實(shí)驗(yàn)一 低碳鋼熔化焊焊接接頭組織分析

1、 實(shí)驗(yàn)一 低碳鋼熔化焊焊接接頭組織分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀察焊接接頭的宏觀組織及焊接缺陷2. 觀察焊縫、熱影響區(qū)及母材的各種典型結(jié)晶形態(tài)3. 掌握低碳鋼焊接接頭各區(qū)域的組織變化4. 測定在不同的焊接工藝下熱影響區(qū)的寬度二、實(shí)驗(yàn)概述在焊接過程中，由于焊接接頭各部分經(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)行金相組織分析，是對接頭機(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。顯微分析的主要內(nèi)容為：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

2、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)，而且與所用的焊接材料和被焊材料有密切關(guān)系。 （一）焊縫凝固時(shí)的結(jié)晶形態(tài)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1-2為母材和焊縫金屬交互結(jié)晶的示意圖。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)晶體最易長大方向與散熱最快方向一致時(shí)，晶體便

3、優(yōu)先得到成長，有的晶體由于取向不利于成長，晶粒的成長會被竭止，這就是所謂選擇長大，并形成焊縫中的柱狀晶形態(tài)，如圖1-3（a）所示。圖1-2 焊縫金屬的交互結(jié)晶示意圖（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖1-3 20號鋼焊接接頭金相組織（200×）（a）焊縫的焊態(tài)組織；（b）熔合區(qū)的焊態(tài)組織；（c）過熱區(qū)焊態(tài)組織；（d）正火區(qū)焊態(tài)組織；（e）部分相變區(qū)焊態(tài)組織；（f）焊態(tài)母材組織（二）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、15MnTi、15MnV等低合金鋼?，F(xiàn)以20號鋼為例，根據(jù)其焊接熱影響區(qū)金屬的組織特征，可以分為5個(gè)區(qū)域，如圖1-4所示。圖1-4 低碳

4、鋼焊接接頭組織變化圖1、熔合區(qū) 2、過熱區(qū) 3、正火區(qū) 4、部分相變區(qū) 5、再結(jié)晶區(qū)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)或半熔合區(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（約13501450）。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辨認(rèn)。但是，它對焊接接頭的強(qiáng)度、塑性都有很大影響，如圖1-3（b）所示。2. 過熱區(qū)該區(qū)的加熱溫度范圍為11001350。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，如氣焊或?qū)?/p>

5、熱條件較差時(shí)，甚至可獲得魏氏體組織。因此，焊接鋼度較大的結(jié)構(gòu)時(shí)，常在過熱區(qū)產(chǎn)生裂紋，過熱區(qū)的顯微組織如圖1-3(c)所示。3. 正火區(qū)（重結(jié)晶區(qū)）該區(qū)加熱溫度在Ac31100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，因此，該區(qū)是熱影響區(qū)中組織和性能最好的區(qū)域，如圖1-3(d)。4. 部分相變區(qū)（不完全重結(jié)晶區(qū)）焊接時(shí)，加熱溫度在Ac1Ac3之間（約750900）的金屬區(qū)域?yàn)椴煌?/p>

6、全重結(jié)晶區(qū)。當(dāng)?shù)吞间摰募訜釡囟瘸^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)，部分鐵素體逐步溶解于奧氏體中，溫度越高，溶解的越多，直到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Ar1時(shí)，殘余的奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)楣参鼋M織珠光體。由次可看出，次區(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)會發(fā)生長大，變成較粗大的鐵素體組織，因此，該區(qū)域金屬的組織是不均勻的，晶粒大小也不一致，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，如圖1-3(e)所示。由于組織不均勻，因而機(jī)械性能也不均勻。5. 母材（再結(jié)晶

7、區(qū)）當(dāng)母材為熱軋狀態(tài)供應(yīng)的鋼材時(shí)，則該區(qū)組織仍保留原始的帶狀組織特征，如圖1-3(f)所示。如果焊前母材為冷軋狀態(tài)供應(yīng)的鋼材，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。熱影響區(qū)組織：粗塊鐵素體與珠光體呈帶狀分布熱影響區(qū)組織（正火加熱區(qū)）：晶粒細(xì)化，鐵素體與珠光體混合分布，略呈帶狀分布熔合區(qū)組織：圖左為焊縫，圖右為母材過熱區(qū)。片狀與塊狀先共析鐵素體沿過熱區(qū)粗大奧氏體晶界析出，晶內(nèi)有大量魏氏組織鐵素體與一定量粒狀貝氏體，基體為珠光體（黑色與灰暗色）以上是焊接熱影響區(qū)中主要的組

8、織變化區(qū)段，其中以熔合區(qū)和過熱區(qū)對焊接接頭組織性能的不利因素最為顯著，因此，在焊接過程中應(yīng)盡可能減少熱影響區(qū)的寬度。焊接熱影響區(qū)的大小受到許多方面的影響，不同的焊接方法、焊接板厚、焊后冷卻速度等都會使熱影響區(qū)的尺寸發(fā)生變化。表1-1是用不同的焊接方法焊接低碳鋼時(shí)焊接熱影響區(qū)的平均尺寸。表1-1不同的焊接方法焊接低碳鋼時(shí)的焊接熱影響區(qū)平均尺寸焊接方法各區(qū)平均尺寸總寬（mm）過熱區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)手弧焊2.23.01.52.52.23.06.08.5埋弧自動焊0.81.20.81.70.71.02.34.0電渣焊18205.07.02.03.02530氣焊214.02.027.0真空電子束焊0.0

9、50.75宏觀試樣三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1. 金相顯微鏡、10倍放大鏡2. 有關(guān)金相圖譜3. A3鋼手弧焊及氣焊接頭宏觀組織試樣及顯微試樣四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 實(shí)驗(yàn)前，先認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，并明確本次實(shí)驗(yàn)的目的和要求2. 觀察并畫出焊接接頭的宏觀組織示意圖，觀察焊接缺陷形態(tài)及部位3. 觀察并畫出焊接接頭各個(gè)區(qū)域典型組織示意圖4. 測量熱影響區(qū)寬度（手弧焊及氣焊）5. 正確地使用金相顯微鏡金相顯微鏡的種類和型式很多，最常見的有臺式、立式和臥式三大類。金相顯微鏡的構(gòu)造通常由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)三大部分組成，有的顯微鏡還附帶有多種功能及攝影裝置。目前，已把顯微鏡與計(jì)算機(jī)及相關(guān)的分析系統(tǒng)相

10、連，能更方便、更快捷地進(jìn)行金相分析研究工作(金相實(shí)驗(yàn)互動系統(tǒng))。 以XJB1（4X）型金相顯微鏡為例： XJB1（4X）型金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)：1-載物臺；2-物鏡；3-半反光鏡；4-轉(zhuǎn)換器；5傳動箱；6-微動調(diào)焦手輪； 7粗動調(diào)焦手輪；8-偏心圈；9-目鏡；10-目鏡管 ；11固定螺釘；12-調(diào)節(jié)螺釘；13視場光闌；14-孔徑光闌- 金相顯微鏡的操作步驟：1. 將顯微鏡的光源與6伏的變壓器接通，把變壓器與220伏電源接通，并打開開關(guān)。2. 根據(jù)放大倍數(shù)選擇適當(dāng)?shù)奈镧R和目鏡，用物鏡轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)到固定位置。3. 把樣品放在載物臺上，使觀察面向下。轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使載物臺下降，在看到物體的像時(shí)，再轉(zhuǎn)動微調(diào)焦手輪，直到圖像清晰。4. 載物臺在水平面上作一定范圍內(nèi)的十字定向移動。用于選擇視域。觀察試樣時(shí)從焊縫向熱影響區(qū)逐步