技 術(shù) 評(píng) 論 —— 運(yùn)用顯微組織分析解決實(shí)際問題當(dāng)今的緊固件金相技術(shù)
作者：George Vander Voort

緊固件質(zhì)量法規(guī)就在這里! 
80 年代對(duì)于美國(guó)的緊固件制造商來說是一個(gè)艱辛的年代, 由于來自海外供應(yīng)商的放肆競(jìng)爭(zhēng)造成生意上的巨大損失,  其結(jié)果是工廠關(guān)閉, 規(guī)模銳減. 接下來, 緊固件用戶發(fā)現(xiàn)他們購(gòu)買的許多緊固件不符合其品位應(yīng)具有的性能時(shí),他們感到非常震驚. 此外,人們發(fā)現(xiàn)一些記錄完善的運(yùn)行失效是由偽劣螺栓造成的. 這就促使美國(guó)眾議院能源和商業(yè)委員會(huì)下屬的監(jiān)督與調(diào)查委員會(huì)進(jìn)行充分的調(diào)查. 失去生意和工作誠(chéng)然是一個(gè)嚴(yán)重的問題,  但是利用偽造文件傾銷偽劣產(chǎn)品促使國(guó)會(huì)采取行動(dòng).  委員會(huì)在 1988 年發(fā)表的 61 頁(yè)報(bào)告揭露了許多令人難以置信的違規(guī)事例, 使美國(guó)的軍事、航空航天,

宇航規(guī)劃以及整個(gè)制造工業(yè)處于危險(xiǎn)中. 1990 年通過的緊固件質(zhì)量法（PL 101-542）要求嚴(yán)格遵守制定的緊固件檢驗(yàn)草案和方法以及對(duì)外國(guó)和本國(guó)的違反者進(jìn)行嚴(yán)厲懲處.  后來發(fā)現(xiàn)原法令形式實(shí)施起來有困難,  經(jīng)過委員會(huì)六年來的討論,  *總統(tǒng)于1996 年  3 月簽署了 PL 104-113 法令  （實(shí)施日期-1996 年 5 月 27 日已經(jīng)延期）. 本期的 BUEHLER 技術(shù)評(píng)論的目的就是用實(shí)例闡明,  怎樣按照法令中各條款的要求進(jìn)行各項(xiàng)金相檢驗(yàn),  以保證法令得到zui高質(zhì)量的實(shí)施.

金相檢驗(yàn)的任務(wù)
表 1 列出緊固件制造商或任何其它改動(dòng)緊固件以進(jìn)行銷售的公司可能要求進(jìn)行的各種檢驗(yàn)項(xiàng)目.  要記住，法令適用于主要在美國(guó)銷售和使用的某些有等級(jí)標(biāo)記的緊固件.  只要在轉(zhuǎn)售前不對(duì)緊固件進(jìn)行改動(dòng),  批發(fā)商可免除檢驗(yàn).  關(guān)于新法令的進(jìn)一步信息可參閱 Joseph  Greenslade  發(fā)表在 1997 年 1/2 月號(hào),第 14 卷,第 1 期美國(guó)緊固件雜志（American Fastener  Journal）上的一篇文章.  此外還應(yīng)注意到,  所有的緊固件技術(shù)條件并不要求進(jìn)行所有的檢驗(yàn)項(xiàng)目.  每一種緊固件技術(shù)條件都會(huì)提出所需的特定檢驗(yàn)項(xiàng)目。

緊固件金相試樣制備
取樣/切割
緊固件技術(shù)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(zhǎng)度，如圖 1 所示。做到這點(diǎn)的zui有效辦法就是切割時(shí)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(jī)及夾具通常是為一般應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)臺(tái)鉗上。另一種更好的替換方案就是使用ISOMET2000 型精密切割機(jī)和一個(gè)的緊固件臺(tái)鉗。由于這種切割機(jī)是自動(dòng)的并能對(duì)要進(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)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(zhì)量?jī)?yōu)于用普通金相切割機(jī)切出的表面。

切下試樣的鑲嵌`
一個(gè)正確截取的緊固件可顯露出螺紋的輪廓，當(dāng)在拋光狀態(tài)下用低放大倍數(shù)檢查時(shí)，就可以發(fā)現(xiàn)不合格的缺陷。圖 3 示出螺紋的各種規(guī)格，其中中徑線以下包括螺紋根部的部位是zui危險(xiǎn)的缺陷區(qū)域，也是分析人員zui關(guān)心的部位。由于潛在的不合格缺陷通常都出現(xiàn)在螺紋的邊緣，這些部位在制備時(shí)一定不能磨圓，否則將難于或不可能對(duì)試樣邊緣進(jìn)行分析。邊緣磨圓是由于在鑲嵌及隨后用磨料進(jìn)行表面制備的過程中作出錯(cuò)誤的選擇造成的。

能zui大程度保持邊緣的三項(xiàng)步驟：
■  試樣必須*清洗，以去除妨礙鑲嵌介質(zhì)與緊固件試樣表面機(jī)械附著的顆粒和油膜。特別推薦使用超聲波清洗。一種勞動(dòng)強(qiáng)度較大的替換辦法是用浸有熱水和洗滌劑的細(xì)刷子洗刷試樣。應(yīng)當(dāng)將清洗后的試樣在鑲嵌前*弄干。
■  為了獲得*的邊緣保持，應(yīng)當(dāng)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(huán)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(hù)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(yīng)當(dāng)在保持壓力的條件下進(jìn)行冷卻，以避免由于金屬與樹脂的膨脹及收縮系數(shù)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(jī)取出并放入水中。象圖 6 所示的SIMPLIMET 2000 型鑲嵌壓力機(jī)可以在壓力下自動(dòng)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?qū)o固件試樣做出準(zhǔn)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(jīng)濟(jì)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(dòng)化的作用
對(duì)于用磨料近行緊固件的表面制備過程，自動(dòng)化并不是一件品，它能提供以下主要好處：
■  優(yōu)良的精度和平面性
■  均勻性和重現(xiàn)性更好
■  生產(chǎn)率較高，每個(gè)工作班可完成更多的試樣
■  對(duì)于手工操作技能的要求較低，消除對(duì)技藝的依賴自動(dòng)試樣制備設(shè)備使用8英寸和12英寸的規(guī)格并可分為半自動(dòng)或全自動(dòng)兩類。PHOENIX 4000型制備系統(tǒng)，不論使用中心加載（對(duì)整個(gè)試樣夾持器）或單獨(dú)加載（對(duì)一個(gè)或更多試樣）都能得到*的結(jié)果。
 
高質(zhì)量緊固件試樣制備效果 
經(jīng)過良好制備的緊固件試樣應(yīng)當(dāng)在拋光狀態(tài)下近行檢查，在輕微腐蝕后再簡(jiǎn)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(xì)小的裂紋。
圖 8 示出在拋光狀態(tài)下、在緊固件螺紋根部的一個(gè)細(xì)小裂紋。如果這塊試樣不在拋光狀態(tài)下進(jìn)行檢查就進(jìn)行了腐蝕，裂紋的觀察就會(huì)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(jīng)過輕微腐蝕后清晰顯示出的嚴(yán)重缺陷。圖 10 為經(jīng)過熱處理的合金鋼緊固件zui初在放大 100X 下檢測(cè)出有缺陷，然后在放大400X 下看到的一薄層含有細(xì)小氧化物的全脫碳層。
 
圖 8  細(xì)小的螺紋根部裂紋。放大 100X；未經(jīng)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(shù) 提 示 問：我讀過若干關(guān)于保持邊緣的技術(shù)文獻(xiàn)，它們到底有多大用處？
答：在手工拋光時(shí)代，邊緣保持是一個(gè)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(zhuǎn)為固化后在壓力下冷卻就已經(jīng)實(shí)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(huán)氧樹脂作為鑲嵌材料。此外，采用了自動(dòng)拋光裝置以及較新的“硬”織物以后，使得浮凸相對(duì)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(shè)備，都必然會(huì)產(chǎn)生浮凸。化學(xué)鍍鎳誠(chéng)然zui終解決了邊緣保持問題，但是它比較耗費(fèi)時(shí)間。當(dāng)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(xì)粒）。這些填充材料帶來的好處不多，但是會(huì)使拋光或腐蝕變得非常困難。

問 ：當(dāng)我使用環(huán)氧樹脂時(shí)，我常常得到充滿氣泡的“含氣”鑲料，有時(shí)我還遇到使鑲料變硬的固化問題。我在什么地方做錯(cuò)了？
答：首先，所有的液體樹脂都有一定的貯藏壽命，當(dāng)時(shí)間超過了正常的貯藏壽命后，固化就會(huì)成為問題。對(duì)于任何液體鑲嵌系統(tǒng)，重要的是仔細(xì)按照說明書操作。當(dāng)樹脂與固化劑在混合前按規(guī)定比例稱量好，大多數(shù)系統(tǒng)都可以很好地運(yùn)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(dāng)你混合環(huán)氧樹脂時(shí)，你應(yīng)當(dāng)輕輕地?cái)嚢枰后w約一分鐘。劇烈地?cái)嚢钑?huì)把空氣截留在液體中從而產(chǎn)生氣泡，由于環(huán)氧樹脂的粘性而使這些氣泡無法上浮逸出。有些環(huán)氧樹脂系統(tǒng)要求在不是室溫的溫度下進(jìn)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(huán)氧樹脂更不容易控制。一般說來，固化過程中產(chǎn)生的較高溫度增加了收縮問題帶來的風(fēng)險(xiǎn)。許多環(huán)氧樹脂的使用者在一天的下班前進(jìn)行配制并填充鑲樣而在第二天一早將其從模具中取出。