金相檢驗-焊接接頭的金相檢驗實驗指導書

焊接接頭的金相檢驗實驗指導書實驗目的熟悉金相試樣的制備過程，了解顯微鏡和其他金相試樣加工設備的使用。觀察典型焊接接頭的宏觀組織，理解焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)等不同宏觀組織之間的關系。觀察焊接接頭的顯微組織，理解焊縫區(qū)和熱影響區(qū)顯微組織的分布和特征，了解焊接缺陷的形成機理。討論焊接接頭組織與性能的關系。實驗原理2.1金相制備進行金相分析，首先應根據(jù)各種檢驗標準和規(guī)定制備試樣（即金相試樣），若金相試樣制備不當，在觀察上出現(xiàn)劃痕、凹坑、水跡、變形層或浸蝕過深過淺都會影響正確的分析，從而得出錯誤的結(jié)論，因此金相試樣的制備十分重要。制備試樣是將待觀察的試樣表面磨制成光亮無痕的鏡面，然后經(jīng)過浸蝕分析組織形態(tài)。金相試樣制備過程一般包括五步：取樣粗磨細磨拋光浸蝕1．取樣從需要檢測的金屬材料和零件上截取試樣稱為“取樣”。尺寸直徑、邊長：15~20mm；尺寸高：12~18mm2．粗磨目的修整：有些試樣，例如用錘擊法敲下來的試樣，形狀很不規(guī)則，必須經(jīng)過粗磨，修整為規(guī)則形狀的試樣。目的磨平：無論用什么方法取樣，切口往往不十分平滑，為發(fā)將觀察面磨平，同時去掉切割時產(chǎn)生的變形層，必須進行粗磨。倒角：在不影響觀察目的的前提下，需將試樣上的棱角磨掉，以免劃破砂紙和拋光織物。3．細磨粗磨后的試樣，磨面上仍有較深的磨痕，為了消除這些磨痕必須進行細磨。細磨可分為手工磨和機械磨兩種。手工磨：手工磨是將砂紙鋪在玻璃板上，左手按住砂紙，右手捏住試樣在砂紙上作單向推磨。金相砂紙由粗到細分許多種，其規(guī)格可參考表1。用砂輪粗磨后的試樣，要依次由01號磨至05號（或06號）。砂紙磨光表面變形層消除過程如圖1所示。表1常用金相砂紙的規(guī)格砂紙序號24030040060080010001200粒度1602002804006008001000編號01（選一種）0203040506圖1砂紙磨光表面變形層消除過程示意圖（a）嚴重變形層（b）變形較大層（c）變形微小層（d）無變形原始組織；1、2、3、4分別是第一步、第二步、第三步、第四步磨光后試樣表面的變形層。4．拋光拋光的目的是去除細磨后遺留在磨面上的細微磨痕，得到光亮無痕的鏡面。拋光的方法有機械拋光、電解拋光物化學拋光三種，其中最常用的是機械拋光。a概念：機械拋光是在拋光機上進行，將拋光織物（粗拋常用帆布，精拋常用毛呢）用水浸濕、鋪平、繃緊用固定在拋光盤上。啟動開關使拋光盤逆時針轉(zhuǎn)動，將適量的拋光液（氧化鋁、氧化鉻或氧化鐵拋光粉加水的懸浮液）滴灑在盤上即可進行拋光。機械拋光與細磨本質(zhì)上都是借助磨料尖角銳利的刃部，切去試樣表面隆起的部分，拋光時，拋光織物纖維帶動稀疏分布的極微細的磨料顆粒產(chǎn)生磨削作用，將試樣拋光。5．浸蝕a意義：拋光后的試樣在金相顯微鏡下觀察，只能看到光亮的磨面，如果有劃痕、水跡或扔料中的非金屬夾雜物、石墨以及裂紋等也可以看出來，但是要分析金相組織還必須進行浸蝕。b方法：浸蝕法：利用浸蝕劑對試樣的化學溶解和電化學浸蝕作用將組織顯露出來（如圖）。b方法：擦蝕法：用沾有浸蝕劑的棉花輕輕擦拭拋光面，觀察表面顏色的變化。待試樣表面被浸蝕得略顯灰暗時即刻取出，用流水沖洗后在浸蝕面上滴些酒精，再用濾紙吸去過多的水和酒精，迅速用吹風機吹干，完成整個制備試樣的過程。c原理：純金屬（或單相均勻固溶體）的浸蝕基本上為化學溶解過程。位于晶界處的原子和晶粒內(nèi)部原子相比，自由能較高，穩(wěn)定性較差，故易受浸蝕形成凹溝，晶粒內(nèi)部被浸蝕程度較輕，大體上仍保持原拋光平面。在明場下觀察，可以看到一個個晶粒被晶界（黑色網(wǎng)絡）隔開。如浸蝕較深，還可以發(fā)現(xiàn)各個晶粒明暗程度不同的現(xiàn)象，這是因為每個晶粒原子排列的位向不同，浸蝕后，以最密排面為主的外露面與原拋光面之間傾斜程度不同的緣故。浸蝕后的試樣在顯微鏡下觀察時，如發(fā)現(xiàn)表面變形層嚴重影響組織的清晰度時，可采取反復拋光、浸蝕的辦法去除變形層。2.2顯微鏡的使用1．基本原理圖2-5金相顯微鏡光學原理圖金相顯微鏡光學原理圖如圖2-5所示。a顯微鏡的放大倍數(shù)：顯微鏡的放大倍數(shù)等于物鏡和目鏡單獨放大倍數(shù)的乘積，即物鏡放大倍數(shù)為M物，目鏡放大倍數(shù)為M目，顯微鏡放大倍數(shù)為M=M物*M目。物鏡和目鏡的放大倍數(shù)刻在嵌套圈上，例如10X、20X、45X分別表示放大10倍、20倍、45倍。

b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間最小距離d的能力，d值越小，鑒別率越高。鑒別率是顯微鏡的一個重要的性能，它決定于物鏡數(shù)值孔徑A和所用的光線波長λ，可用下式表示：d=λ/(2A)式中：λ表示入射光線的波長；A表示物鏡的數(shù)值孔徑。λ越小，A越大，則d越小。c物鏡數(shù)值孔徑：物鏡數(shù)值孔徑表示物鏡的聚光能力，其大小為A=n*sinα式中：n表示物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率；α表示物鏡孔徑角的一半。N越大或α角越大，A越大。

2．顯微鏡的構(gòu)造圖2金相顯微鏡構(gòu)金相顯微鏡構(gòu)造如圖2所示。a照明系統(tǒng)：在底座內(nèi)有一個低壓（6～8V，15V）的燈泡作為光源，由變壓器降壓供電，靠調(diào)節(jié)次級電壓（6～8V）來改變燈光的亮度。聚光燈、孔徑光欄以及反光鏡等裝置均安裝在圓形底座上，視場光欄以及另一個聚光鏡則安裝在支架上，它們構(gòu)成了顯微鏡的照明系統(tǒng)，使試樣表面獲得充分、均勻的照明。b顯微鏡調(diào)焦裝置：在顯微鏡的兩側(cè)有粗動和微動調(diào)焦手輪，兩者在同一部位。隨粗調(diào)手輪6的轉(zhuǎn)動，支撐載物臺的彎臂作上下運動。在粗調(diào)手輪的一側(cè)有制動裝置，用以固定調(diào)焦正確后載物臺的位置。微調(diào)手輪5使顯微鏡本題沿著劃軌緩慢移動。在右側(cè)手輪上刻有分度格，每一格表示物鏡座上下微動0.002毫米。與刻度盤同側(cè)的齒輪箱上刻有兩條白線，用以指示微動升降范圍，當旋到極限位置時，微動手輪就會自動被限制，此時，不能再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而應該倒轉(zhuǎn)來使用。c載物臺：用來放置金相試樣，載物臺和下面托盤之間有導軌，用手推動可使載物臺在水平面上作一定范圍的十字定向移動，以改變試樣的觀察部位。d孔徑光欄和視場光欄：孔徑光欄裝在照明反射鏡座上面，調(diào)整孔徑光欄能夠控制入射光束的粗細，以保證物像達到清晰的程度。視場光欄設在物鏡支架下面，其作用是控制視場范圍，使目鏡中視場明亮而無陰影。在刻有直紋的套圈上還有兩個調(diào)節(jié)螺釘，用來調(diào)整光欄中心。e物鏡轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器呈球面形，上有三個螺釘，可以安裝不同放大倍數(shù)的物鏡，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器可以使各個物鏡鏡頭進入光路，與不同的目鏡搭配使用，可以獲得各種放大倍數(shù)。f目鏡筒：目鏡筒呈45度傾斜安裝在附有棱鏡的半球形座上，還可以將目鏡轉(zhuǎn)向90度呈水平狀以配合照相裝置進行金相攝影。

3．顯微鏡操作和注意事項

金相顯微鏡的使用規(guī)程：1）首先將顯微鏡的光源插頭插到變壓器上，通過低壓（6～8V）變壓器接通電源。2）根據(jù)放大倍數(shù)選用所需的物鏡和目鏡，分別安裝在物鏡座上及目鏡筒內(nèi)，并將轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至固定位置。3）將試樣放在試樣臺中心，將觀察面朝下并用彈簧片壓住。4）轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪先將載物臺下降，同時用眼睛觀察，使物鏡盡可能的接近試樣表面（但是不要相碰），然后相反方向轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使載物臺漸漸上升以調(diào)節(jié)焦距，當視場亮度增強時，再改用微調(diào)手輪調(diào)節(jié)，直到物像變清晰。5）適當調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場光欄，以獲得最佳質(zhì)量的物像。2.3焊接接頭圖3低碳鋼焊接接頭的組織變化示意圖1-熔合區(qū)；2-過熱區(qū)；3-正火區(qū)；4-部分相變區(qū)1．焊縫金屬焊縫金屬結(jié)晶是從熔池底壁上許多未熔化的半個晶粒開始的。因結(jié)晶使各個方向冷卻速度不同，垂直于熔合線方向冷卻速度最大，所以晶粒由垂直于熔合線向熔池中心生長，最終呈柱狀晶，如圖4（a）所示。在結(jié)晶過程中，低熔點的硫磷雜質(zhì)和氧化鐵等易偏析，集中在焊縫中心，將影響焊縫金屬的力學性能，如圖4（b）所示。圖5為20鋼焊縫區(qū)組織圖?；穑ɑ蜍堉疲顟B(tài)的母材組織細小，其力學性能優(yōu)于母材。圖7為20鋼正火區(qū)組織。圖720鋼正火區(qū)組織圖（4）部分相變區(qū)是指熱影響區(qū)中加熱溫度在A1~A3之間的區(qū)域，如圖3中的4區(qū)所示。焊接加熱時，首先珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，隨著溫度的進一步升高，部分鐵素體逐步向奧氏體中溶解，溫度愈高，溶入愈多，至A3時，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。焊接加熱時由于時間較短，該區(qū)只有部分鐵素體溶入奧氏體。焊后空冷，該區(qū)域得到由經(jīng)過重結(jié)晶的細小鐵素體和珠光體與未經(jīng)重結(jié)晶的鐵素體組成不均勻組織。所以該區(qū)也稱為不完全重結(jié)晶區(qū)。該區(qū)由于組織不均勻，力學性能稍差。圖8為20鋼焊接接頭組織全貌。三、實驗設備及化學用品XJL—02A型立式金相顯微鏡手鋸、砂紙硝酸酒精濾紙脫脂棉等四、實驗內(nèi)容焊接接頭宏觀分析用眼或低倍放大鏡觀察焊接接頭的波紋、余高、缺陷等外觀形狀。用游標尺測量各種焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)的寬度，測量部分焊接接頭的焊縫深度。觀察各種焊接接頭的結(jié)晶組織方向，以及焊接接頭中是否存在氣孔、裂紋、夾渣、未焊透等缺陷。焊接接頭顯微組織分析用普通金相試片制作方法，將焊接接頭橫斷面磨制成顯微金相試樣，用5%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣。將金相試樣平穩(wěn)放置在立式金相顯微鏡的觀測平臺上；根據(jù)試樣觀察要求，選用放大倍數(shù)合適的物鏡及目鏡；對該顯微鏡的光欄、焦距等進行調(diào)整，使觀察圖像清晰。首先找到焊接接頭的焊縫區(qū)，然后通過調(diào)整立式金相顯微鏡的觀測平臺，緩慢將金相試樣從焊縫區(qū)向母材區(qū)移動，觀察焊接接頭不同區(qū)域的金相組織變化。仔細觀察焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全相變區(qū)等五個區(qū)域的金相組織，對照相關金相組織照片，仔細分辨各區(qū)域金相組織的典型特征。對存在焊接裂紋的試樣，仔細觀察裂紋所在的部位、走向，以及裂紋周圍的金相組織特征。五、實驗報告要求