金相試樣的制備及金相組織觀察

1、圖1顯微鏡光學(xué)原理圖所以顯微鏡的放大倍數(shù)應(yīng)為：M= M 物 M 目=(A / f1)( D/ f2)當(dāng)顯微鏡的機(jī)械鏡筒長度等于光學(xué)鏡筒長度時(shí)金相試樣的制備及金相組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解金相顯微鏡的基本原理、構(gòu)造，初步掌握顯微鏡的正確使用。2、掌握金相顯微試樣的制備過程和基本方法。3、了解浸蝕的基本原理，并熟悉其基本操作4、學(xué)習(xí)利用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。通過在顯微鏡下觀察到的金相顯微組織初步分 析材料類型以及材料可能具備的機(jī)械性能等。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和用品1、金相顯微鏡2、不同粗細(xì)的金相砂紙一套、玻璃板、侵蝕劑(4%i肖酸酒精)3、拋光機(jī)4、待制備的金相試樣三、金相顯微鏡的基本原理、構(gòu)造及

2、使用1、顯微鏡的放大倍數(shù)利用透鏡可將物體的象放大，但單個(gè)透鏡或一組透鏡的放大倍數(shù)是有限的，為此，要 考慮用另一組透鏡將第一次放大的象再行放大，以得到更高放大倍數(shù)的象。金相顯微鏡就是基于這一要求設(shè)計(jì)的。 顯微鏡中裝有兩組放大透鏡，靠近物體的一組透鏡為物鏡，靠近觀察的一組透鏡為目鏡。金相顯微鏡的光學(xué)原理圖 1如圖所示。 物體AB置于物鏡的一倍焦距 F1與二倍焦距 之間，它的一次象在物鏡的另一側(cè)二倍焦距 以外，形成一個(gè)倒立、放大的實(shí)象A B;'當(dāng)實(shí)象A'眼于目鏡的前一倍焦距 F2以內(nèi)時(shí)則 目鏡復(fù)又使映象 A 瞰大，而在目鏡的前二 倍焦距2 F2以外，得到A B的正立虛象 A B。 因

3、此最后的映象 A B是經(jīng)過物鏡、目鏡兩次 放大后所得到的。其放大倍數(shù)應(yīng)為物鏡放大 倍數(shù)和目鏡放大倍數(shù)的乘積。物體AB經(jīng)物鏡第一次放大的倍數(shù)：M 物=A BAB=(A+f1')/ f1式中3、f1' 物鏡前焦距與后焦距 A 顯微鏡的光學(xué)鏡筒長與A相比，物鏡的焦距f1很短，可略， 所以M物/ f1象A'陳目鏡第二次放大的倍數(shù)：M 目=A" B/A'民 D/ f2式中f2 目鏡的前焦距D 人眼明視距離，D= 250 mm。,M= M物M目；而當(dāng)這二者不等時(shí)，M= M 物M目C, C是與機(jī)械鏡筒長、光學(xué)鏡筒長有關(guān)的系數(shù)，一般為 1,有時(shí)為0.63,其C值標(biāo)在

4、金相顯微鏡上。2、顯微鏡的鑒別率顯微鏡的鑒別率是指它能清晰地分辨試樣上兩點(diǎn)間最小距離d的能力，人眼在普通光線下能分辨兩點(diǎn)間最小距離為0.150.30mm,即人眼的鑒別率 d為0.150.30mm , d值越小,鑒別率越高，鑒別率越高，鑒別率可由下式計(jì)算：加¥A X'| 'd =-;2j4 步式中：入入射光線的波長；二二附我A物鏡的數(shù)值孔徑，它表示物鏡的集光能力；/ ,n物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率；夕4 -物鏡孔徑角的一半（圖2）。7THW7T7由式知，顯微鏡的鑒別率取決于使用光線的波長和物鏡的數(shù)疏井值孔徑，與目鏡無關(guān)。光源的波長可以通過濾色片來選擇，藍(lán)光圖2物鏡的孔徑

5、角的波長（0.44/比黃名光（0.55 D短，所以鑒別率較黃綠光大25%。當(dāng)光源的波長一定時(shí)，則可通過變化數(shù)值孔徑A來調(diào)節(jié)顯微鏡的鑒別率。當(dāng)n越大，或物鏡孔徑角越大則 A越大，但?？偸切∮?0,所以在空氣介質(zhì)（n=1） 中使用時(shí)，A<1 ,這類物鏡稱為干類物鏡。 當(dāng)物鏡與試樣之間充滿松柏油介質(zhì) （n=1.52）時(shí), A=1.4,這就是顯微鏡在高倍觀察時(shí)所用的油鏡頭，每個(gè)物鏡均有一個(gè)額定的阿A值刻在物鏡體上。放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑、鑒別率之間的關(guān)系顯微鏡的同一放大倍數(shù)可以由不同倍數(shù)的物鏡和目鏡來組合，具體如何合理選用物鏡和目鏡呢？原則是首先確定物鏡，根據(jù)計(jì)算，選用物鏡時(shí)，必須使顯微鏡的放大倍數(shù)

6、M = 500A1000A之間，這個(gè)范圍稱為有效放大倍數(shù)范圍。若在 M<500A ,則未能充分發(fā)揮物鏡的鑒別 率；M>1000A ,則形成 虛偽放大”，其細(xì)微部分仍分辨不清。待物鏡選定后，再根據(jù)所需 的放大倍數(shù)選用目鏡。3、金相顯微鏡的構(gòu)造金相顯微鏡分為臺(tái)式、立式及臥式三種類型，各有不同的型號(hào)。雖然型號(hào)很多，但基本構(gòu)造類似，由目鏡、物鏡、鏡筒、照明系統(tǒng)以及保持與結(jié)合上述物體的機(jī)身與調(diào)節(jié)器等主要 部分構(gòu)成。（1） 金相顯微鏡的照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)由光源、凸透鏡、濾色片、光欄、毛玻璃和垂直照明器等組成，它們的作用是 給金相試樣照明。生物顯微鏡大多用自然光源，而金相顯微鏡則必須配備特定的人工

7、光源裝置，通常的光源有：鴇絲燈泡、碳弧燈、碘弧燈、鴇弧燈、水銀燈、疝燈等。要使光源通過 照明系統(tǒng)，均勻而明亮地照射在金相試樣的表面以利觀察。光源發(fā)出照明光（一般要將電源220V通過變壓器降至 6V左右的電壓），通過凸透鏡（使散光變?yōu)槠叫泄馐?，濾色片（降低色差，增加組織襯度，一般選擇黃綠光），毛玻璃（使光線均勻投射），孔徑光欄（控制光束的大小，減少光線在鏡筒內(nèi)漫反射，提高映像的清晰度），視場光欄（改變視域的大小，減少鏡筒的反射與炫光以提高映像的襯度而不影響物鏡的分辨能力），垂直照明器一平面玻璃和反射棱鏡，其作用是把光源的光束反射到試樣上。金相顯微鏡的光源，一般裝在鏡筒的側(cè)面，與主光軸呈正交。光

8、線與由側(cè)面射入，要經(jīng)過主光軸到達(dá)金相試樣表面，必須轉(zhuǎn)折 90。因此，在兩光軸交點(diǎn)處裝一個(gè)反射面，使光束垂直轉(zhuǎn)向，使光線通過物鏡照射到試樣 表面上，這種結(jié)構(gòu)稱垂直照明器。（2） 金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)入射的光束在金相試樣表面反射后，經(jīng)過物鏡、目鏡等一套光學(xué)方法系統(tǒng)， 即可將試樣表面的顯微組織放大， 并在目鏡內(nèi)成像以供觀察， 或投射到屏幕上以供攝照， 光學(xué) 放大系統(tǒng)是金相顯微鏡的核心部分，主要是物鏡和目鏡。物鏡：物鏡由消色差物鏡、平面消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡等幾種，物鏡上刻有如45X/0.65 或“0/8”等符號(hào)，其中45X表示放大倍數(shù)，0.65表示數(shù)值孔徑，或“0/8”表示此物鏡是按無限鏡

9、筒長度設(shè)計(jì)的。目鏡：目鏡有普通目鏡、補(bǔ)償目鏡、測微目鏡、照明目鏡等等，其類型、放大倍數(shù)等均 刻在目鏡的金屬外殼上。普通目鏡與消色差物鏡配合使用。補(bǔ)償目鏡帶“K”字標(biāo)記，與復(fù)消色差物鏡配合使用，補(bǔ)償目鏡不可與消色差物鏡配合使用。測微目鏡內(nèi)附有刻度標(biāo)尺，可測量金相組織中如晶粒大小、石墨長短、表面滲層或脫碳層厚度等等。照相目鏡在進(jìn)行金相 攝影時(shí)使用。XJB-1型金相顯微鏡備有 5X、10X、15X三個(gè)目鏡。顯微鏡在使用時(shí)，可根據(jù) 需要放大倍數(shù)選擇合適的物鏡和目鏡(見表1)。表1顯微鏡放大倍數(shù)迎8X （干系）45X (干系)100X (油系)5X40X225X500X10X80X450X1000X15

10、X120X675X1500X（3） 金相顯微鏡的機(jī)械系統(tǒng)由顯微鏡的底座、鏡筒、載物臺(tái)及調(diào)節(jié)焦距螺旋等組成。物臺(tái)可前后左右移動(dòng)試樣位置， 調(diào)節(jié)焦距螺旋有粗調(diào)和微調(diào)兩種，用于升降鏡筒，調(diào)節(jié)焦距可獲得清晰的圖像。3、金相顯微鏡使用步驟及注意事項(xiàng)金相顯微鏡是昂貴的精密光學(xué)一起，使用時(shí)必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程和必要的規(guī)定：(1)初次操作顯微鏡，應(yīng)首先了解顯微鏡的構(gòu)造、基本原理、各主要部件的作用和位置，以及使用注意事項(xiàng)。(2)金相試樣要干凈并保持個(gè)人衛(wèi)生，嚴(yán)禁用手摸鏡頭，更不能把帶水和酒精的試樣放在物 臺(tái)上，擦鏡頭不允許用任何異物，一定要用擦鏡頭紙。(3)小心取出金相顯微鏡的防護(hù)罩，旋轉(zhuǎn)升降調(diào)整器，檢查鏡筒之

11、升降并熟記其旋轉(zhuǎn)方向，再檢查載物臺(tái)前后左右的移動(dòng)情況，根據(jù)需要選擇放大倍數(shù)適當(dāng)?shù)奈镧R和目鏡。(4)顯微鏡的照明燈泡，一般為68V,使用時(shí)，必須接上降壓器，千萬不可將其直接插入220V電源，以免燒毀燈泡。操作要細(xì)心，不能有粗暴和劇烈的動(dòng)作，安裝、更換鏡頭及其它附件時(shí)要小心，不能摔 在桌上或地上。(6)觀察樣品，要進(jìn)行聚焦。調(diào)焦時(shí)要避免物鏡與樣品接觸。先轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)螺旋，使物臺(tái)下降,使樣品盡量靠近物鏡(不能接觸)，然后用眼睛從目鏡中觀察，用手反向旋轉(zhuǎn)粗調(diào)螺旋，使 物臺(tái)慢慢上升，待到看到組織后，再調(diào)節(jié)微調(diào)螺旋，直到圖像清晰為止。(7)使用完畢后，試樣放回原處，立即關(guān)閉電源并蓋好防護(hù)罩。(8)使用過程中若

12、發(fā)生故障，應(yīng)立即報(bào)告指導(dǎo)教師，不能隨便自行拆修。四、金相試樣的制備步驟金相試樣的制備過程包括取樣、磨制、拋光、侵蝕等幾個(gè)步驟，制備好的試樣應(yīng)能觀察到真實(shí)組織，無磨痕、麻點(diǎn)及水跡，并使金屬組織中的夾雜物、石墨等不脫落?，F(xiàn)簡要敘述 如下：1、取樣金相顯微試樣截取部位取決于研究的目的與要求，應(yīng)選取具有代表性的部位。例如研究鑄鐵的金相組織，由于可能存在偏析現(xiàn)象，所以必須從鑄件表層到鑄件中心同時(shí)取樣進(jìn)行觀察，根據(jù)各部位金相組織的差異， 了解合金的偏析程度和結(jié)晶組織的變化。 在研究零件的 失效原因時(shí)，應(yīng)在失效的部位截取， 并在完好部位取樣， 以便比較和分析。對于軋制和鍛造材料則應(yīng)同時(shí)截取橫向（垂直于軋制方

13、向）及縱向 析比較表層缺陷及非金屬夾雜物的分布情況。對于一般熱處理后的零件，由于金相組織比較均 勻，試樣的截取可在任一截面進(jìn)行。截取試樣的工具很多，有手鋸、鋸床、砂輪 切割機(jī)、顯微切片機(jī)以及化學(xué)切割方式等。不論用那種方式取樣，都應(yīng)避免試樣受熱或變形而引 起的金屬組織變化。試樣尺寸一般不要過大，應(yīng)便于握持和易磨 制。一般取直徑1015毫米的圓柱體或每邊長 1015毫米的立方體。比較小或形狀不規(guī)則的 試樣，在磨制、拋光時(shí)很難握緊， 通常把這些線 材、細(xì)小管材和薄片、碎片以及不規(guī)則的小試樣 嵌鑲成較大尺寸的試樣，以便于制作，方法如圖 2、磨制磨制是為了得到平整的磨面，為拋光做準(zhǔn) 備。一般磨制過程分為

14、粗磨和細(xì)磨。（1）粗磨粗磨一般在砂輪機(jī)上進(jìn)行，對很軟的材料可用鋰刀鋰平。 砂輪粗磨應(yīng)利用砂輪的 側(cè)面，并使試樣沿砂輪徑向作往復(fù)緩慢運(yùn)動(dòng)，施加壓力要適度、均勻。在磨制過程中要不斷用水 冷卻，以防由于溫度升高造成試樣內(nèi)部組織變 化。最后將試樣倒角，以免細(xì)磨及拋光時(shí)劃壞砂 紙或拋光布，但對需要觀察表層組織的試樣， 不能倒角。（2）細(xì)磨粗磨后的試樣表面仍有較深的磨痕，（平行于軋制方向）的金相試樣以便于分圖3金相試樣的嵌鑲方法3:需進(jìn)行細(xì)磨，以得到平整而光滑的磨面,為進(jìn)一步的拋光作好準(zhǔn)備，如圖所示為磨痕變化示意圖4:試樣有手工磨制和機(jī)械磨制兩種方法。手工磨光是用不同粗細(xì)粒度的金相砂紙由粗到細(xì)逐次磨平。金

15、相砂紙的粗細(xì)粒度與編號(hào)方法有關(guān)，編號(hào)若用數(shù)字表示的， 如280、320、400、600、800等等，則編號(hào)越大，則砂粒標(biāo)準(zhǔn)粒度直徑越??；若用 M加一位或兩位數(shù)字表示的（如M7、M28）,則數(shù)字越小，砂粒標(biāo)準(zhǔn)直徑越?。涣硪环N編號(hào)方法采用1、1/2、01、02、03、04等表示的砂粒度的直徑逐漸細(xì)小。手工磨制方法簡單，首先將砂紙平鋪在玻璃或金屬板上，一手將砂紙按住，一手將試樣磨面輕壓在砂紙上，并向前推行，進(jìn)行磨光，直到試樣磨面上僅留有一個(gè)方向的均勻磨痕為止。在試樣上所加的壓力要求均衡，磨面與砂紙必須完全接觸，這樣才能使整個(gè)磨面均勻的進(jìn)行磨削，在磨光的回程中最好將試樣提起拉回，不與砂紙接觸，這樣單程

16、單向的反復(fù)進(jìn)行，直至舊的磨痕被去掉，新的磨痕均勻一致為止。在調(diào)換下一號(hào)更細(xì)砂紙時(shí)，應(yīng)將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈，并轉(zhuǎn)動(dòng) 90度，即與上一道磨痕方向垂直。為了加快磨制速度， 除手工磨制外，還常將不同型號(hào)的砂紙粘附在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的帶有旋轉(zhuǎn)圓盤的預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械磨制。用干砂紙時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)低，150左右。用水砂紙時(shí),轉(zhuǎn)速可以高些，300400rpm,因?yàn)樗凹堄辛魉疀_刷冷卻，試樣不受熱。磨光時(shí)用力輕而 均勻。3、拋光拋光的目的在于去除細(xì)磨時(shí)產(chǎn)生的細(xì)微磨痕和變形層，以獲得光滑的鏡面。常用的拋光方祛有機(jī)械拋光、電解拋光和化學(xué)拋光三種，其中以機(jī)械拋光應(yīng)用最廣。機(jī)械拋光是在專用的拋光機(jī)上進(jìn)行。拋光機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)

17、和拋光圓盤(200-300mm)組成，拋光圓盤多用鑄銅、鑄鋁；少用鑄鐵，鑄鐵易銹。拋光盤轉(zhuǎn)速為200600rpm,不能太快，太快則拋光粉的浪費(fèi)大，操作者掌握不適當(dāng)，試樣表面易發(fā)熱而變灰暗。拋光盤上鋪以細(xì)帆布、呢絨、絲綢等。拋光時(shí)在拋光盤上不斷滴注拋光液。拋光液通常采用Al 203、Mg?；駽203等細(xì)粉末(粒度約為0.31dm在水中的懸浮液，一般常用的濃度是一升水中510克AI203或1015克C203。這些氧化物粒子很硬，在拋光時(shí)對于金屬的作用就好像磨料一樣， 發(fā)生磨切作用。機(jī)械拋光就是靠極細(xì)的拋光粉對磨面的機(jī)械作用來消除磨痕而使其成為光滑 的鏡面。拋光織物和磨料，可按不同要求選用。對于拋光

18、織物的選用，鋼一般用細(xì)帆布、呢絨和絲絨；灰口鑄鐵為防止石墨脫落或曳尾，可用沒有絨毛的織物；鋁、鎂、銅等有色金屬可用 細(xì)絲絨。對于磨料的選用，一般說，鋼、鑄鐵可用氧化鋁、氧化銘及金剛石研磨膏，有色金 屬等軟材料可用細(xì)粒度的氧化鎂。操作時(shí)將試樣磨面均勻地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)試樣自身略加轉(zhuǎn)動(dòng)， 以便試樣各部分拋光程度一致及避免曳尾現(xiàn)象的出現(xiàn)。 拋光后的試樣，其磨面應(yīng)光亮無痕， 且石墨或夾雜物等不應(yīng)拋掉或有 曳尾現(xiàn)象。電解拋光是將試樣放在電解液中作為陽極，用不銹鋼板或鉛板作陰極，以直流電通過電解液到陰極(即樣品)，這樣，試樣表面凸起部分被溶解而拋光。這種方法的

19、優(yōu)點(diǎn)是速度快， 表面平滑光整，無機(jī)械拋光時(shí)易出現(xiàn)的劃痕，不會(huì)有塑性變形。缺點(diǎn)是對金屬材料化學(xué)性的 不均勻性，顯微偏析明顯，拋光過程不易控制?；瘜W(xué)拋光不需要應(yīng)用外電流，是將試樣侵入適當(dāng)?shù)膾伖庖褐羞M(jìn)行表面拋光的方法。 拋光后的試樣應(yīng)用清水沖洗干凈，然后用酒精沖去殘留水滴，再用吹風(fēng)機(jī)吹干。4、侵蝕除觀察試樣中某些非金屬夾雜物或鑄鐵中的石墨等情況外，經(jīng)拋光后(化學(xué)拋光除外)的試樣必須用侵蝕劑進(jìn)行侵蝕，以清楚的顯示出其顯微組織，否則在顯微鏡下只能看到一片亮光。常用的侵蝕方法是化學(xué)侵蝕法。作用機(jī)理如下：化學(xué)侵蝕是將拋光好的試樣磨面在化學(xué)侵蝕劑中侵蝕或榛拭一定時(shí)間。對于純金屬和單相合金，由于晶界原子排列不規(guī)

20、則，缺陷及雜質(zhì)較多，具有較高的能量，故晶界易被侵蝕而呈凹溝，在顯微鏡下觀察時(shí)， 使光線在晶界處被漫反射而不能進(jìn)入物鏡，因此顯示出一條W鐵索體晶畀(W懸片狀珠光體條黑色的晶界，如圖5 (a)所 示。純金屬中由于各個(gè)晶粒的 結(jié)晶位向各不相同，因此化學(xué) 性能也是各向異性，因此有的 晶粒受蝕快一些，就深一些； 有的晶粒受蝕慢一些， 就淺一 些。光線從各個(gè)晶粒反射出來 的情況也不是一樣，結(jié)果在顯 微鏡下各個(gè)晶粒的明暗程度 便不一樣。對于兩相合金，由 于兩個(gè)相的電極電位不同，電極電位低的相成為陽極并被 腐蝕凹下去，當(dāng)光線照射到凹凸不平的試樣表面時(shí)，就能看一到不同的組成相，如圖5(b)圖5單相和兩相組織的顯

21、示所示。5、觀察試樣侵蝕后，應(yīng)立即用水沖洗，并用沾酒精的棉花擦拭表面，除去水份再用棉花輕吸去表面酒精，然后吹干即可在顯微鏡下觀察。侵蝕后的樣品應(yīng)保存在干燥器中，以防潮濕空氣的氧化。若有氧化，則應(yīng)重新磨制和侵蝕后才能觀察。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和用品3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果繪出在顯微鏡下觀察到的金相顯微組織，標(biāo)明相應(yīng)的放大倍數(shù)，對照標(biāo)準(zhǔn)金相掛圖確定材料類型。并回答如下問題：（ 1 ）什么是金相顯微鏡的有效放大倍數(shù)？如何合理選用物鏡和目鏡？（ 2）利用金相顯微鏡觀察試樣時(shí)，為什么要調(diào)焦？如何保證調(diào)焦時(shí)物鏡不接觸試樣表面？（ 3）純鐵各晶粒為什么顏色不同？（ 4）顯微鏡下看到的晶粒大小

22、，是否反映其真實(shí)的晶粒大??？為什么？焊接接頭金相組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察與分析焊縫的各種典型結(jié)晶形態(tài)；2、掌握碳鋼焊接接頭各區(qū)域的組織變化。二、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料1、粗細(xì)金相砂紙2、平板玻璃3、碳鋼焊接接頭試塊4、金相顯微鏡5、吹風(fēng)機(jī)6、4%硝酸酒精溶液、脫脂棉7、典型金相照片三、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。對焊接接頭進(jìn)行金相組織的觀察與分析，是對接頭機(jī)械性能鑒定的不可缺少的環(huán)節(jié)。圖1焊縫金屬的交互結(jié)晶示意圖顯微觀察是借助于放大 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)

23、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。1、焊縫凝固時(shí)的結(jié)晶形態(tài)(1)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)一平面晶圖2 CQ、R%和G對結(jié)晶形態(tài)的影晌到熔化狀態(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

24、體最易長大方向與散熱 最快方向一致時(shí)，晶體便優(yōu)先得到成長， 有的晶 體由于取向不利于成長，晶粒的成長會(huì)被遏止， 這就是所謂選擇長大，并形成焊縫中的柱狀晶。(2)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Co、結(jié)晶速度(或晶粒長大速度)R和溫度梯度G有關(guān)。圖2為Co、R和G對結(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麪顦渲?，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Co和結(jié)晶速度R

25、 一定時(shí)，隨著溫度梯度 G的升高，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，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由熔化的邊界處直到焊縫中心逐漸變小，熔池的結(jié)晶速度卻逐漸增大，焊縫中心處，溫度梯度最小，結(jié)晶速度最大，故濃度過冷最大。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

26、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。焊縫的結(jié)晶形態(tài)除了受被焊金屬成分 的影響外，還與焊接速度、焊接電流、板厚 和接頭形式等工藝因素有關(guān)。（3）碳鋼焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化以20號(hào)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3 所示）i ）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)。熔合區(qū)化學(xué)成分不均勻，組織粗大，往 往是粗大的過熱組織或

27、粗大的淬硬組織。它對焊接接頭的強(qiáng)度，塑性都有很大的影響。 其性能常常是焊接接頭中最差的。ii）粗晶區(qū)該區(qū)的加熱溫度范圍為 11001350C。由于受熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長 大現(xiàn)象，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，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4（b）iii）細(xì)晶區(qū)此區(qū)加熱溫度在 AC3 1100c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， 即產(chǎn)生金屬的重結(jié)晶現(xiàn)象。由于加熱溫度稍高于Ac3,奧氏體晶粒尚未長大，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