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1、-1-实验二 低碳钢熔化焊焊接接头组织分析一、实验目的1、观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷 2、观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态 3、掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 4、测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度二、实验概述在焊接过程中，由于焊接接头各部分经受了不同的热循环，因而所得组织各异。组 织的不同，导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析，是对接头机械性能鉴 定的不可缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为：观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析的主要内容为：借助于放大 100 倍以上的光学金相显微镜或电子显
2、微镜进 行观察，分析焊缝的结晶形态，焊接热影响区金属的组织变化，焊接接头的微观缺陷等。焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响 区的组织变化不仅与焊接热循环有关，而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 （一）焊缝凝固时的结晶形态 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的 焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征，图 2-2 为母材和焊缝金属交互结晶 的示意图。由图可见，焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从 熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生 结晶。当晶体最易长
3、大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由 于取向不利于成长，晶粒的成长会被竭止，这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状 晶形态，如图 2-3（a）所示。-2-图 2-2 焊缝金属的交互结晶示意图（a）（b）-3-（c）（d）（e）-4-（f）图 9-3 20 号钢焊接接头金相组织（200）（a）焊缝的焊态组织；（b）熔合区的焊态组织；（c）过热区焊态组织；（d）正火区焊态组织；（e）部分相变区焊态组织；（f）焊态母材组织；（二）不易淬火钢焊接热影响区金属的组织变化 不易淬火钢包括低碳钢，16Mn、15MnTi、15MnV 等低合金钢。现以 20 号钢为例， 根据其焊接热影响区
4、金属的组织特征，可以分为 5 个区域，如图 2-4 所示。低碳钢焊接接头组织变化图1、熔合区 2、过热区 3、正火区 4、部分相变区 5、再结晶区-5-1、熔合区 紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区或半熔合区。焊接时，该区金属处 于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间（约 13501450） 。在一般熔化焊的情况 下，此区仅有 23 个晶粒的宽度，甚至在显微镜下也难以辨认。但是，它对焊接接头的 强度、塑性都有很大影响，如图 2-3（b）所示。 2、过热区 该区的加热温度范围为 11001350。由于受热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重 的长大现象，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，故称为过
5、热区。此区的塑性差，韧性低， 硬度高。其组织为粗大的铁素体和珠光体。在有的情况下，如气焊或导热条件较差时， 甚至可获得魏氏体组织。因此，焊接钢度较大的结构时，常在过热区产生裂纹，过热区 的显微组织如图 2-3(c)所示。 3、正火区（重结晶区） 该区加热温度在 Ac31100之间。在加热过程中，铁素体和珠光体全部转变为奥氏 体，即产生金属的重结晶现象。由于加热温度稍高于 Ac3，奥氏体晶粒尚未长大，冷却后 获得均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，故又称为正火区或相 变重结晶区。该区的组织比退火（或轧制）状态的母材组织细小，因此，该区是热影响 区中组织和性能最好的区域，如图 2
6、-3(d)。 4、部分相变区（不完全重结晶区） 焊接时，加热温度在 Ac1Ac3之间（约 750900）的金属区域为不完全重结晶区。 当低碳钢的加热温度超过 Ac1时，珠光体先转变为奥氏体。温度进一步升高时，部分铁 素体逐步溶解于奥氏体中，温度越高，溶解的越多，直到 Ac3时，铁素体将全部溶解在 奥氏体中。焊后冷却时，又从奥氏体中析出细小的铁素体，一直冷却到 Ar1时，残余的奥 氏体就转变为共析组织珠光体。由次可看出，次区只有一部分组织发生了相变重结晶 过程，而始终未溶入奥氏体的铁素体，在加热时会发生长大，变成较粗大的铁素体组织， 因此，该区域金属的组织是不均匀的，晶粒大小也不一致，一部分是经
7、过重结晶的晶粒 细小的铁素体和珠光体，另一部分是粗大的铁素体，如图 2-3(e)所示。由于组织不均匀， 因而机械性能也不均匀。 5、母材（再结晶区） 当母材为热轧状态供应的钢材时，则该区组织仍保留原始的带状组织特征，如图 2- 3(f)所示。如果焊前母材为冷轧状态供应的钢材，则在加热温度为 Ac1以下的金属中还存在一 个再结晶区。处于再结晶区的金属，在加热的过程中将发生金属的再结晶过程，即经过 冷变形后的碎晶粒在再结晶温度作用下重新排列的过程。-6-以上是焊接热影响区中主要的组织变化区段，其中以熔合区和过热区对焊接接头组 织性能的不利因素最为显著，因此，在焊接过程中应尽可能减少热影响区的宽度。
8、焊接 热影响区的大小受到许多方面的影响，不同的焊接方法、焊接板厚、焊后冷却速度等都 会使热影响区的尺寸发生变化。表 2-1 是用不同的焊接方法焊接低碳钢时焊接热影响区的 平均尺寸。 表 2-1 不同的焊接方法焊接低碳钢时的焊接热影响区平均尺寸熔合区组织 图左为焊缝， 图右为母材过热区。片状与 块状先共析铁素体沿过热区 粗大奥氏体晶界析出，晶内 有大量魏氏组织铁素体与一 定量粒状贝氏体，基体为珠 光体（黑色与灰暗色）粗块铁素体与珠光 体呈带状分布热影响区组织（正火 加热区） 晶粒细化， 铁素体与珠光体混合 分布，略呈带状分布，热影响区组织-7-宏观试样各区平均尺寸焊接方法过热区正火区部分相变区总
9、宽 （mm手弧焊2.23.01.52.52.23.06.08.5埋弧自动焊0.81.20.81.70.71.02.34.0电渣焊18205.07.02.03.02530气焊214.02.027.0真空电子束焊0.050.75-8-9-10-11-三、实验设备及材料1、 金相显微镜、10 倍放大镜 2、 有关金相图谱 3、 A3钢手弧焊及气焊接头宏观组织试样及显微试样。四、实验内容及步骤1、实验前，先认真阅读实验指导书的内容，并明确本次实验的目的和要求。 2、观察并画出焊接接头的宏观组织示意图，观察焊接缺陷形态及部位。 3、观察并画出焊接接头各个区域典型组织示意图 4、测量热影响区宽度（手弧焊及
10、气焊） 5、正确地使用金相显微镜、金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。 金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的 显微镜还附带有多种功能及摄影装置。目前，已把显微镜与计算机及相关的分 析系统相连，能更方便、更快捷地进行金相分析研究工作(金相实验互动系统)。以 XJB1（4X）型金相显微镜为例：XJB1（4X）型金相显微镜的结构 1-载物台；2-物镜；3-半反光镜；4-转换器；5传动箱；6-微动调焦手轮； 7粗动调焦 手轮；8-偏心圈；9-目镜；10-目镜管 ；11固定螺钉；12-调节螺钉；13视场光阑； 14-孔径光阑- 金相显微镜的操作步
11、骤：-12-1).将显微镜的光源与 6 伏的变压器接通，把变压器与 220 伏电源接通，并打 开开关。 2). 根据放大倍数选择适当的物镜和目镜，用物镜转换器将其转到固定位置， 。 3). 把样品放在载物台上，使观察面向下。转动粗调手轮，使载物台下降，在 看到物体的象时，再转动微调焦手轮，直到图象清晰。 4). 载物台在水平面上作一定范围内的十字定向移动。用于选择视域。观察 试样时从焊缝向热影响区逐步观察。 5). 调节孔径光栏至合适位置，得到亮而均匀的照明。 6). 调节视场光栏使图象与目镜视场大小相等，以获得最佳质量的图象。五、注意事项1、拿取金相试样时，不得用手指触摸试样表面或使试样表面受到硬物擦伤，以免使显微 组织模糊，影响观察效果。 2、画组织图时，应抓住组织形态特点，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕画在图上。
