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　　實驗二 低碳鋼熔化焊焊接接頭組織分析

　　一、試驗?zāi)繕?biāo)

　　1、觀察焊接接頭的宏觀組織及焊接缺陷

　　2、觀察焊縫、熱影響區(qū)及母材的各種典范結(jié)晶形態(tài)

　　3、控制低碳鋼焊接接頭各區(qū)域的組織變更

　　4、測定在不同的焊接工藝下熱影響區(qū)的寬度

　　二、實驗概述

　　在焊接過程中，由于焊接接頭各部分經(jīng)受了不同的熱循環(huán)，因而所得組織各異。組織的不同，導(dǎo)致機(jī)械性能的變化。對焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，是對接頭機(jī)械性能鑒定的不可缺乏的環(huán)節(jié)。

　　焊接接頭的金相分析包含宏觀和顯微分析兩個方面。

　　宏觀分析的重要內(nèi)容為：視察與剖析焊縫成型、焊縫金屬結(jié)晶方向和宏觀缺點等。

　　顯微剖析的重要內(nèi)容為：借助于放大100倍以上的光學(xué)金相顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)行察看，剖析焊縫的結(jié)晶形態(tài)，焊接熱影響區(qū)金屬的組織變更，焊接接頭的微觀缺點等。

　　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(jié)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(guān)，而且與所用的焊接資料和被焊資料有親密關(guān)系。

　?。ㄒ唬┖缚p凝固時的結(jié)晶形態(tài)

　　融化焊是通過加熱使被焊金屬的聯(lián)接處到達(dá)熔化狀況，焊縫金屬凝固后實現(xiàn)金屬的焊接。聯(lián)接處的母材和焊縫金屬具有交互結(jié)晶的特點，圖2-2為母材和焊縫金屬交互結(jié)晶的示意圖。由圖可見，焊縫金屬與聯(lián)接處母材具有共同的晶粒，即熔池金屬的結(jié)晶是從熔合區(qū)母材的半融化晶粒上開端向焊縫中心成長的。這種結(jié)晶情勢稱為交互結(jié)晶或聯(lián)生結(jié)晶。當(dāng)晶體Zui易長慷慨向與散熱Zui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)，如圖2-3（a）所示。

　　圖2-2 焊縫金屬的交互結(jié)晶示意圖

　　（a）

　?。╞）

　?。╟）

　　（d）

　?。╡）

　　（f）

　　圖9-3 20號鋼焊接接頭金相組織（200×）

　?。╝）焊縫的焊態(tài)組織；（b）熔合區(qū)的焊態(tài)組織；（c）過熱區(qū)焊態(tài)組織；

　?。╠）正火區(qū)焊態(tài)組織；（e）部分相變區(qū)焊態(tài)組織；（f）焊態(tài)母材組織；

　?。ǘ┎灰状慊痄摵附訜嵊绊憛^(qū)金屬的組織變更

　　不易淬火鋼包含低碳鋼，16Mn、15MnTi、15MnV等低合金鋼。現(xiàn)以20號鋼為例，依據(jù)其焊接熱影響區(qū)金屬的組織特點，可以分為5個區(qū)域，如圖2-4所示。

　　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(jié)晶區(qū)

　　1、熔合區(qū)

　　緊鄰焊縫的母材與焊縫接壤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℃）。在一般融化焊的情形下，此區(qū)僅有2～3個晶粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以識別。但是，它對焊接接頭的強度、塑性都有很大影響，如圖2-3（b）所示。

　　2、過熱區(qū)

　　該區(qū)的加熱溫度范疇為1100～1350℃。由于受熱溫度很高，使奧氏體晶粒產(chǎn)生嚴(yán)重的長大現(xiàn)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。在有的情形下，如氣焊或?qū)釛l件較差時，甚至可獲得魏氏體組織。因此，焊接鋼度較大的構(gòu)造時，常在過熱區(qū)發(fā)生裂紋，過熱區(qū)的顯微組織如圖2-3(c)所示。

　　3、正火區(qū)（重結(jié)晶區(qū)）

　　該區(qū)加熱溫度在Ac3~1100℃之間。在加熱進(jìn)程中，鐵素體和珠光體全體改變?yōu)閵W氏體，即發(fā)生金屬的重結(jié)晶現(xiàn)象。由于加熱溫度稍高于Ac3，奧氏體晶粒尚未長大，冷卻后獲得均勻而渺小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處置時的正火組織，故又稱為正火區(qū)或相變重結(jié)晶區(qū)。該區(qū)的組織比退火（或軋制）狀況的母材組織渺小，因此，該區(qū)是熱影響區(qū)中組織和性能Zui好的區(qū)域，如圖2-3(d)。

　　4、部分相變區(qū)（不完整重結(jié)晶區(qū)）

　　焊接時，加熱溫度在Ac1~Ac3之間（約750～900℃）的金屬區(qū)域為不完整重結(jié)晶區(qū)。當(dāng)?shù)吞间摰募訜釡囟瘸^Ac1時，珠光體先改變?yōu)閵W氏體。溫度進(jìn)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，鐵素體將全體溶解在奧氏體中。焊后冷卻時，又從奧氏體中析出渺小的鐵素體，一直冷卻到Ar1時，殘余的奧氏體就改變?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(jié)晶進(jìn)程，而始終未溶進(jìn)奧氏體的鐵素體，在加熱時會產(chǎn)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(jīng)過重結(jié)晶的晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體，如圖2-3(e)所示。由于組織不均勻，因而機(jī)械性能也不均勻。

　　5、母材（再結(jié)晶區(qū)）

　　當(dāng)母材為熱軋狀況供給的鋼材時，則該區(qū)組織仍保存原始的帶狀組織特點，如圖2-3(f)所示。

　　假如焊前母材為冷軋狀態(tài)供給的鋼材，則在加熱溫度為Ac1以下的金屬中還存在一個再結(jié)晶區(qū)。處于再結(jié)晶區(qū)的金屬，在加熱的過程中將產(chǎn)生金屬的再結(jié)晶進(jìn)程，即經(jīng)過冷變形后的碎晶粒在再結(jié)晶溫度作用下重新排列的過程。

　　熱影響區(qū)組織

　　粗塊鐵素體與珠光體呈帶狀散布

　　熱影響區(qū)組織（正火加熱區(qū)） 晶粒細(xì)化，鐵素體與珠光體混雜散布，略呈帶狀散布，

　　熔合區(qū)組織 圖左為焊縫，圖右為母材過熱區(qū)。片狀與塊狀先共析鐵素體沿過熱區(qū)粗大奧氏體晶界析出，晶內(nèi)有大批魏氏組織鐵素體與必定量粒狀貝氏體，基體為珠光體（玄色與灰暗色）

　　以上是焊接熱影響區(qū)中重要的組織變化區(qū)段，其中以熔合區(qū)和過熱區(qū)對焊接接頭組織性能的不利因素Zui為明顯，因此，在焊接過程中應(yīng)盡可能減少熱影響區(qū)的寬度。焊接熱影響區(qū)的大小受到很多方面的影響，不同的焊接辦法、焊接板厚、焊后冷卻速度等都會使熱影響區(qū)的尺寸發(fā)生變化。表2-1是用不同的焊接方式焊接低碳鋼時焊接熱影響區(qū)的均勻尺寸。

　　表2-1不同的焊接方式焊接低碳鋼時的焊接熱影響區(qū)均勻尺寸

　　焊接方式

　　各區(qū)均勻尺寸

　　總寬

　?。╩m

　　過熱區(qū)

　　正火區(qū)

　　部分相變區(qū)

　　手弧焊

　　2.2～3.0

　　1.5～2.5

　　2.2～3.0

　　6.0～8.5

　　埋弧主動焊

　　0.8～1.2

　　0.8～1.7

　　0.7～1.0

　　2.3～4.0

　　電渣焊

　　18～20

　　5.0～7.0

　　2.0～3.0

　　25～30

　　氣焊

　　21

　　4.0

　　2.0

　　27.0

　　真空電子束焊

　　?

　　－

　?。?

　　0.05～0.75

　　宏觀試樣

　　三、試驗裝備及資料

　　1、 金相顯微鏡、10倍放大鏡

　　2、 有關(guān)金相圖譜

　　3、 A3鋼手弧焊及氣焊接頭宏觀組織試樣及顯微試樣。

　　四、實驗內(nèi)容及步驟

　　1、實驗前，先認(rèn)真瀏覽試驗領(lǐng)導(dǎo)書的內(nèi)容，并明白本次實驗的目標(biāo)和請求。

　　2、觀察并畫出焊接接頭的宏觀組織示意圖，視察焊接缺點形態(tài)及部位。

　　3、觀察并畫出焊接接頭各個區(qū)域典范組織示意圖

　　4、丈量熱影響區(qū)寬度（手弧焊及氣焊）

　　5、準(zhǔn)確地應(yīng)用金相顯微鏡

　　、金相顯微鏡的種類和型式很多，Zui常見的有臺式、立式和臥式三大類。金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)通常由光學(xué)系統(tǒng)、照明體系和機(jī)械體系三大部分組成，有的顯微鏡還附帶有多種功效及攝影裝置。目前，已把顯微鏡與盤算機(jī)及相干的分析系統(tǒng)相連，能更便利、更快捷地進(jìn)行金相分析研討工作(金相實驗互動體系)。

　　以XJB—1（4X）型金相顯微鏡為例：

　　XJB—1（4X）型金相顯微鏡的構(gòu)造

　　1-載物臺；2-物鏡；3-半反光鏡；4-轉(zhuǎn)換器；5－傳動箱；6-微動調(diào)焦手輪； 7－粗動調(diào)焦手輪；8-偏心圈；9-目鏡；10-目鏡管 ；11－固定螺釘；12-調(diào)節(jié)螺釘；13－視場光闌；14-孔徑光闌

　　-

　　．金相顯微鏡的操作步驟：

　　1).將顯微鏡的光源與6伏的變壓器接通，把變壓器與220伏電源接通，并打開開關(guān)。

　　2). 依據(jù)放大倍數(shù)選擇恰當(dāng)?shù)奈镧R和目鏡，用物鏡轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)到固定地位，。

　　3). 把樣品放在載物臺上，使觀察面向下。轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使載物臺降落，在看到物體的象時，再轉(zhuǎn)動微調(diào)焦手輪，直到圖象清楚。

　　4). 載物臺在程度面上作必定范疇內(nèi)的十字定向移動。用于選擇視域。視察試樣時從焊縫向熱影響區(qū)逐步察看。

　　5). 調(diào)節(jié)孔徑光欄至適合地位，得到亮而均勻的照明。

　　6). 調(diào)節(jié)視場光欄使圖象與目鏡視場大小相等，以獲得Zui佳質(zhì)量的圖象。

　　五、注意事項

　　1、拿取金相試樣時，不得用手指觸摸試樣表面或使試樣表面受到硬物擦傷，以免使顯微組織含混，影響察看后果。

　　2、畫組織圖時，應(yīng)捉住組織形態(tài)特色，畫出典范區(qū)域的組織，注意不要將磨痕畫在圖上。


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