焊接接頭金相分析實驗指導書

實驗指導書《材料連接原理》實驗一焊接接頭金相分析一、實驗目的：1、觀察硝酸銀的枝晶形態(tài)；2、觀察焊接接頭的宏觀組織及焊接缺陷；3、觀察典型焊接接頭的纖維組織的分布及其特征，了解焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)及母材等各種典型結晶形態(tài)；二、實驗概述：手工電弧焊的焊接過程如圖2-1所示。當電弧在焊條與焊件之間引燃后，電弧熱使焊件（與電弧接觸部分）及焊條末端融化，熔化的焊件和焊條（以熔滴形式下落）形成共同的金屬熔池。焊條外面的藥皮受熱熔化并發(fā)生分解反應，產生液態(tài)熔渣和大量氣體。液態(tài)熔渣包圍著熔滴，當其進入金屬熔池后，因其比重小而浮在熔池表面。所產生的氣體則包圍在電弧和熔池周圍。圖2-1手工電弧焊過程示意圖1、焊條芯2、焊條藥皮3、液態(tài)熔渣4、固態(tài)渣殼5、氣體6、金屬熔滴7、熔池8、焊縫9、工件焊條因不斷熔化下滴而應連續(xù)向下送進，以保持一定的電弧長度。同時，焊條還應沿焊接方向前進。當電弧離開熔池后，被熔渣覆蓋的熔化金屬就緩慢冷卻凝固成焊縫金屬，液態(tài)熔渣也凝固成固態(tài)熔殼。在電弧移達的下方，又形成新的熔池及其上的液態(tài)熔渣，以后又凝固成新的焊縫金屬和渣殼。上述過程繼續(xù)進行下去，只至整個焊縫被焊完為止。從而形成一條連續(xù)的焊縫金屬。在焊接過程中，由于焊接接頭各部分經受了不同的熱循環(huán)，因而所得組織各異。組織的不同，導致機械性能的變化。對焊接接頭進行金相組織分析，是對接頭機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方面。宏觀分析的主要內容為：觀察與分析焊縫成型、焊縫金屬結晶方向和宏觀缺陷等。顯微分析的主要內容為：借助于放大100倍以上的光學金相顯微鏡或電子顯微鏡進行觀察，分析焊縫的結晶形態(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，而且與所用的焊接材料和被焊材料有密切關系。（一）焊縫凝固時的結晶形態(tài)熔化焊是通過加熱使被焊金屬的聯接處達到熔化狀態(tài)，焊縫金屬凝固后實現金屬的焊接。聯接處的母材和焊縫金屬具有交互結晶的特征，圖2-2為母材和焊縫金屬交互結晶的示意圖。由圖可見，焊縫金屬與聯接處母材具有共同的晶粒，即熔池金屬的結晶是從熔合區(qū)母材的半熔化晶粒上開始向焊縫中心成長的。這種結晶形式稱為交互結晶或聯生結晶。當晶體最易長大方向與散熱最快方向一致時，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)。圖2-2焊縫金屬（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以20號鋼為例，根據其焊接熱影響區(qū)金屬的組織特征，可以分為5個區(qū)域，如圖2-3所示。圖2-3低碳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，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1350～1450℃）。在一般熔化焊的情況下，此區(qū)僅有2～3個晶粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以辨認。但是，它對焊接接頭的強度、塑性都有很大影響。2、過熱該區(qū)的加熱溫度范圍為1100～1350℃。由于受熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現象，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，如氣焊或導熱條件較差時，甚至可獲得魏氏體組織。因此，焊接鋼度較大的結構時，常在過熱區(qū)產生裂紋。3、正火區(qū)（重結晶區(qū)）該區(qū)加熱溫度在Ac3~1100℃之間。在加熱過程中，鐵素體和珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體，即產生金屬的重結晶現象。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小的鐵素體和珠光體，相當于熱處理時的正火組織，故又稱為正火區(qū)或相變重結晶區(qū)。該區(qū)的組織比退火（或軋制）狀態(tài)的母材組織細小，因此，該區(qū)是熱影響區(qū)中組織和性能最好的區(qū)域。4、部分相變區(qū)（不完全重結晶區(qū)）焊接時，加熱溫度在Ac1~Ac3之間（約750～900℃）的金屬區(qū)域為不完全重結晶區(qū)。當低碳鋼的加熱溫度超過Ac1時，珠光體先轉變?yōu)閵W氏體。溫度進一步升高時，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，鐵素體將全部溶解在奧氏體中。焊后冷卻時，又從奧氏體中析出細小的鐵素體，一直冷卻到Ar1時，殘余的奧氏體就轉變?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)生了相變重結晶過程，而始終未溶入奧氏體的鐵素體，在加熱時會發(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，一部分是經過重結晶的晶粒細小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體。由于組織不均勻，因而機械性能也不均勻。5、母材（再結晶區(qū)）當母材為熱軋狀態(tài)供應的鋼材時，則該區(qū)組織仍保留原始的帶狀組織特征，如果焊前母材為冷軋狀態(tài)供應的鋼材，則在加熱溫度為Ac1以下的金屬中還存在一個再結晶區(qū)。處于再結晶區(qū)的金屬，在加熱的過程中將發(fā)生金屬的再結晶過程，即經過冷變形后的碎晶粒在再結晶溫度作用下重新排列的過程。三、實驗原理、方法和手段（一）鹽（硝酸銀）枝晶形成鹽和金屬均為晶體。由液態(tài)凝固形成晶體的過程叫結晶。不論鹽的結晶或金屬的結晶都遵循形核和核的長大規(guī)律。形核又分為均勻形核和非均勻形核。通常情況下，由于外來雜質、容器或模壁等的影響，一般都是非均勻形核。晶核形成后通常均按樹枝狀方式長大形成樹枝晶體即枝晶。由于臨界晶核的尺寸很小，晶核的大小不能用肉眼看到，在實驗室只能見到正在長大的枝晶，通過直接觀察透明鹽類的結晶過程可了解樹枝晶體的形成過程。實驗過程：在玻璃片上滴上一滴近飽和的硝酸銀溶液，在硝酸銀的水溶液中放入一小段細銅絲，銅將開始溶解，而銀則沉淀出來，在生物顯微鏡下觀察銀的枝晶的生長過程。結晶第一階段是在液滴的最外層形成一圈細小的等軸晶體，結晶的第二階段是形成較為粗大的柱狀晶體，其成長的方向是伸向液滴的中心，這是由于此時液滴的蒸發(fā)已比較慢，而且液滴的飽和順序也是由外向里，最外層的細小等軸晶只有少數的位向有利于向中心生長，因此形成了比較粗大的、帶有方向性的柱狀晶。結晶的第三階段是在液滴的中心部分形成不同位向的等軸枝晶。這是由于液滴的中心此時也變得較薄，蒸發(fā)也較快，同時溶液的補給也不足，因此可以看到明顯的等軸晶體。（二）焊接接頭宏觀分析將試樣在砂紙上打磨至焊縫區(qū)無明顯劃痕，且表面光亮無其他物質粘附。用脫脂棉在焊縫處反復擦拭，觀察焊接接頭的結晶組織方向，以及焊接接頭中是否存在氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。四、實驗組織運行要求1、實驗前，先認真閱讀實驗指導書的內容，并明確本次實驗的目的和要求。2、觀察并畫出硝酸銀枝晶形態(tài)示意圖。3、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。4、分組集中進行，每組二十人左右，由指導老師首先講解有關實驗原理和實驗方法，然后學生分頭實驗