氧樹脂系統要求在不是室溫的溫度下進行固化，而另一些則只不過在較高溫度下固化得快一些。然而，更快的固化并不見得有利。快速固化的環氧樹脂更不容易控制。一般說來，固化過程中產生的較高溫度增加了收縮問題帶來的風險。許多環氧樹脂的使用者在一天的下班前進行配制并填充鑲樣而在第二天一早將其從模具中取出。

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