实验3焊接冶金学焊接接头组织金相分析

实验3 焊接接头组织⾦相分析⼀、实验⽬的

1、观察与分析焊缝的各种典型结晶形态。2、掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化。⼆、实验装置及实验材料

1、粗细⾦相砂纸，从180⽬⼀1200⽬⼀套2、平板玻璃⼀块3、低碳钢焊接接头试⽚4、⾦相显微镜⼀台5、抛光机⼀台6、电吹风机⼀个

7、 4％硝酸酒精溶液，⽆⽔⼄醇、脱脂棉等若⼲8、典型⾦相照⽚(或幻灯照⽚)三、实验原理

焊接过程中，焊接接头各部分经历了不同热循环，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分析，是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。

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，也和所⽤的焊接材料和被焊材料有密切关系。

图1 焊缝⾦属的交互结晶⽰意图图2 C o、R和G对结晶形态的影响（⼀）焊缝凝固时的结晶形态1、焊缝的交互结晶

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1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，晶粒的成长会被遏⽌。这就是所谓选择长⼤，并形成焊缝中的柱状晶。

2、焊缝的结晶形态

根据浓度过冷的结晶理论，合⾦的结晶形态与溶质的浓度C、结晶速度（或晶粒长o

、R和G对结晶形态的影响。由图2可见，当⼤速度）R和温度梯度G有关。图2为Co

结晶速度R和温度梯度G不变时，随着⾦属中溶质浓度的提⾼，浓度过冷增加，从⽽使⾦属的结晶形态由平⾯晶变为胞状晶，胞状树枝晶，树枝状晶及等轴晶。

当合⾦成分⼀定时，结晶速度越快，浓度过冷越⼤，结晶形态由平⾯晶发展到胞状晶、树枝状晶，最后为等轴晶。

当合⾦成分C。和结晶速度R⼀定时，随着温度梯度G的升⾼，浓度过冷将减⼩，因⽽结晶形态会由等轴晶变为树技晶，直⾄平⾯晶。

随着晶粒的成长，熔池中晶粒界⾯前的浓度过冷和温度梯度也随着发⽣变化。因⽽，熔池全部凝固以后，各处将会出现不同的结晶形态。在焊接熔池的熔化边界上，温度梯度G较⼤，结晶速度R很⼩，因此此处的浓度过冷最⼩，随着焊接熔池的结晶，温度涕度G由熔⽐边界处直到焊缝中⼼逐渐变⼩，熔池的结晶速度却逐渐增⼤，到焊缝中⼼处，温度梯度最⼩，结晶速度最⼤，故浓度过冷最⼤。

由上述分析可知，焊缝中结晶形态的变化，由熔合区直到焊缝中⼼，依次为：平⾯晶，胞状晶，树枝状晶，等轴晶。在实际的焊缝⾦属中，由于被焊⾦属的成分、板厚、接头形式和熔池的散热条件不同，⼀般不具有上述的全部结晶形态。当焊缝⾦属成分不甚复杂时，熔合区将出现平⾯晶或胞状晶。当焊缝⾦属中合⾦元素较多时，熔合区的结晶形态往往是胞状树枝晶（或树枝状晶），焊缝⾦属中⼼则为等轴晶。

焊缝的结晶形态除了受被焊⾦属成分的影响外、还与焊接速度、焊接电流、板厚和接头形式等⼯艺因素有关。（⼆）不易淬⽕钢焊接热影响区⾦属的组织变化

焊接接头的组织直接影响焊接接头的整体⼒学性能。在焊接热源的⾼温作⽤下，被焊的局部母材和填充材料经过熔化和凝固形成焊缝（WM）；未发⽣熔化但受到焊接热影响的母材形成热影响区（HAZ）；⽽介于焊缝与热影响区之间的过渡区为熔合区。由于焊接接头各组成区域所经历的焊接热作⽤不同，因⽽形成不同的微观组织，甚⾄产⽣焊接缺陷，从⽽影响整个接头的⼒学性能。因此，研究接头各区的组织特征对于提⾼接头性能具有重要的指导意义。不易淬⽕钢包括低碳钢、16Mn等低合⾦钢。若以A碳钢为例，根据其焊接热影响区3

⾦属的组织特征，可以分为四个区域（如图3所⽰）。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化区。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。在⼀般熔化焊的情况下，此区仅有2-3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。2、粗晶区

该区的加热温度范围为1100-1350℃。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。

图3 A3碳钢焊接热影响区⾦属的组织3、细晶区

此区加热温度在900℃-1100℃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900℃，奥⽒体晶尚未长⼤，冷却将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。4、不完全重结晶区

焊接时，加热温度在750-900℃之间的⾦属区域为不完全重结晶区。当低碳钢的加热温度超过750℃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，直⾄900℃，铁素体将全部溶解在奥⽒体中间。焊后冷却时⼜从奥⽒体中析出细⼩的铁素体，⼀直冷却了750℃时，残余的残⽒体就转变为共析组织⼀⼀珠光体。由此看出，此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，所以该区域⾦属的组织是不均匀的，晶粒⼤⼩不⼀，⼀部分是经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。由于组织不均匀，因⽽机械性能也不均匀。

如果焊前母材为冷轧状态，则在温度为750℃以下的⾦属中，还存在⼀个结晶区。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粒再在结晶温度作⽤下重新排列的过程。四、实验内容

⽤⾦相显微镜观察20钢、45钢和16Mn钢试件，以及含裂纹和多层焊试件。观察时注意分辨各种组织的形态，HAZ各区的特点、冷裂纹和热裂纹的特点、多层焊焊缝和HAZ组织变化特点，参见图4.

（a）

（b）（c）

（d）（e）

图4 20钢焊接接头⾦相组织

（（a）接头组织；（b）过热区的魏⽒组织；（五、实验⽅法与步骤

（⼀）低碳钢焊接接头的⾦相分析

c）相变重结晶区（正⽕区）；（d）不完全重结晶区；（e）母材组织）1、将⼰焊好的试件（以结422焊条在150X40X6mm的试件上堆焊），切成25X25mm 的试⽚，然后把试⽚四周⽤砂轮打去⽑刺，并把四个⾓打磨成圆⾓。

2、⽤⾦相砂纸打磨试⽚。必须注意，研磨试⽚的砂纸要由粗到细、依次制作，不要使粗砂粒带到细的砂纸上。试⽚研磨完后，⽤清⽔冲洗，进⾏机械抛光，抛光后再⽤清⽔冲洗试⽚。

3、将抛光好的试⽚，⽤4%的硝酸酒精溶液腐蚀，⼤约经过5-10s左右，⽴即⽤清⽔冲洗，然后⽤⽆⽔⼄醇轻轻擦去⽔分，并⽤吹风机吹⼲。

4、把⼰制备好的试⽚在显微镜下进⾏观察与分析。

分清焊接接头各区域后，仔细辨认各区域组织的特征，在显微镜下，测定焊接热影响区各区域的宽度，把各区的宽度及组织填⼊表。绘制各区域组织⽰意图。六、实验报告

1. 写出实验⽬的、设备、材料和步骤；

2. 画出20钢的HAZ、焊缝和母材组织，并分析试件各区组织的特点；3. 分析45＃钢各区组织的特点。七、思考题

1.焊缝上的HAZ什么情况下出现时效硬化区？

2.焊接低碳钢时，如何消除过热区经常出现的魏⽒组织？