第2章 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

第2章試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)材料本試驗(yàn)所用母材為16mm厚的低溫壓力容器用鋼16MnDR與奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10，焊接材料根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T983-2012,選擇直徑為3.2mm的焊條E308-16。E308-16焊條是鈦鈣型焊條，超低碳（C≤0.04%），可以采用交流或者直流反接的全位置焊接。焊材分類代號為FeT-8，是熔敷金屬為奧氏體組織的不銹鋼焊材。母材及焊材熔敷金屬的化學(xué)成分見表2-1和2-2；母材的常溫力學(xué)性能見表2-3。表2-1母材金屬化學(xué)成分（%）鋼號CSiMnPSCrNiMoV06Cr19Ni100.080.752.00.020.03520.010.5----16MnDR0.140.291.50.0140.0030.0210.0080.0030.004表2-2焊材金屬化學(xué)成分（%）牌號CSiMnPSCrNiMoCuE308L-160.0350.550.820.0220.00520.209.790.0270.02表2-3母材的常溫力學(xué)性能材料屈服強(qiáng)度σs/MPa抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長率δ/%06Cr19Ni10210≥520≥2516MnDR315490～620≥21母材微觀組織的500倍金相照片見圖2.1。06Cr19Ni10鋼組織為奧氏體和少量鐵素體；16MnDR鋼為珠光體。圖2.1母材金相組織2.2焊接工藝2.2.1焊前預(yù)熱和層間溫度選擇06Cr19Ni10鋼預(yù)熱由于奧氏體不銹鋼具有良好的塑性，冷裂紋傾向較小，因此焊前不必預(yù)熱。多層焊時(shí)要避免道間溫度過高，一般冷卻到100℃以下再焊下一層；否則接頭冷卻速度慢，將促使產(chǎn)生碳化鉻而造成耐晶間腐蝕性下降。在工件剛性極大的情況下，有時(shí)為了避免裂紋的產(chǎn)生，不得已進(jìn)行焊前預(yù)熱。本試驗(yàn)將不對其預(yù)熱。16MnDR鋼預(yù)熱（1）低溫鋼16MnDR是接近鐵素體的低合金鋼，由于碳含量低，硫、磷又限制在較低的范圍，其淬硬傾向和冷裂紋傾向小，室溫下焊接不易產(chǎn)生冷裂紋，板厚小于25mm不需預(yù)熱。本試驗(yàn)采用16mm厚鋼板，所以不需要預(yù)熱。（2）通過對16MnDR鋼的碳當(dāng)量值分析得出其是否需要預(yù)熱。碳當(dāng)量是將鋼鐵中各種合金元素折算成碳的含量。碳素鋼中決定強(qiáng)度和可焊性的因素主要是含碳量。合金鋼(主要是低合金鋼)除碳以外各種合金元素對鋼材的強(qiáng)度與可焊性也起著重要作用。國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式CE(IIW)：(式中的元素符號均表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù))該式主要適用于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼(σ=500～900MPa。當(dāng)板厚小于20mm，CE(IIW)＜0.40%時(shí)，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱；CE(IIW)=0.40%～0.60%，特別當(dāng)大于0.5%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接前需預(yù)熱。計(jì)算得出16MnDR鋼的CE(IIW)值為0.396%，鋼板厚度為16mm，σ為（490～620）MPa，所以16MnDR鋼也不需要預(yù)熱。層間溫度所謂層間溫度,是指多層多道焊時(shí),后一層(道)焊縫焊接前,前層(道)焊縫的最低溫度.對于要求預(yù)熱焊接的材料，當(dāng)需要進(jìn)行多層焊時(shí)，其層間溫度應(yīng)等于或高于預(yù)熱溫度，如層間溫度低于預(yù)熱溫度，應(yīng)重新進(jìn)行預(yù)熱。焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，層間溫度過高會導(dǎo)致焊縫處過熱，導(dǎo)致焊道發(fā)黑。為保證奧氏體不銹鋼焊接接頭有較高的耐蝕性，需要有較快的冷卻速度，因此需要控制較低的層間溫度，即在前道焊縫冷卻到較低溫度時(shí)，在進(jìn)行后道焊縫的焊接。層間溫度過高會引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性下降。如低于預(yù)熱溫度則可能在焊接過程中產(chǎn)生裂紋。對于普通碳鋼，要求層間溫度低于250℃，普通奧氏體不銹鋼，低于150℃（有些甚至要低于100℃，一般要求低于120℃）。本試驗(yàn)選擇的層間溫度為（100-150）℃。2.2.2焊接熔合比的制定與舍夫勒相圖為了確保異種鋼焊接接頭優(yōu)良的性能,適當(dāng)控制熔合比是重要的技術(shù)關(guān)鍵。熔合比，是指熔焊時(shí)被熔化的母材在熔敷金屬中所占的百分比。坡口大小和熔池形狀變化，都可以改變?nèi)酆媳?，?dǎo)致熔敷金屬中焊材和母材的比例變化?；『负附訒r(shí)，常通過改變?nèi)酆媳葋碚{(diào)整焊縫的化學(xué)成分，改善焊縫的性能。同時(shí)可以利用舍夫勒圖來確定得到某種組織的焊縫應(yīng)填加的合金元素類型(鐵素體化元素還是奧氏體化元素),從而進(jìn)行焊接材料的選擇和焊接工藝的制定。坡口的選擇坡口定義根據(jù)設(shè)計(jì)或工藝要求，在焊件的待焊部位加工成一定幾何形狀和尺寸的溝槽，叫坡口。（2）坡口作用①使熱源(電弧或火焰)能到達(dá)焊縫根部，保證根部焊透。②便于操作和清理焊渣。③調(diào)整焊縫成型系數(shù)，獲得較好的焊縫成型。④調(diào)節(jié)基本金屬與填充金屬的比例。坡口選擇原則不同形式坡口的特點(diǎn)比較參考表2-4。為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)钠驴谛褪?。坡口的選擇，主要取決于母材厚度、焊接方法和工藝要求。選擇時(shí)，應(yīng)注意以下問題：①盡量減少填充金屬量。②坡口形狀容易加工。③便于焊工操作和清渣.④焊后應(yīng)力和變形盡可能小。表2-4V、U、X型坡口的比較坡口形式比較條件加工焊縫填充金屬量焊件翻轉(zhuǎn)焊后變形V方便較多不需要較大U復(fù)雜少不需要小X方便較少需要較小坡口的具體參數(shù)參考表2-7。(4）坡口形式圖2-2焊接坡口示意圖（5）坡口切割碳鋼和低合金鋼（16MnDR）采用火焰切割，壓力容器坡口制備可以采用冷加工或者熱加工法，采用熱加工法時(shí)需用冷加工去除表面層；而奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10在熱變形加工過程中塑性較低，容易出現(xiàn)裂紋缺陷，不能采用火焰切割，應(yīng)采用等離子切割，再采用冷加工處理坡口。舍夫勒相圖的計(jì)算舍夫勒（Schaeffler）組織圖是研究奧氏體不銹鋼焊條的有力工具。而舍夫勒組織圖則是依據(jù)Cr與Ni的計(jì)算結(jié)果及無數(shù)次焊縫中鐵素體含量等的實(shí)測結(jié)果繪制而成。目前應(yīng)用較多的有舍夫勒組織圖和德龍組織圖等，它們都可用于電弧焊方法（如焊條電弧焊SMAW、鎢極氬弧焊GTAW、熔化極氣體保護(hù)焊GMAW和埋弧焊SAW）中對成分、組織和性能的研究。（1）Cr與Ni關(guān)系式與舍夫勒組織圖舍夫勒1949年版本的舍夫勒組織如圖2-3所示。決定其組織圖的鉻鎳當(dāng)量關(guān)系式，即Cr、Ni關(guān)系式為：Cr=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb①Ni=Ni+0.5Mn+30C②上述公式中的元素符號僅代表其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分子部分，而不是百分?jǐn)?shù)的全部（以下同），如Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，則在式①中的Cr取21，而不是0.21；Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，則在式②中的Ni取10，而不是0.10。另有，決定舍夫勒組織圖的Cr、Ni關(guān)系式：Cr=Cr+2Si+1.5Mo+5V+5.5Al+1.75Nb+1.5Ti+0.75W③Ni=Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+25N+30C④圖2-3舍夫勒相圖鑒于此，在應(yīng)用舍夫勒組織圖時(shí)，當(dāng)焊縫金屬不含氮時(shí)，就用式①、式②計(jì)算Cr、Ni；當(dāng)含氮時(shí)，就采用式③、式④計(jì)算Cr、Ni不難看出，式③和式④包括了奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬中所有可能有的合金元素項(xiàng)，故更具實(shí)用性。因此，在我國應(yīng)用最多的是舍夫勒組織圖。（2）Cr和Ni關(guān)系式與德龍組織圖德龍（Delong）等人于1973年在舍夫勒組織圖基礎(chǔ)上確定了德龍組織圖，如圖2-4所示。其Cr表達(dá)式不變，即為式①。因研究發(fā)現(xiàn)氮對鐵素體影響較大，所以在Ni關(guān)系式中加進(jìn)了氮元素項(xiàng)，其鎳當(dāng)量關(guān)系式為：Ni=Ni+0.5Mu+30N+30C因此，德龍組織圖和舍夫勒組織圖有如下區(qū)別：①在鉻當(dāng)量不變的情況下，在鎳當(dāng)量關(guān)系式中增加了氮元素項(xiàng)，使相區(qū)界線位置發(fā)生了變化，即增大了鐵素體線的斜率。②前者的鐵素體線間距離相對是恒定的，而后者是變化的。③增加了表示鐵素體含量的“鐵素體數(shù)”（FN)的標(biāo)度.雖然FN單位與鐵素體百分?jǐn)?shù)含量沒有直接關(guān)系，但在圖內(nèi)雙相組織區(qū)域中在小于10的范圍內(nèi)時(shí)，兩者基本相近或相同。圖2-4德龍組織圖2.2.3焊接熱輸入的制定熔焊時(shí)，焊接電源輸入到焊接件單位長度焊縫上的熱值就是熱輸入。又稱焊接線能量，其等于焊接電流、電弧電壓、熱效率的乘積和焊接速度的比值。06Cr19Ni10鋼的組織為奧氏體＋（3～5）%鐵素體擁有良好的塑性、韌性和高溫低溫性能。但06Cr19Ni10鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，存在過熱區(qū)，易產(chǎn)生大的晶粒，在高溫下鉻和碳易形成化合物，使組織產(chǎn)生貧鉻層，會導(dǎo)致焊縫枝晶的產(chǎn)生，因此要選擇小的熱輸入值；同時(shí)為了減小焊接熱影響區(qū)的大小，加快冷卻速度，也要選擇小的熱輸入值。16MnDR鋼是以鐵素體為基的細(xì)晶粒鋼，由于其碳含量低，其他合金元素含量不高，碳當(dāng)量為0.40%左右，淬硬和冷裂傾向小，不易產(chǎn)生冷裂紋，同時(shí)鋼中的S、P等雜志含量也控制得較小，所以也不易產(chǎn)生熱裂紋。焊接時(shí)主要問題就是焊縫和過熱區(qū)（加熱1100℃以上區(qū)域）的脆化問題。為使焊接接頭擁有和母材相其配的低溫性能，要控制好熱輸入值，小電流快速焊接。焊接電流焊接電流的過大或過小都會影響焊接質(zhì)量。其他焊接工藝參數(shù)不變，增大焊接電流，會使得熱輸入變大，熱源下移，焊縫的熔深增大；焊絲熔化速度加快，焊縫余高增大；弧柱直徑變大，但由于熱源下移，電弧斑點(diǎn)移動(dòng)受限，熔寬近乎不變。所以其選擇應(yīng)根據(jù)焊條的類型、直徑、焊件的厚度、接頭形式、焊縫空間位置等因素來考慮，其中焊條直徑和焊縫空間位置最為關(guān)鍵。在一般鋼結(jié)構(gòu)的焊接中，焊接電流大小與焊條直徑關(guān)系可用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行試選：I——焊接電流(A)；d——焊條直徑(mm)。另外，立焊時(shí)，電流應(yīng)比平焊時(shí)小15％～20％；橫焊和仰焊時(shí)，電流應(yīng)比平焊電流小10％～15％。1）考慮焊條直徑

焊條直徑越粗，熔化焊條所需的熱量越大，必須增大焊接電流，每種焊條都有一個(gè)最合適電流范圍，表2-5是常用的各種直徑焊條合適的焊接電流參考值。當(dāng)使用碳鋼焊條焊接時(shí)，還可以根據(jù)選定的焊條直徑，用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算焊接電流：

式中：I一一焊接電流

(A)

；

d——焊條直徑

(mm)

；

K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

(A／cra)。

表2-5

焊接電流經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與焊條直徑的關(guān)系

焊條直徑

d／mm1.62～2.53.24～6經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K20～2525～3030～4040～502）考慮焊接位置

在平焊位置焊接時(shí)，可選擇偏大些的焊接電流，非平焊位置焊接時(shí)，為了易于控制焊縫成形，焊接電流比平焊位置小10％～20％。

3）考慮焊接層次

通常焊接打底焊道時(shí)，為保證背面焊道的質(zhì)量，使用的焊接電流較??；焊接填充焊道時(shí)，為提高效率，保證熔合好，使用較大的電流：焊接蓋面焊道時(shí)，防止咬邊和保證焊道成形美觀，使用的電流稍小些。

焊接電流一般可根據(jù)焊條直徑進(jìn)行初步選擇，焊接電流初步選定后，要經(jīng)過試焊，檢查焊縫成形和缺陷，才可確定。對于有力學(xué)性能要求的如鍋爐、壓力容器等重要結(jié)構(gòu)，要經(jīng)過焊接工藝評定合格以后，才能最后確定焊接電流等工藝參數(shù)當(dāng)焊接電流調(diào)好以后，焊機(jī)的外特性曲線就決定了。實(shí)際上電弧電壓主要是由電弧長度來決定的。電弧長，電弧電壓高，反之則低。焊接過程中，電弧不宜過長，否則會出現(xiàn)電弧燃燒不穩(wěn)定、飛濺大、熔深淺及產(chǎn)生咬邊、氣孔等缺陷：若電弧太短，容易粘焊條。一般情況下，電弧長度等于焊條直徑的0.5～1倍為好，相應(yīng)的電弧電壓為16—25V。堿性焊條的電弧長度不超過焊條的直徑，為焊條直徑的一半較好，盡可能地選擇短弧焊；酸性焊條的電弧長度應(yīng)等于焊條直徑。電弧電壓焊接電壓即電弧電壓:提供焊接能量。電弧電壓越高，焊接能量越大，焊絲熔化速度就越快，焊接電流也就越大。電弧電壓等于焊機(jī)輸出電壓減去焊接回路的損耗電壓，可用下列公式表示：如果焊機(jī)安裝符合安裝要求的話，損耗電壓主要指電纜加長所帶來的電壓損失，若您的焊接電纜需要加長，調(diào)節(jié)焊機(jī)輸出電壓時(shí)可參考表2-6：表2-6電壓損失值焊接電流

電纜長度100A200A300A400A500A10m約1V約1.5V約1V約1.5V約2V15m約1V約2.5V約2V約2.5V約3V20m約1.5V約3V約2.5V約3V約4V25m約2V約4V約3V約4V約5V根據(jù)焊接條件選定相應(yīng)板厚的焊接電流，然后根據(jù)下列公式計(jì)算焊接電壓:I<300A時(shí):焊接電壓=(0.05×焊接電流+14±2)伏I>300A時(shí):焊接電壓=(0.05×焊接電流+14±3)伏電壓偏高時(shí)，弧長變長,飛濺顆粒變大,易產(chǎn)生氣孔，焊道變寬，熔深和余高變小。電壓偏低時(shí)，焊絲插向母材，飛濺增加，焊道變窄，熔深和余高大。焊接速度其他焊接工藝參數(shù)不變，提高焊速時(shí)線能量減小，單位長度焊縫上的焊材熔敷量減小，故熔深、熔寬和余高都減小。焊接時(shí)電流和電壓是匹配的，改變電流就改變了電壓，故可以通過改變電流和焊接速度改變焊接熱輸入。根據(jù)文獻(xiàn)資料，選擇了熱輸入的范圍，電流、電壓和焊速取值見表2-7。2.2.4焊接工藝參數(shù)表2-7焊接工藝試件編號母材及厚度坡口焊接方法焊接材料及規(guī)格電流特性電流A電壓V速度cm/min形式鈍邊（cm）角度（度）間隙（cm）0106Cr19Ni10和16MnDR16mmV0-1.0643.5-4.0SMAWE308L-163.2mm直流反接85-12020-244.1-16.402V2.5-3.065±2.53.5-4.0SMAWE308L-163.2mm直流反接85-12022-244.2-9.103V2.0-3.265±2.53.5-4.0SMAWE308L-163.2mm直流反接85-12022=244.6-焊后熱處理奧氏體不銹鋼焊接后，原則上不進(jìn)行熱處理。只有焊接接頭產(chǎn)生了催化或要進(jìn)一步提高其耐蝕能力時(shí)，才根據(jù)需要選擇固溶處理、穩(wěn)定化處理或者消除應(yīng)力處理。而當(dāng)異種鋼焊接兩個(gè)鋼材其中一側(cè)為奧氏體不銹鋼時(shí)，選擇更接近奧氏體不銹鋼元素成分的焊條，可避免焊后熱處理。同時(shí)，由于低溫壓力容器16MnDR和奧氏體不銹鋼管道焊接后體積較大，不易進(jìn)行焊后熱處理，考慮到其焊后熱處理可以避免，所以不進(jìn)行焊后熱處理。2.3測試分析方法及設(shè)備為完成對制定工藝的評定，將對焊縫力學(xué)性能進(jìn)行測試分析，對焊縫金相組織進(jìn)行觀察，從而選擇出較為合適的焊接工藝。2.3.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)本試驗(yàn)采用WE-1000液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為1000KN。圖2-5WE-1000液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)試樣制備圖2-6拉伸試樣圖中S為試樣厚度；W為試樣受拉伸平行側(cè)面寬度，大于或者等于20mm；h為S兩側(cè)面焊縫中最大寬度；h為夾持部位長度，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)夾具而定。所有參數(shù)單位均為mm。試驗(yàn)步驟

（1）劃線測量利用游標(biāo)卡尺測量樣品的直徑，在不同的部位測量三次，用直尺測量樣品的原始標(biāo)距，同樣取不同位置測量三次。然后使用劃線器在試樣上畫出試樣的標(biāo)距。（2）安裝試樣將樣品安裝在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上，按照試驗(yàn)機(jī)的操作流程，對樣品進(jìn)行拉伸，在電腦上記錄拉伸曲線。（3）界面操作設(shè)置電腦屏幕上的各種拉伸參數(shù)，將初始數(shù)據(jù)設(shè)置為零，點(diǎn)擊開始按鈕，開始拉伸試驗(yàn)。當(dāng)拉伸量趨于平穩(wěn)，將引申計(jì)取下，避免破壞設(shè)備。（4）拉伸過程繼續(xù)拉伸試樣，直到試樣斷裂。將試樣從試驗(yàn)機(jī)上取下，觀察端口形貌?？梢钥吹蕉丝谥苓叺募羟写?。（5）測量斷后試樣按照國標(biāo)精度，測量斷后試樣頸縮直徑、斷后標(biāo)距長度。試樣旋轉(zhuǎn)90度，再測量一遍。（6）輸出報(bào)告根據(jù)拉伸過程中測得的應(yīng)力、位移和塑形變形的數(shù)據(jù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)給定的數(shù)據(jù)處理方式，計(jì)算機(jī)輸出拉伸試驗(yàn)測得的四項(xiàng)拉伸強(qiáng)度和拉伸塑形的測試結(jié)果。2.3.2彎曲試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)一個(gè)矩形截面的金屬承受彎曲載荷，其截面就出現(xiàn)應(yīng)力。該應(yīng)力可以分解為垂直于截面的正應(yīng)力和平行于截面的切應(yīng)力。如果梁上的載荷都處于同一平面內(nèi)且垂直于梁的中軸，則截面各個(gè)點(diǎn)的正應(yīng)力合成為一個(gè)力偶，其力矩即所謂的彎矩M，已知截面上任一點(diǎn)的正應(yīng)力與該點(diǎn)至中截面的垂距以及截面上的彎矩成正比，與截面的慣矩成反比。若截面上的彎矩為正，則中截面以上各點(diǎn)受壓應(yīng)力，中截面以下各點(diǎn)受張應(yīng)力；若截面上的彎矩為負(fù)，情況正好相反。（1）三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置圖2-7所示為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的示意圖。其中，F(xiàn)為所施加的彎曲力，Ls為跨距，f為撓度。圖2-7三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖實(shí)驗(yàn)步驟（1）試樣的制備：按照國標(biāo)《金屬彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GB/T14452-93，制備試樣。（2）試樣尺寸測量：矩形橫截面試樣應(yīng)在跨距的兩端和中間處分別測量其寬度和厚度。計(jì)算彎曲彈性模量時(shí)，取用三處高度測量值的算術(shù)平均值；計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)，取用中間處測量的厚度和寬度。（3）夾具調(diào)試，依據(jù)試樣的厚度，調(diào)整合適的支點(diǎn)跨距。（4）放置試樣，把試樣放在支座上，試樣擺放應(yīng)使兩端露出部分的長度相等并與支座垂直。（5）編制一個(gè)彎曲實(shí)驗(yàn)程序（萬能材料試驗(yàn)機(jī)的操作見說明書）。（6）根據(jù)編制的程序開始實(shí)驗(yàn),注意保存好數(shù)據(jù)紀(jì)錄。2.3.3硬度試驗(yàn)維氏硬度代號：HV。以49.03~980.7N的負(fù)荷,將相對面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，用測量壓痕對角線長度，再按公式來計(jì)算硬度的大小。它適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。維氏硬度尚有小負(fù)荷維氏硬度，試驗(yàn)負(fù)荷1.961~<49.03N，它適用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定；顯微維氏硬度，試驗(yàn)負(fù)荷<1.961N，適用于金屬箔、極薄表面層的硬度測定。HV-適用于顯微鏡分析。維氏硬度(HV)以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用載荷值除以材料壓痕凹坑的表面積，即為維氏硬度值(HV)。（1）試樣外表要求：維氏硬度試樣表面應(yīng)光滑平整，不能有氧化皮及雜物，不能有油污。一般的，維氏硬度試樣表面粗糙度參數(shù)Ra不大于0.40μm，小負(fù)荷維氏硬度試樣不大于0.20μm，顯微維氏硬度試樣不大于0.10μm。（μm是表面粗糙度參數(shù)Ra的單位）。（2）試樣制備的要求維氏硬度試樣制備過程中，應(yīng)盡量減少過熱或者冷作硬化等因素對表面硬度的影響。此外，對于小截面或者外形不規(guī)則的試樣，如球形、錐形，需要對試樣進(jìn)行鑲嵌或者使用專用平臺。2.3.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)原理沖擊韌度通過沖擊試驗(yàn)測定，此試驗(yàn)在一次沖擊載荷作用下顯示試件缺口處的沖擊韌性，試驗(yàn)參照國標(biāo)GB/T2650-89《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)儀器為JB-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)。將試樣水平放在試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊相背方向。然后將具有一定重量G擺錘舉至一定高度H1,使其獲得一定位能GH1.釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為GH2，則擺錘沖斷試樣失去位能為GH1-GH2，此即為試樣變形和斷裂所消耗的功，以Ak表示，單位為J。用Ak除以試樣缺口處原始面積，所得商值ak稱為材料的沖擊值，單位為J/m2。Ak和ak作為材料抵抗沖擊載荷作用的抗力指標(biāo)，用溫度降至某一數(shù)值時(shí)，Ak值急速下降，材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩@種轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的溫度為冷脆溫度。圖2.8沖擊試樣形狀及尺寸試驗(yàn)步驟（1）試件準(zhǔn)備；試樣尺寸10mm×10mm×55mm。用3%硝酸酒精溶液侵蝕試樣，待清晰顯示出接頭各區(qū)域后，在焊縫和兩側(cè)熱影響區(qū)開V型缺口，缺口深度為2mm，沖擊試樣示意圖見圖2-8。每個(gè)試件平行試樣3個(gè)，沖擊值取3者平均值，（2）檢查沖擊試驗(yàn)機(jī)，調(diào)整零位；（3）試件在低溫儀內(nèi)冷卻至-40℃；（4）沖擊試樣，記錄沖擊功；2.3.5金相組織分析基本原理實(shí)驗(yàn)原理在生產(chǎn)與科研中，金相顯微分析是研究材料內(nèi)部組織的重要手段。其原理為，通過金相顯微鏡，利用材料表面不同凹凸面對光線反射程度的差別來顯示顯微組織狀態(tài)。因此，為了清楚顯示出組織細(xì)節(jié)，要求磨面無變形層，曳尾和劃痕等，還要保護(hù)好試樣的邊緣。制樣程序通常包括取樣、鑲樣、磨光、拋光、腐蝕等幾道工序。為了避免出現(xiàn)“偽組織”而導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷，需要掌握正確的制樣方法。金屬試樣的制備的步驟（1）取樣顯微試樣的選取應(yīng)根據(jù)研究、檢測目的，取其最具有代表性的部位。此外，還應(yīng)考慮被測材料或零件的特點(diǎn)、工藝過程及熱處理過程。例如：對于鑄件，由于存在偏析現(xiàn)象，應(yīng)從表面層到中心等典型區(qū)域分別取樣，以便分析缺陷及非金屬夾雜物由表及里的分布情況；對軋制和鍛造材料，應(yīng)同時(shí)截取橫向及縱向檢驗(yàn)面，以便分析材料在沿加工方向和垂直加工方向截面上顯微組織的差別；而對熱處理后的顯微組織，一般采用橫向截面。（2）磨制分粗磨和細(xì)磨兩步。試樣取下后，首先進(jìn)行粗磨。如是鋼鐵材料試樣可先用砂輪粗磨平，如是很軟的材料（如鋁、銅等有色金屬）可用銼刀銼平。在砂輪上磨制時(shí)，應(yīng)握緊試樣，使試樣受力均勻，壓力不要太大，并隨時(shí)用水冷卻，以防受熱引起金屬組織變化。此外，在一般情況下，試樣的周界要用砂輪或銼刀磨成圓角，以免在磨光及當(dāng)拋光時(shí)將砂紙和拋光織物劃破。但是，對于需要觀察表層組織（如滲碳層，脫碳層）的試樣，則不能將邊緣磨圓，這種試樣最好進(jìn)行鑲嵌。細(xì)磨是消除粗磨時(shí)產(chǎn)生的磨痕，為試樣磨面的拋光做好準(zhǔn)備。粗磨平的試樣經(jīng)清水沖洗并吹干后，隨即把磨面依次在由粗到細(xì)的各號金相砂紙上磨光。常用的砂紙?zhí)枖?shù)有01、02、03、04號4種，號小者磨粒較粗，號大者較細(xì)。磨制時(shí)砂紙應(yīng)平鋪于厚玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣，使磨面朝下并與砂紙接觸，在輕微壓力作用下把試樣向前推磨，用力要均勻，務(wù)求平穩(wěn)，否則會使磨痕過深，且造成試樣磨面的變形。試樣退回時(shí)不能與砂紙接觸，這樣“單程單向”地反復(fù)進(jìn)行，直至磨面上舊的磨痕被去掉，新的磨痕均勻一致為止。在調(diào)換下一號更細(xì)的砂紙時(shí)，應(yīng)將試樣上磨屑和砂粒清除干凈，并轉(zhuǎn)動(dòng)90°角，使新、舊磨痕垂直。金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是應(yīng)盡可能減少表層損傷。每一道磨光工序必須除去前一道工序造成的變形層（至少應(yīng)使前一道工序產(chǎn)生的變形層減少到本道工序生產(chǎn)的變形層深度），而不是僅僅把前一道工序的磨痕除去；同時(shí)，該道工序本身應(yīng)盡可能減少損傷，以便進(jìn)行下一道工序。最后一道磨光工序產(chǎn)生的變形層深度應(yīng)非常淺，應(yīng)保證能在下一道拋光工序中除去。磨制鑄鐵試樣時(shí)，為了防止石墨脫落或產(chǎn)生曳尾現(xiàn)象，可在砂紙上涂一薄層石墨或肥皂作為潤滑劑。磨制軟軟的有色金屬試樣時(shí)，為了防止磨粒嵌入軟金屬內(nèi)和減少磨面的劃損，可在砂紙上涂一層機(jī)油、汽油、肥皂水溶液或甘油水溶液作潤滑劑。金相試樣還可以用機(jī)械磨制來提高磨制效率。機(jī)械磨制是將磨粒粗細(xì)不同的水砂紙裝在預(yù)磨機(jī)的各磨盤上，一邊沖水，一邊在轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤上磨制試樣磨面。配有微型計(jì)算機(jī)的自動(dòng)磨光機(jī)可以對磨光過程進(jìn)行程序控制，整個(gè)磨光過程可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成。（3）拋光目的為去除金相磨面上因細(xì)磨而留下的磨痕，使之成為光滑、無痕的鏡面。金相試樣的拋光可分為機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光三類。機(jī)械拋光簡便易行，應(yīng)用較廣。①機(jī)械拋光機(jī)械拋光是在專用的拋光機(jī)上進(jìn)行的，拋光機(jī)主要是由電動(dòng)機(jī)和拋光圓盤（Ф200～300mm）組成，拋光盤轉(zhuǎn)速為200～600r/min以上。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Al2O3、MgO或Cr2O3等細(xì)粉末（粒度約為0.3～1μm）在水中的懸浮液。機(jī)械拋光就是靠極細(xì)的拋光粉末與磨面間產(chǎn)生相對磨削和液壓作用來消除磨痕的。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)。拋光時(shí)間一般為3～5min。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。這時(shí)，試樣先用清水沖詵，再用無水酒精清洗磨面，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干。②電解拋光電解拋光是利用陽極腐蝕法使試樣表面變得平滑光高的一種方法。將試樣浸入電解液中作陽極，用鋁片或不銹鋼片作陰極，使試樣與陰極之間保持一定距離（20～30mm），接通直流電源。當(dāng)電流密度足夠時(shí)，試樣磨面即由于電化學(xué)作用而發(fā)生選擇性溶解，從而獲得光滑平整的表面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，只產(chǎn)生純化學(xué)的溶解作用而無機(jī)械力的影響，因此，可避免在機(jī)械拋光時(shí)可能引起的表層金屬的塑性變形，從而能更確切地顯示真實(shí)的金相組織。但電解拋光操作時(shí)工藝規(guī)程不易控制。③化學(xué)拋光化學(xué)拋光的實(shí)質(zhì)與電解拋光相類似，也是一個(gè)表層溶解過程。它是一種將化學(xué)試劑涂在試樣表面上約幾秒至幾分鐘，依靠化學(xué)腐蝕作用使表面發(fā)生選擇性溶解，從而得到光滑平整的表面的方法。（4）浸蝕由于金屬中合金成分和組織的不同，造成腐蝕能力的差異，腐蝕后使各組織間、晶界和晶內(nèi)產(chǎn)生一定的襯度，金屬組織得以顯示。常用的金相組織顯示方法有：①化學(xué)浸蝕法；②電解浸蝕法；③金相組織特殊顯示法，其中化學(xué)浸蝕法最為常用。經(jīng)拋光后的試樣若直接放在顯微鏡下觀察，只能看到一片亮光，除某些非金屬夾雜物（如MnS及石墨等）外，無法辨別出各種組成物及其形態(tài)特征，必須使用浸蝕劑對試樣表面進(jìn)行“浸蝕”，才能清楚地看到顯微組織的真實(shí)情況。鋼鐵材料最常用的浸蝕劑為3%~4%HYPERLINK"/lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=746083