焊接接头的金相分析

实验⼀焊接接头的⾦相分析⼀、实验⽬的

1.初步掌握焊接接头⾦相试样的制备⽅法。

2.了解低碳钢、管线钢焊接接头各区域⾦相组织及分布特点。⼆、实验内容

1.⾃制低碳钢焊接接头试样，观察与分析其⾦相组织。

2.对实验室制备好的低碳钢、管线钢试样进⾏⾦相组织观察、分析和⽐对。三、实验原理

⾦属材料焊接成型的过程中，焊接接头的各区域经受了不同的热循环过程，因⽽所获得的组织也有很⼤的差异，从⽽导致机械性能的变化。对焊接接头进⾏⾦相分析，是对接头性能进⾏分析和鉴定的⼀个重要⼿段，它在科研和⽣产中已得到了⼴泛的应⽤。焊接接头的⾦相分析包括宏观和显微分析两⽅⾯。

宏观分析的主要内容为：⽤⾁眼、放⼤镜、或低倍显微镜（＜100×）观察与分析焊缝成形、焊缝⾦属结晶⽅向和宏观缺陷等。图1-1是在50倍显微镜下所观察到的焊接接头的宏观照⽚：

图1-1 焊接接头的宏观照⽚ 50X

显微分析是借助于光学显微镜或电⼦显微镜（＞100×）进⾏观察、分析焊缝的结晶形态、焊接热影响区的组织、分布特点以及微观缺陷等。

焊接接头由焊缝⾦属、焊接热影响区及母材等三部分组成。焊缝⾦属的结晶形态及焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关，也和所使⽤的焊接材料及被焊材料有密切的关系。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联接。联接处的母材和焊缝⾦属具有交互结晶的特征，图1-2为母材和焊缝⾦属交互结晶的⽰意图。

图1-2 母材和焊缝⾦属的交互结晶

由图可见，焊缝⾦属与联接处的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，晶粒的成长会被抑制，这就是所谓的选择长⼤，并形成焊缝中的柱状晶。

2.不易淬⽕钢焊接热影响区⾦属的组织变化

不易淬⽕钢包括低碳钢和热轧、正⽕低合⾦钢等。以低碳钢为例，根据其焊接热影响区的组织特征可分为四个区域，如图1-3所⽰：

图1-3 低碳钢焊接接头的组织变化① 熔合区

熔合区处于焊缝⾦属与母材相邻的熔合线附近，⼜称半熔化区，温度处于固液相线之间。此区在化学成分和组织性能上都有较⼤的不均匀性，特别是异种⾦属焊接时，这种情况就更为复杂。在靠近母材⼀侧的⾦属组织处于过热状态，塑

性很差。在各种熔化焊条件下，这个区的范围都很窄，甚⾄在显微镜下也很难分辨出来，但对焊接接头的强度、塑性都有很⼤的影响。在许多情况下熔合区是产⽣裂纹、局部脆性破坏的发源地，因此引起了普遍的重视。熔合区的组织如图1-4所⽰。② 过热区（粗晶粒区）

此区的⾦属处于过热状态，过热区的温度范围是处在固相线以下到1100℃左右，在这样⾼的温度下，奥⽒体晶粒发⽣严重的长⼤现象，冷却之后获得晶粒粗⼤的过热组织。在⽓焊和电渣焊条件下，甚⾄可得到魏⽒组织（如图1-5所⽰）。该区的塑性很低，尤其是冲击韧性通常要降低20～30%。因此，焊接刚度较⼤的结构时，常在过热区产⽣裂纹。过热区的⼤⼩与焊接⽅法、焊接规范和母材的板厚等有关。⽓焊和电渣焊时过热区⽐较宽，⼿弧焊和埋弧⾃动焊时过热区较窄，⽽真空电⼦束焊接时过热区⼏乎不存在。过热区的组织如图1-6所⽰。③ 正⽕区（细晶区）⾦属被加热到Ac3

以上稍⾼的温度，⾦属将发⽣重结晶（即铁素体和珠光体全部转变成为奥⽒体），然后在空⽓中冷却就会使⾦属晶粒得到均匀⽽细⼩的铁素体和珠光体，如图1-7所⽰。该组织相当于热处理时的正⽕组织，故⼜称为正⽕区或细晶区，此区的温度范围约在A3

～1000℃之间。

④ 部分相交区（不完全重结晶区）焊接时处于Ac1～Ac3

之间范围的热影响区就是不完全重结晶区。对于低碳钢

和某些低合⾦钢，焊接时，由铁碳平衡相图可知，当⾦属加热温度稍⾼于Ac1，

⾸先珠光体转变为奥⽒体。温度升⾼时，部分铁素体逐步向奥⽒体中溶解，温度越⾼，溶解得越多，直⾄Ac3

时铁素体全部溶解在奥⽒体中。当冷却时⼜从奥⽒体中析出细微的铁素体，⼀直冷却⾄Ar1

时，剩余的奥⽒体就转变为共析组织——珠光体。由此看出，处于Ac1～Ac3

范围内的铁素体只有⼀部分组织发⽣了相变重

结晶，另⼀部分始终未溶⼊奥⽒体⽽发⽣长⼤，成为粗⼤的铁素体组织。所以，这个区域的组织是不均匀的，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。由于晶粒⼤⼩不同，因此材料性能也不均匀。不完全重结晶区的组织如图1-8所⽰。3.管线钢的焊接接头组织分析

管线钢主要是指⽤于焊接输送⽯油、天然⽓的⼤⼝径钢管⽤热轧卷板或宽厚板。现代管线钢属于低碳或超低碳的微合⾦化钢，是⾼技术含量和⾼附加值的产品。管线钢在使⽤过程中，除要求具有较⾼的耐压强度外，还要求具有较⾼的低温韧性和优良的焊接性能。随着长距离输油管线的⼤量投⼊使⽤，研究分析管线钢的焊接接头显得尤为重要。

由于管线钢的低碳或超低碳微合⾦化，它的焊接接头的组织变化仍然属于前⾯讨论的范畴，同样存在熔合区、过热区、正⽕区和不完全重结晶区。图1-9～图1-12所⽰为X80级管线钢焊接接头的组织变化图。

图1-9 熔合区

图1-10 过热区

图1-11 正⽕区

图1-12 不完全重结晶区四、实验材料及设备

1.⾦相显微镜、抛光机、吹风机等。

2.⾦相砂纸、4%硝酸酒精溶液、⽆⽔⼄醇、脱脂棉、镊⼦、放⼤镜等。3.低碳钢、低合⾦钢、管线钢的焊接接头试样若⼲。五、实验⽅法和步骤1.试样的制备

①将焊接接头试样⽤砂布和各号⾦相砂纸按照由粗到细的顺序依次研磨，注意每次换砂纸前要⽤⽔冲洗试样，以免粗砂粒带到细砂纸上；②将磨制好的试样在抛光机上抛光，再⽤⽔冲洗⼲净并⽤⽆⽔⼄醇棉球擦拭⼲净；

③将试样⽤4%的硝酸酒精溶液浸蚀，然后⽴即⽤清⽔冲洗并⽤⽆⽔⼄醇棉球擦拭⼲净，⽤吹风机吹⼲。2.试样的观察

① ⽤放⼤镜观察焊接接头试样的外形、鳞⽚、枝状晶等；

②⽤⾦相显微镜观察试样的焊缝和热影响区各区域组织，绘制各区域组织⽰意图。

六、实验报告要求1.实验数据整理

① 绘制焊接接头的宏观图形。包括焊缝形状、鳞⽚、枝状晶及其成长⽅向，并简单说明相互关系。

② 绘制⾃已制作的低碳钢焊接接头焊缝、热影响区各区域的显微组织⽰意图，注明试样制作条件、放⼤倍数等。2.实验结果分析

说明各区域组织的⽣成机理及其对焊接接头性能的影响。七、思考题

1.低碳钢焊接接头热影响区的粗晶区中能否出现马⽒体组织？2.低碳钢焊接接头在什么条件下会出现魏⽒体组织？