焊接接頭金相組織分析

1、焊接接頭金相組織分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察與分析焊縫的各種典型結(jié)晶形態(tài)； 掌握低碳鋼焊接接頭各區(qū)域的組織變化。二、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料粗細(xì)金相砂紙 1 套 平板玻璃 1 塊 不同焊縫結(jié)晶形態(tài)的典型試片若干 低碳鋼焊接接頭試片 1 塊 正置式金相顯微鏡 1 臺(tái) 拋光機(jī) 1 臺(tái) 工業(yè)電視 （或幻燈機(jī) ）1 臺(tái) 吹風(fēng)機(jī) 1 個(gè) 4%硝酸酒精溶液無水醇脫脂棉若干 典型金相照片 （或幻燈照片 ）一套三、實(shí)驗(yàn)原理焊接過程中，焊接接頭各部分經(jīng)受了不同的熱循環(huán)，因而所得組織各異。組織的不同， 導(dǎo)致機(jī)械性能的變化。對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，是對(duì)接頭機(jī)械性能鑒定的不可缺 少的環(huán)節(jié)。焊接接頭的金相分析包括宏觀和顯微分析兩個(gè)方

2、面。宏觀分析的主要內(nèi)容為：觀察與分析焊縫成型，焊縫金屬結(jié)晶方向和宏觀缺陷等。顯微分析是借助于放大 100 倍以上的光學(xué)金相顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)行觀察， 分析焊縫 的結(jié)晶形態(tài)，焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化，焊接接頭的微觀缺陷等。焊接接頭由焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)金屬組成。 焊縫金屬的結(jié)晶形態(tài)與焊接熱影響區(qū)的 組織變化，不僅與焊接熱循環(huán)有關(guān)，也和所用的焊接材料和被焊材料有密切關(guān)系。焊縫凝固時(shí)的結(jié)晶形態(tài)焊縫的交互結(jié)晶熔化焊是通過加熱使被焊金屬的聯(lián)接處達(dá)到熔化狀態(tài)，焊縫金屬凝固后實(shí)現(xiàn)金屬的焊 接。聯(lián)接處的母材和焊縫金屬具有交互結(jié)晶的特征， 圖 1 為母材和焊縫金屬交互結(jié)晶示 意圖。由圖可見，焊縫金屬與聯(lián)接

3、處母材具有共同的晶粒，即熔池金屬的結(jié)晶是從熔合 區(qū)母材的半熔化晶粒上開始向焊縫中心成長(zhǎng)的。這種結(jié)晶形式稱為交互結(jié)晶或聯(lián)生結(jié) 晶。當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向與散熱最快方向一致時(shí)，晶體便優(yōu)先得到成長(zhǎng)，有的晶體由于 取向不利于成長(zhǎng)， 晶粒的成長(zhǎng)會(huì)被遏止， 這就是所謂選擇長(zhǎng)大， 并形成焊縫中的柱狀晶。焊縫的結(jié)晶形態(tài)根據(jù)濃度過冷的結(jié)晶理論，合金的結(jié)晶形態(tài)與溶質(zhì)的濃度C0、結(jié)晶速度 （或晶粒長(zhǎng)大速度）R和溫度梯度 G有關(guān)。圖 1-16 為C0、R和G對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響。由圖可見，當(dāng)結(jié)晶速度 R 和溫度梯度 G 不變時(shí)，隨著金屬中溶質(zhì)濃度的提高，濃度過 冷增加，從而使金屬的結(jié)晶形態(tài)由平面晶變?yōu)榘麪罹В?胞狀樹枝晶，

4、樹枝狀晶及等軸晶。 當(dāng)合金成分一定時(shí)，結(jié)晶速度越快，濃度過冷越大，結(jié)晶形態(tài)由平面晶發(fā)展到胞狀晶樹 枝狀晶，最后為等軸晶。當(dāng)合金成分 C0 和結(jié)晶速度 R一定時(shí)，隨著溫度梯度 G的長(zhǎng)升高，濃度過冷將減小， 因 而結(jié)晶形態(tài)會(huì)由等軸晶變?yōu)闃渲?，直至平面晶。隨著晶粒的成長(zhǎng)，熔池中晶粒界面前的濃度過冷和溫度梯度也隨著發(fā)生變化。因而，熔 池全部凝固以后，各處將會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)。在焊接熔池的熔化邊界上，溫度梯度 G 較大，結(jié)晶速度 R 很小，因此此處的濃度過冷最小，隨著焊接熔池的結(jié)晶，溫度梯度 G 由熔化過邊界處直到焊縫中心漸變小，熔池的結(jié)晶速度卻漸增大，焊縫中心處，溫度 梯度最小，結(jié)晶速度最大，故濃

5、度過冷最大。 由上述分析可知， 焊縫中結(jié)晶形態(tài)的變化，由熔合區(qū)直到焊縫中心依次為：平面晶，胞狀晶，樹枝狀晶，等軸晶在實(shí)際的焊縫金屬中，由于被焊金屬的成分、板厚、接頭型式和熔池的散熱條件不同， 一般不具有上述的全部結(jié)晶形態(tài)。當(dāng)焊縫金屬成分不甚復(fù)雜時(shí)，熔合區(qū)將出現(xiàn)平面晶或 胞狀晶。例如， 1Cr18Ni9Ti 氬弧焊堆焊時(shí)，堆焊層組織內(nèi)的樹枝狀分布的奧氏體和枝 晶間的共晶體 （圖3 所示）。當(dāng)焊縫金屬中合金元素較多時(shí)，熔合區(qū)的結(jié)晶形態(tài)往往是胞 狀樹枝晶 （或樹枝晶 ），焊縫金屬中心則為等軸晶， 圖 4 為 1Cr18Ni9Ti 焊縫中心的結(jié)晶形 態(tài)。焊縫的結(jié)晶形態(tài)除了受被焊金屬成分的影響外， 還與

6、焊接速度焊接電流板厚和接頭形式 等工藝因素有關(guān)。不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化不易淬火鋼包括低碳鋼 16Mn 等低合金鋼。若以 20 號(hào)碳鋼為例，根據(jù)其焊接熱影響區(qū) 金屬的組織特征，可以分為四個(gè)區(qū)域 （如圖 5 所示 ）1、熔合區(qū)緊鄰焊縫的母材與焊縫交界處的金屬稱為熔合區(qū)或半熔化區(qū)，焊接時(shí)，該區(qū)金屬處于局 部熔化狀態(tài)， 加熱溫度在固液相溫度區(qū)間， 在一般熔化焊的情況下， 此區(qū)僅有 23 個(gè)晶 粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以辯認(rèn)。但是，它焊接接頭的強(qiáng)度，塑性都有很大的影 響。2、粗晶區(qū)該區(qū)的加熱溫度范圍為 11001350。由于受熱溫度和很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的 長(zhǎng)大現(xiàn)象，冷卻后得到晶

7、粒粗大的地?zé)峤M織，故稱為過熱區(qū)。此區(qū)的塑性差，韌性低， 硬度高。其組織為粗大的鐵素體和珠光體。在有的情況下，如氣焊導(dǎo)熱條件較差時(shí)，甚 至可獲得魏氏體組織。粗晶區(qū)的顯微組織見圖 6 （b）3、細(xì)晶區(qū)即產(chǎn)生金屬的重結(jié)晶現(xiàn)象。由于加熱溫度稍高于 A ，奧氏體晶粒尚未長(zhǎng)大，冷卻后將 獲得均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，故又稱為正火區(qū)或相 變重結(jié)晶區(qū)。該區(qū)的組織比退火 (或軋制 )狀態(tài)的母材組織細(xì)小，如圖 6(c)4、不完全重結(jié)晶區(qū)焊接時(shí)，加熱溫度在 Ac1-Ac3 之間的金屬區(qū)域?yàn)椴煌耆亟Y(jié)晶區(qū)。當(dāng)?shù)吞间摰募訜釡?度超過 Ac1 時(shí)，珠光體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 溫度進(jìn)一步升高時(shí)， 部

8、分鐵素體逐步溶解于奧 氏體中，溫度越高，溶解的越多，直至 Ac3 時(shí)，鐵素體將全部溶解在奧氏體中。焊后冷 卻時(shí)又從奧氏體中析出細(xì)小的鐵素體，一直冷卻到 Ar 時(shí)，殘余的奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)楣参?組織珠光體。由此看出：此區(qū)只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，而始終未溶入 奧氏體的鐵素體，在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，變成較粗大的鐵素體組織，所以該區(qū)域金屬的 組織是不均勻的，晶粒大小不一，一部分是經(jīng)過重結(jié)晶的晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體， 另一部分是粗大的鐵素體 (圖 6(d) ) 。由于組織不均勻，因而機(jī)械性能也不均勻。此區(qū)加熱溫度在 A1100之間。在加熱過程中，鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，如果焊前母材為冷軋

9、狀態(tài)，則在加熱溫度為 Ac1 以下的金屬中，還存在一個(gè)再結(jié)晶區(qū) 處于再結(jié)晶區(qū)的金屬，在加熱的過程中，將發(fā)生金屬的再結(jié)晶過程，即經(jīng)過冷變形后的 碎晶粒在再結(jié)晶溫度作用下重新排列的過程。(a)（耳圖6焊接捋頭金相組織接頭組織未旻熱影響的庠罐金駆；舅診蒯層間金屬區(qū)“結(jié)勰態(tài)消失奚過熱作用的熱 影響區(qū)母材過熱粗聶區(qū)魏氏組織；左側(cè)T欠正火細(xì)晶區(qū)，右測(cè)二次正火，晶粒較粗Q不完全 結(jié)晶區(qū)組紈e府材組織四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟（一）低碳鋼焊接接頭的金相分析1、將已焊好試件 （以結(jié) 422 焊條在 150*80*3mm 的試件上堆焊 ），切成 25*25mm 的試 片，然后把試片四周用砂輪打去毛刺，并把四個(gè)角打磨成圓角

10、。2、用金相砂紙打磨紙上。試片研磨完生，用清水沖洗，進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光后再用清 水沖洗試片。3、將拋光好的試片，用 4% 的硝酸酒精溶液腐蝕，大約經(jīng)過 510s 左右，立即用清水 沖洗，然后用無水乙醇輕輕擦去水分，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。4、把已制備好的試片在顯微鏡下進(jìn)行觀察與分析分清焊接接頭各區(qū)域后，仔細(xì)辨認(rèn)各區(qū)域組織的特征，在顯微鏡下，測(cè)定焊接熱影響區(qū) 各區(qū)域的寬度，把各區(qū)的寬度及組織填入表。繪制各區(qū)域組織示意圖。（二）焊縫典型結(jié)晶形態(tài)的觀察將事先制備好的焊接金相試片 23 塊，例如，可用 1Cr18Ni9Ti 的氬弧焊試片，高溫合 金 GH30 氬弧焊試片進(jìn)行觀察和金相分析。 主要觀察焊縫的結(jié)晶

11、形態(tài)， 注意各試片焊縫 中的組織變化及焊縫的交互結(jié)晶、柱狀晶選擇長(zhǎng)大的特征，把所觀察到的焊縫組織繪制 示意圖，并表明組織在焊縫中所在部位。（三）論焊接接頭的典型組織利用工業(yè)電視或幻燈照片觀察已制備好的低碳鋼焊接接頭和具有各種典型焊縫組織形 態(tài)的金相試片，分別討論分析，提高分辨各種組織的能力。掌握低碳鋼焊接接頭從焊縫 到熱影響區(qū)，直至母材組織連續(xù)變化的特征，熟悉焊縫金屬中的等軸晶、樹狀晶、胞狀 晶、（平面晶 ）等典型的結(jié)晶形態(tài)，并討論形成這些結(jié)晶形態(tài)的影響因素。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)所繪制的低碳鋼焊接接頭和組織和所測(cè)定各區(qū)域?qū)挾龋?結(jié)合低碳鋼的狀 態(tài)圖以及焊接熱循環(huán)曲線，繪制低碳鋼焊接接頭的組織圖和所測(cè)定各區(qū)域?qū)挾龋?結(jié)合低碳鋼的狀態(tài)圖以及焊接熱循環(huán)曲線， 繪制低碳鋼焊接接頭組織變化與狀態(tài) 圖的關(guān)系示意圖。分析低碳鋼焊接接頭各區(qū)域組織變化的特征， 說明各組織的生成機(jī)理及對(duì)焊接接 頭性能的影響。由實(shí)驗(yàn)繪制焊縫典型結(jié)晶形態(tài)；根據(jù)濃度過冷理論，分析等軸晶，樹枝狀晶，胞