金相检验焊接接头的金相检验实验指导书

金相检验焊接接头的金相检验实验指

导书

焊接接头的金相检验实验指导书

一、实验目的

1.熟悉金相试样的制备过程，了解显微镜和其它金相试样

加工设备的使用。

2.观察典型焊接接头的宏观组织，理解焊接接头的焊缝

区、熔合线、热影响区等不同宏观组织之间的关系。

3.观察焊接接头的显微组织，理解焊缝区和热影响区显微

组织的分布和特征，了解焊接缺陷的形成机理。

4.讨论焊接接头组织与性能的关系。

二、实验原理

2.1金相制备

进行金相分析，首先应根据各种检验标准和规定制备试样（即金相试样），若金相试样制备不当，在观察上出现划痕、凹坑、水迹、变形层或浸蚀过深过浅都会影响正确的分

倒角：在不影响观察目的的前提下，需将试样上的棱角磨掉，以免划破砂纸和抛光织物。

种）

图1 砂纸磨光表面变形层消除过程示意图（a）严重变形层（b）变形较大层（c）变形微小层（d）无变形原始组织；1、2、3、4分别是第一步、第二步、第三步、第四步磨光后试样表面的变形层。

4．抛光

抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕，得到光亮无痕的镜面。抛光的方法有机械抛光、电解抛光物化学抛光三种，其中最常见的是机械抛光。

a概念：机械抛光是在抛光机上进行，将抛光织物（粗抛常见帆布，精抛常见毛呢）用水浸湿、铺平、绷紧用固定在抛光盘上。启动开关使抛光盘逆时针转动，将适量的抛光液（氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液）滴洒在盘上即可进行抛光。机械抛光与细磨本质上都是借助磨料尖角锐利的刃部，切去试样表面隆起的部分，抛光时，抛光织物纤维带动稀疏分布的极微细的磨料颗粒产生磨削作用，将试样抛光。

5．浸蚀

a意义：抛光后的试样在金相显微镜下观察，只能看到光亮的磨面，如果有划痕、水迹或扔料中的非金属夹杂物、石墨以及裂纹等也能够看出来，可是要分析金相组织还必须进行浸蚀。

浸蚀法：利用浸蚀剂对试样的化学溶解和电Array化学浸蚀作用将组织显露出来（如

图）。

擦蚀法：用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦拭抛光

面，观察表面颜色的变化。待试样

表面被浸蚀得略显灰暗时即刻取

出，用流水冲洗后在浸蚀面上滴些

酒精，再用滤纸吸去过多的水和酒

精，迅速用吹风机吹干，完成整个

制备试样的过程。

c原理：

纯金属（或单相均匀固溶体）的浸蚀基本上为化学溶

解过程。位于晶界处的原子和晶粒内部原子相比，自由能较

高，稳定性较差，故易受浸蚀形成凹沟，晶粒内部被浸蚀程

度较轻，大致上仍保持原抛光平面。在明场下观察，能够看

到一个个晶粒被晶界（黑色网络）隔开。如浸蚀较深，还能

够发现各个晶粒明暗程度不同的现象，这是因为每个晶粒原

子排列的位向不同，浸蚀后，以最密排面为主的外露面与原抛光面之间倾斜程度不同的缘故。

浸蚀后的试样在显微镜下观察时，如发现表面变形层严重影响组织的清晰度时，可采取重复抛光、浸蚀的办法去除变形层。

2.2 显微镜的使用

1．基本原理

图2-5 金相显微镜光学原理图

金相显微镜光学原理图如图2-5所示。

a显微镜的放大倍数：显微镜的放大倍数等于物镜和目镜单独放大倍数的乘积，即物镜放大倍数为M物，目镜放

大倍数为M目，显微镜放大倍数为M=M物*M目。物镜和目镜的放大倍数刻在嵌套圈上，例如10X、20X、45X分别表示放大10倍、20倍、45倍。 b显微镜的鉴别率：显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力，d值越小，鉴别率越高。鉴别率是显微镜的一个重要的性能，它决定于物镜数值孔径A和所用的光线波长λ，可用下式表示：d=λ/(2A) 式中：λ表示入射光线的波长；A表示物镜的数值孔径。λ越小，A越大，则d越小。

c物镜数值孔径：物镜数值孔径表示物镜的聚光能力，其大小为A=n*sinα式中：n表示物镜与试样之间介质的折射率；α表示物镜孔径角的一半。N越大或α角越大，A越大。 2．显微镜的构造

图2 金相显微镜构

金相显微镜构造如图2所示。

a照明系统：在底座内有一个低压（6～8V，15V）的灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6～

8V）来改变灯光的亮度。聚光灯、孔径光栏以及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏以及另一个聚光镜则安装在支架上，它们构成了显微镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。

b显微镜调焦装置：在显微镜的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。随粗调手轮6的转动，支撑载物台的弯臂作上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮5使显微镜本题沿着划轨缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002毫米。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有两条

白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就会自动被限制，此时，不能再继续旋转而应该倒转来使用。

c载物台：用来放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导轨，用手推动可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。

d孔径光栏和视场光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。

e物镜转换器：转换器呈球面形，上有三个螺钉，能够安装不同放大倍数的物镜，旋转转换器能够使各个物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，能够获得各种放大倍数。

f目镜筒：目镜筒呈45度倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还能够将目镜转向90度呈水平状以配合照相装置进行金相摄影。

3．显微镜操作和注意事项

金相显微镜的使用规程：

1）首先将显微镜的光源插头插到变压器上，经过低压（6～8V）变压器接通电源。

2）根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并将转换器转至固定位置。

3）将试样放在试样台中心，将观察面朝下并用弹簧片压住。

4）转动粗调手轮先将载物台下降，同时用眼睛观察，使物镜尽可能的接近试样表面（可是不要相碰），然后相反方向转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时，再改用微调手轮调节，直到物像变清晰。

5）适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物像。

2.3 焊接接头

图3 低碳钢焊接接头的组织变化示意图

1-熔合区；2-过热区；3-正火区；4-部分相变区1．焊缝金属

焊缝金属结晶是从熔池底壁上许多未熔化的半个晶粒开始的。因结晶使各个方向冷却速度不同，垂直于熔合线方向

冷却速度最大，因此晶粒由垂直于熔合线向熔池中心生长，最终呈柱状晶，如图4（a）所示。在结晶过程中，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析，集中在焊缝中心，将影响焊缝金属的力学性能，如图4（b）所示。图5为20钢焊缝区组织图。

(a) (b)

图4 焊缝金属结晶示意图

(a)焊缝的柱状树枝晶 (b) 焊缝金属偏析

图5 20钢焊缝组织图图图6 20钢过热区组织2．热影响区

热影响区是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织与性能变化的区域。各种不同的焊接方法和焊接时输入热量的多少，使热影响区区域的大小也有所不同。在热影响区，由于各点的热循环不同，热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

（1）熔合区是焊缝和基本金属的交界区，其最高加热温度处于固相线和液相线之间的区域。由于该区域温度高，基体金属部分熔化，因此也称为“半熔化区”。熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化金属体因温度过高而形成粗晶粒。此区域在显微镜下一般为2~3个晶粒的宽度，有时难以辨认。该区域虽然很窄，但强度、塑性和韧性都下降；同时此处接头断面变化较大，将引起应力集中，很大程度上决定着焊接接头的性能。此区域见图3中的1区所示。

（2）过热区是热影响区中最高加热温度在1100℃以上至固相线温度区间的区域，见图3中的2区所示。该区域在焊接时，由于加热温度高，奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因此也称“粗晶粒区”。冷却以后形成粗大的过热区组织，先共析的铁素体从奥氏体晶界上呈针片状析出并向晶内生长，这种先共析针片状铁素体加珠光体这种组织称为魏氏体组织如图6所示。图6为20钢过热区组织。在大热输入的电弧焊、气焊、电渣焊的条件下，经常出现魏氏体组织。因此使该区域的塑性和韧性大大降低，冲击韧性约下降25%~75%。对淬透性好的钢材，过热区冷却后得到淬火马氏体，脆性更大。因此过热影响区中力学性能最差的部位。

（3）正火区是指热影响区中加热温度在A3~1100℃之间的区间，见图3中的3区所示。该区温度虽较高，但加热时间较短，晶粒不容易长大。焊后空冷，金属将发生重结

晶，得到晶粒较细的正火组织，因此该区域称为正火区，也称为细晶区或重结晶区。该区的组织比退火（或轧制）状态的母材组织细小，其力学性能优于母材。图7为20钢正火区组织。

图7 20钢正火区组织图图8 20钢焊接接头组织全貌

（4）部分相变区是指热影响区中加热温度在A1~A3

之间的区域，如图3中的4区所示。焊接加热时，首先珠光体向奥氏体转变，随着温度的进一步升高，部分铁素体逐步向奥氏体中溶解，温度愈高，溶入愈多，至A3时，全部转变为奥氏体。焊接加热时由于时间较短，该区只有部分铁素体溶入奥氏体。焊后空冷，该区域得到由经过重结晶的细小铁素体和珠光体与未经重结晶的铁素体组成不均匀组织。因此该区也称为不完全重结晶区。该区由于组织不均匀，力学性能稍差。

图8为20钢焊接接头组织全貌。

三、实验设备及化学用品

1.XJL—02A型立式金相显微镜

2.手锯、砂纸

3.硝酸酒精滤纸脱脂棉等

四、实验内容

4.焊接接头宏观分析

1）用眼或低倍放大镜观察焊接接头的波纹、余高、缺陷等外观形状。

2）用游标尺测量各种焊接接头的焊缝、热影响区的宽度，测量部分焊接接头的焊缝深度。

3）观察各种焊接接头的结晶组织方向，以及焊接接头中是否存在气孔、裂纹、夹渣、未焊透等缺陷。

5.焊接接头显微组织分析

1）用普通金相试片制作方法，将焊接接头横断面磨制成显微金相试样，用 5 %的硝酸酒精溶液腐蚀试

样。

2）将金相试样平稳放置在立式金相显微镜的观测平台上；根据试样观察要求，选用放大倍数合适的物镜

及目镜；对该显微镜的光栏、焦距等进行调整，使

观察图像清晰。

3）首先找到焊接接头的焊缝区，然后经过调整立式金相显微镜的观测平台，缓慢将金相试样从焊缝区向

母材区移动，观察焊接接头不同区域的金相组织变

化。

4）仔细观察焊接接头的焊缝区、熔合区、过热区、正火区、不完全相变区等五个区域的金相组织，对照

相关金相组织照片，仔细分辨各区域金相组织的典

型特征。

5）对存在焊接裂纹的试样，仔细观察裂纹所在的部位、走向，以及裂纹周围的金相组织特征。

五、实验报告要求

1. 绘制出焊接接头的宏观形貌示意图，并注明焊缝宽度

（深度）、热影响区宽度、焊缝堆高、焊缝波纹等的尺寸；并加以分析说明。

2. 绘制出焊接接头的显微组织形貌示意图，并将焊缝区、

熔合区、过热区、正火区、不完全相变区等五个区域的金相组织用金相组织示意图描绘，并说明各区域的组织特点，分析其产生的原因。

3.分析讨论焊接接头的组织与性能之间的关系。

兰州工业学院指导教师：王文科