钢铁材料的火花鉴别实验指导书-参考模板

实验四钢铁材料的火花鉴别

一、实验目的

（一）运用火花鉴别法检查钢铁材料的原理方法

（二）了解鉴别常用钢铁材料的断口分析方法。

二、实验设备与材料

1．台式砂轮机：选用46~60粒度、中等硬度的普通氧化铝砂轮，砂轮直径为150~200mm，厚度为25mm.。

2．试样：20、45、T12、W18Cr4V、HT300等材料的试样若干。

三、实验概述：

火花鉴别法就是运用钢铁材料在磨削过程中，随着材料化学成分的差异，出现各种不同的火花特征来区别材料成分的方法。

火花鉴别法快速简便，应用面广，对工件渗碳或渗氮处理的表面质量及表面脱碳程度也可作出定性的分析。但钢中某些合金元素（如Ni、Cr、Mn等）含量较低时，对碳钢火花影响不明显；另外一些合金元素（如S、P、Cu、Al、Ti等）尚不能用火花鉴别，且火花法分析总是定性的，因此具有一定的局限性。

1、火花的构成

钢铁材料在砂轮上磨削时所射出的火花是由根部火花、中部火花和尾部火花等三部分构成的火花束，如图6-1所示。

火花束由流线、节点、爆花和尾花构成。

图4-1 火花束各部位的名称

1）流线为火花束中线条状的光亮火花。

随着钢铁材料的化学成分不同，将会产生三种不同形状的流线，如图所示。

（1）直线流线流线从根部到尾部成一直线或一抛物线。

（2）断续流线流线呈断续的虚线状线条。

（3）波浪流线整个流线中的某一端成波浪形线条。

a ) 直线流线

b) 断续流线

c) 波浪流线

图 4-2 流线示意图

2）节点

节点是较流线明亮而粗大的闪亮点。节点常在流线的中途发生，有时也在流线的尾部发生或

在流线间断后再发生，如图所示。

图 4-3 节点示意图

3）爆花

爆花是由铁末颗粒爆裂而产生的。爆花分布在流线上，它的形状随含碳量，其它元素成分、

温度、氧化性以及钢的组织等因素的变化而变化，所以爆花在鉴别钢铁材料的火花中占有很重要

的地位。爆花的流线叫做芒线。爆花可分为一次、二次、三次及多次爆花，如图4-4所示。

一次爆花

只有一次爆裂的芒线。 二次爆花 在一次爆花的芒线上又一次发生爆裂。

三次和多次爆花 在二次爆花的芒线上再一次出现爆裂叫三次爆花；若在三次爆花的芒线上

继续出现爆裂时，就叫做多次爆花。

a) —次爆花 b)

二次爆花

C) 三次爆花

图 4-4 爆花示意图

在一次爆花的基础上，若爆花只有一根芒线叫做二分叉；有两根芒线叫做三分叉；有三 根

芒线叫做四分叉；有三根以上芒线叫做多分叉。

4） 尾花

在流线尾部末端所呈现的特殊形式的火花统称为尾花。尾花通常包括四种，有直线尾花、狐

尾尾花、枪尖尾花和钩状尾花等，见图4-5所示。

（1）直线尾花 尾端和整根流线相同。

（2）狐尾尾花 流线尾端逐渐膨胀呈狐尾状的火花。

（3）枪尖尾花 流线尾端膨胀呈三角形枪尖状，且与流线脱离的火花。

（4）钩状尾花 流线尾端象枪尖细小的钩状，且与流线脱离的火花。

a) 直线尾花 b) 狐尾尾花

C) 枪尖尾花 d) 钩状尾花

图 4-5 尾花示意图

2 火花的形成原理

当一块钢材与转速足够高的砂轮接触时，钢材表面被切削下来的钢末以高速抛射出来，这些

钢末在运行中与空气摩擦而温度升高，有时甚至能达到钢的熔点温度。这些高温钢末在空气中运

行时呈现出一条一条的光亮线条，这就是火花的流线。

由于钢铁材料中碳元素是火花形成的基本元素，而一些合金元素则能直接或间接地影响火花

束的形态，所以可以根据火花束中的爆花、流线、色泽、尾花等特征来定性地判断钢材的化学成

分。

3. 各元素对火花形态的影响

① 碳对火花形态的影响 因为爆花是碳的燃烧、爆裂造成的。所以，在不含合金成份 的碳

素钢中，火束中的爆花形状和爆花的数量多少完全随钢中的含碳量变化而变化。其基本 规律如

表 4-1。

爆花花形：含碳量0.1％左右，发生一次开叉的树枝状爆花，开叉随含碳量增加，开叉根数增加，开叉角度增大；含碳量0.2％左右，发生一次开叉和部分二次开叉的树枝状爆花；含碳量0.3％左右，发生二次开叉和部分三次开叉的树枝状爆花；含碳量0.4％以上，发生三次开叉的树枝状爆花，并出现花粉。

爆花数量：随着含碳量增加，而逐渐增多；花间距离越短花粉越多。

流线：随着含碳量增加，数量增多；从低碳至中碳含碳量范围内，流线长度和粗细变化不大；但从中碳至高碳范围，流线长度逐渐缩短，粗度逐渐变细。

色泽：随着含碳量增加，颜色由橙色逐渐转为红色，明亮程度逐步增加；但含碳量在0.6％以上反随含碳量的增加明亮程度逐步降低，色泽变暗。

②硅对火花形态的影响一般认为硅是抑制火花爆裂的元素。实践证明，硅对火花形态的影响，随着硅含量的变化表现出不同的特性。

含硅量大于0.10％小于0.4％时，硅不但没有抑制爆裂的作用，反而能使爆花形式整齐，爆裂强度增强。这在同样含碳量的沸腾钢和镇静钢的火花对比中，完全可以证实。钢材在砂轮上研磨时磨削颗粒中缺硅，碳就容易氧化，颗粒外膜的表面张力低，气态氧化碳易于爆炸，但爆裂强度不大，致使爆裂较为散乱。而含硅量增加，碳的氧化作用减缓，颗粒外膜较坚实，气态氧化碳累计到较大程度时才能爆裂，一经爆裂，则爆裂程度较大。

当含硅量增高时，它对火花形态的影响，又发生了变化。含硅量在1％以上，明显地表现为抑制爆裂作用。含硅高的，火花爆裂强度显著减弱，花形缩小，芒线缩短，节点明亮，爆花表现为苞花形式。

③铬对火花形态的影响一般认为铬是助长爆裂元素，其实一成不变的东西是没有的，随着钢中含碳、含铬量的不同，它对火花发生不同程度的影响。

含铬1％左右，含碳量不高时，它的确有助长爆裂的作用，20Cr 钢与20 碳钢的火花对比中可见其差异。20Cr 的爆花较之20 钢整齐，爆裂强度较大，树枝状花形呈较规则的松叶状开叉，节点更为明显。

含铬1％左右，含碳量0.80％以上，铬是存在反使火花受到压抑。如果用滚动轴承钢GCr15 与碳素工具钢T10 比较，可发现芒线缩短，花形缩小，爆裂强度有所降低。

含碳量不高，含铬量增加时，火花形态也有变化。如低碳高铬的不锈钢1Cr13、2Cr13 比相似含碳量的含铬合金结构钢来说，火束显著缩短，色泽大为明亮，流线明显加粗。

含铬量高，含碳量也高时，火花特征更为特殊。如合金工具钢Cr12，其火束很短，许多流线不发生爆裂，爆花为无数层次的细树枝状爆裂。

4. 常用钢铁材料的火花特征

①20 钢火束呈黄带红色泽，流线稍多而细长，尾部下垂，有少量节点和爆花，爆花多为一次爆花，渗杂着少量的二次爆花，见图4-6。

②45 钢