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Ac

3

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A

3

～1000℃之间。

④ 部分相交区（不完全重结晶区）

焊接时处于Ac

1～Ac

3

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Ac

1

，

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Ac

3

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Ar

1

时，剩余的奥氏体就转变为共析组织——

珠光体。由此看出，处于Ac

1～Ac

3

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？