金相檢驗(yàn)-焊接接頭的金相檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

焊接接頭的金相檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜そ鹣嘣嚇拥闹苽溥^(guò)程，了解顯微鏡和其他金相試樣加工設(shè)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(guān)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(jī)理。討論焊接接頭組織與性能的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原理2.1金相制備進(jìn)行金相分析，首先應(yīng)根據(jù)各種檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定制備試樣（即金相試樣），若金相試樣制備不當(dāng)，在觀察上出現(xiàn)劃痕、凹坑、水跡、變形層或浸蝕過(guò)深過(guò)淺都會(huì)影響正確的分析，從而得出錯(cuò)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(wú)痕的鏡面，然后經(jīng)過(guò)浸蝕分析組織形態(tài)。金相試樣制備過(guò)程一般包括五步：取樣粗磨細(xì)磨拋光浸蝕1．取樣從需要檢測(cè)的金屬材料和零件上截取試樣稱為“取樣”。尺寸直徑、邊長(zhǎng)：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(lái)的試樣，形狀很不規(guī)則，必須經(jīng)過(guò)粗磨，修整為規(guī)則形狀的試樣。目的磨平：無(wú)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(shí)去掉切割時(shí)產(chǎn)生的變形層，必須進(jìn)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(xì)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(jìn)行細(xì)磨。細(xì)磨可分為手工磨和機(jī)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(xì)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(hào)磨至05號(hào)（或06號(hào)）。砂紙磨光表面變形層消除過(guò)程如圖1所示。表1常用金相砂紙的規(guī)格砂紙序號(hào)24030040060080010001200粒度1602002804006008001000編號(hào)01（選一種）0203040506圖1砂紙磨光表面變形層消除過(guò)程示意圖（a）嚴(yán)重變形層（b）變形較大層（c）變形微小層（d）無(wú)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(xì)磨后遺留在磨面上的細(xì)微磨痕，得到光亮無(wú)痕的鏡面。拋光的方法有機(jī)械拋光、電解拋光物化學(xué)拋光三種，其中最常用的是機(jī)械拋光。a概念：機(jī)械拋光是在拋光機(jī)上進(jìn)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(dòng)開關(guān)使拋光盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)行拋光。機(jī)械拋光與細(xì)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(shí)，拋光織物纖維帶動(dòng)稀疏分布的極微細(xì)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(lái)，但是要分析金相組織還必須進(jìn)行浸蝕。b方法：浸蝕法：利用浸蝕劑對(duì)試樣的化學(xué)溶解和電化學(xué)浸蝕作用將組織顯露出來(lái)（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(shí)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(guò)多的水和酒精，迅速用吹風(fēng)機(jī)吹干，完成整個(gè)制備試樣的過(guò)程。c原理：純金屬（或單相均勻固溶體）的浸蝕基本上為化學(xué)溶解過(guò)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(chǎng)下觀察，可以看到一個(gè)個(gè)晶粒被晶界（黑色網(wǎng)絡(luò)）隔開。如浸蝕較深，還可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)晶粒明暗程度不同的現(xiàn)象，這是因?yàn)槊總€(gè)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(shí)，如發(fā)現(xiàn)表面變形層嚴(yán)重影響組織的清晰度時(shí)，可采取反復(fù)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(xué)原理圖金相顯微鏡光學(xué)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(dú)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(diǎn)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(gè)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(zhǎng)λ，可用下式表示：d=λ/(2A)式中：λ表示入射光線的波長(zhǎng)；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(gè)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(jí)電壓（6～8V）來(lái)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(chǎng)光欄以及另一個(gè)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(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦手輪，兩者在同一部位。隨粗調(diào)手輪6的轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐載物臺(tái)的彎臂作上下運(yùn)動(dòng)。在粗調(diào)手輪的一側(cè)有制動(dòng)裝置，用以固定調(diào)焦正確后載物臺(tái)的位置。微調(diào)手輪5使顯微鏡本題沿著劃軌緩慢移動(dòng)。在右側(cè)手輪上刻有分度格，每一格表示物鏡座上下微動(dòng)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(dòng)升降范圍，當(dāng)旋到極限位置時(shí)，微動(dòng)手輪就會(huì)自動(dòng)被限制，此時(shí)，不能再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而應(yīng)該倒轉(zhuǎn)來(lái)使用。c載物臺(tái)：用來(lái)放置金相試樣，載物臺(tái)和下面托盤之間有導(dǎo)軌，用手推動(dòng)可使載物臺(tái)在水平面上作一定范圍的十字定向移動(dòng)，以改變?cè)嚇拥挠^察部位。d孔徑光欄和視場(chǎng)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(xì)，以保證物像達(dá)到清晰的程度。視場(chǎng)光欄設(shè)在物鏡支架下面，其作用是控制視場(chǎng)范圍，使目鏡中視場(chǎng)明亮而無(wú)陰影。在刻有直紋的套圈上還有兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，用來(lái)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(gè)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(gè)物鏡鏡頭進(jìn)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(jìn)行金相攝影。

3．顯微鏡操作和注意事項(xiàng)

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(guò)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(tái)中心，將觀察面朝下并用彈簧片壓住。4）轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪先將載物臺(tái)下降，同時(shí)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(dòng)粗調(diào)手輪，使載物臺(tái)漸漸上升以調(diào)節(jié)焦距，當(dāng)視場(chǎng)亮度增強(qiáng)時(shí)，再改用微調(diào)手輪調(diào)節(jié)，直到物像變清晰。5）適當(dāng)調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場(chǎng)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(guò)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(gè)晶粒開始的。因結(jié)晶使各個(gè)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(zhǎng)，最終呈柱狀晶，如圖4（a）所示。在結(jié)晶過(guò)程中，低熔點(diǎn)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(xué)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(xì)小，其力學(xué)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(shí)，首先珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，隨著溫度的進(jìn)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(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。焊接加熱時(shí)由于時(shí)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(guò)重結(jié)晶的細(xì)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(xué)性能稍差。圖8為20鋼焊接接頭組織全貌。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(biāo)尺測(cè)量各種焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)的寬度，測(cè)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(cè)平臺(tái)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(duì)該顯微鏡的光欄、焦距等進(jìn)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(guò)調(diào)整立式金相顯微鏡的觀測(cè)平臺(tái)，緩慢將金相試樣從焊縫區(qū)向母材區(qū)移動(dòng)，觀察焊接接頭不同區(qū)域的金相組織變化。仔細(xì)觀察焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、不完全相變區(qū)等五個(gè)區(qū)域的金相組織，對(duì)照相關(guān)金相組織照片，仔細(xì)分辨各區(qū)域金相組織的典型特征。對(duì)存在焊接裂紋的試樣，仔細(xì)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求