【精品】焊接接头的金相分析材料成型原理

焊缝接头组织的金相观察分析一、实验目的1、认识焊缝区和热影响区各区段的组织特征。

2、了解焊缝金相检验方法和焊接接头的形成过程3、掌握焊接组织对性能的影响二、实验原理焊接是工业生产中用来连接金属材料的重要加工方法。

根据工艺特点不同，焊接方法又分为许多种，其中熔化焊应用得最广泛。

熔化焊的实质就是利用能量高度集中的热源，将被焊金属和填充材料快速熔化，热后冷却结晶而形成牢固接头。

由于熔化焊过程的这一特点，不仅焊缝区的金属组织与母材组织不一样，而且靠近焊缝区的母材组织也要发生变化。

这部分靠近焊缝且组织发生了变化的金属称为热影响区。

热影响区内，和焊缝距离不一样的金属由于在焊接过程中所达到的最高温度和冷却速度不一样，相当于经受了不同规范的热处理，因而最终组织也不一样。

根据组织和性能区别，焊接接头分为焊接区和焊接影响区。

焊缝区，是熔池泠凝后为铸态组织，在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶形成的柱状晶组织，焊缝金属的性能一般不低于母材性能，但易产生裂纹。

以低碳钢为例，根据热影响区内各区段在焊接过程中所达到的最高温度范围，依次分为熔合区（固相线一液相线），过热区（1100℃——固相线）；完全正火区（AC3——1100℃）；不完全旺火区（AC1～AC3）。

对易淬火钢而言，还会出现淬火组织。

热影响区如图所示如图所示（1）熔合区即融合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处在固相线附近与液相线之间，金属处于局部熔化状肪，晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织。

这段区域很窄（0.1-1mm）,金相观察实际上很难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响，往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地。

（2）过热区（粗晶粒区）加热温度范围Tks-Tm(Tks为开始晶粒急剧长大温度，Tm 为熔点)，当加热至1100℃以上至熔点，奥氏体晶粒急剧长大，尤其在1300℃以上，奥氏体晶粒急剧粗化，焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织，塑性、韧性降低，使接头处易出现裂纹。

实验3焊接接头组织金相分析、实验目的三、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。

1、焊缝的交互结晶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。

、实验装置及实验材料1、 粗细金相砂纸，从180目一 1200目2、 平板玻璃3、 低碳钢焊接接头试片4、 金相显微镜5、 抛光机6、 电吹风机7、 4%硝酸酒精溶液，无水乙醇、脱脂棉 等8、 典型金相照片（或幻灯照片）一套 一块 一个 若干 图1焊缝金属的交互结晶示意图 （一）焊缝凝固时的结晶形态e/vT图2 C 。

、 R 和G 对结晶形态的影响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 O、结晶速度（或晶粒长大速度）R和温度梯度G有关。

图2为C O、R和G对结晶形态的影响。

由图2可见，当结晶速度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。

12试验与研究焊接技术第42卷第6期2013年6月文章编号：1002—025X(2013)06—0012-03Q235钢摩擦叠焊单元成形焊接接头金相组织分析高辉，焦向东，周灿丰，陈家庆(北京石油化丁学院能源丁程先进连接技术研究巾，L、，北京102617)摘要：针对Q235钢开展了摩擦叠焊单元成形焊接试验并对在主轴转速5ooo r／r a i n．塞棒进给速度O．3nl l n]s条件下的焊接接头的显微组织和显微组织硬度进行了测试．分析了摩擦叠焊单元成形焊接接头中不同位置的金相组织结构与摩擦焊接过程中温度和压力之间的关系．以及接头中不同位置处显微组织硬度存在差异的原因该研究对Q235钢摩擦叠焊焊接工艺参数的研究及提高焊接接头的质量具有一定的指导意义关键词：Q235铜；摩擦叠埠：金相鲴织中图分类号：T G456．5文献标志码：B摩擦叠焊属于一种新型的同相连接技术，因其焊接过程中不采用电弧加热的形式，焊接接头的质量受环境压力变化影响较小，特别适合于水下作业，尤其是深水结构物的修复。

德国G K SS，英国T W l 以及巴两石油公司分别于2003年、2008年前后针对钢材料进行了摩擦叠焊设备及焊接T．艺的详细试验研究，．摩擦叠焊作为一种较新的焊接T艺，目前国内对其焊接设备和焊接T艺的研究尚处于试验窒阶段-．本文针对Q235钢开展了摩擦叠焊单元成形焊收稿日期：2012一l2—05基金项目：同家自然基金青年基金(51109005)接试验并对焊接T-艺参数为5000r／rai n，0．3m m／s 条件下的焊接接头的金相显微组织和显微组织硬度进行了测试，分析了焊接接头不同位置金相组织及显微组织硬度存在较大差异的原因，该研究对Q235钢摩擦叠焊焊接T艺参数的研究具有一定的指导意义1摩擦叠焊单元成形试验摩擦叠焊焊接过程如图l所示，其焊缝由多个单元焊接叠加而成。

因此，对于摩擦叠焊而言，能够获得质量良好的单元成形接头是焊缝成形质量保-4"-”+一+一+一-4．-一-4-”-4--”-4--一-4--一+一+一+一+--4．-一-4-一—_卜一—卜一-4-一+一+一+--4--—卜一-4--—P一-+-一—+r-—卜一+一+--4-一—+一一-4-一-4'-一+*—卜-—+一一-at-一—+一一—+-一-4---—-卜-——卜一—卜一—+一--+-一-4-由于脉冲焊维弧时间相对连续焊的时间短．因而焊接时输入的能量相对连续焊更少，焊接热输人小．所以焊接热影响区的尺寸相对更小：3结论(1)脉冲焊焊接接头组织较连续焊更为均匀．产生魏氏组织较少。

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。

实验十二焊接接头金相组织分析一、实验目的1、熟悉焊接热影响区的组织分布特征及金相显微镜的使用方法；2、掌握焊接接头的分区组成；3、了解焊接参数对焊接接头显微组织的影响；二、实验原理焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区（HAZ）三部分组成，其组织特征存在明显差异。

熔合区是焊接接头中焊缝向母材HAZ过渡的区域，由半熔化区与未混合区两部分组成，熔合区的构成及附近各区的相对位置如图1所示。

图1 熔合区的构成示意图1-焊缝区（富焊条成分）; 2-焊缝区（富母材成分）; 3-半熔化区; 4-HAZ; 5-熔合区焊缝是由熔池金属结晶凝固形成的，由于熔池金属冷却速度快且在运动状态下结晶，因此形成的组织为非平衡组织。

多数情况下晶体从熔合区半熔化的晶粒上以柱状晶形态向焊缝中心生长，具有联生结晶的特点。

焊接工艺参数对凝固形态影响较大，不同工艺条件下，焊缝中心可能是柱状晶组织，也可能出现等轴晶组织。

焊缝金属凝固时的结晶形态见图2。

HAZ是指在焊接热源作用下焊缝外侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域。

由于焊接时HAZ上各点距离焊缝的远近不同，各点所经历的焊接热循环不同，因此整个HAZ的组织和性能分布是不均匀的。

HAZ的组织分布与钢的种类、不同部位的加热最高温度有关。

对于焊后空冷条件下不易形成马氏体的不易淬火钢，焊接HAZ包括过热区、正火区和不完全重结晶区。

过热区的峰值温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度，相应区域组织粗大；正火区的峰值温度在A c3以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内，加热时发生完全奥氏体相变，冷却后组织由细小的铁素体和珠光体组成；不完全重结晶区的峰值温度处于A c1～A c3之间，加热时发生奥氏体相变的组织冷却时转变为细小的铁素体和珠光体，未发生相变的铁素体继续长大成为粗大的铁素体，晶粒大小和组织不均匀。

三、实验设备及材料1、金相显微镜及图像采集系统。

2、20＃钢焊接接头的金相试样。

四、实验内容及步骤1、焊接接头试样制备尺寸为200×75mm的20＃钢板2块，清除表面的氧化物和铁锈，进行脱水和脱脂处理；按照规定规范烘干E4303焊条；沿试板表面中心线用直径 3.2mm图2 焊缝金属的结晶形态焊条堆焊出长125±10mm的焊缝，1号试板采用150A电流，2号试板采用200A电流；焊后静止空气中自然冷却，不进行任何热处理；在室温下采用机械加工方法垂直切割焊缝，然后在断面上取金相观察试样，切割时注意加强冷却；2、金相试样的预磨、抛光与浸湿参照实验五中的相关内容；3、小电流焊接接头的组织观察低倍观察焊接接头组织，寻找熔合线，然后高倍放大观察熔合区的组织特点；观察焊缝联生结晶的特点，并由熔合区开始向焊缝中心推移，观察焊缝组织的变化规律；观察HAZ的分区组织特点，利用图像采集系统记录过热区、正火区、不完全重结晶区的组织，并与母材的进行对比，分别在100×，200×，500×下拍摄金相组织照片。

兰州理工大学材料科学与工程学院《材料成型原理》实验指导书（铸造、焊接、金压）2０0６.3．１5实验一铸造合金流动性的测定一、概述液态合金充填铸型型腔获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力称为液态合金的充型能力.它受合金性质、铸型性质、浇注条件和铸件结构四方面因素的影响.流动性是指液态合金本身充填铸型的能力。

流动性好的合金,出于其充型能力强，因而容易充满型腔,有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件。

流动性差的合金，充型能力就差,容易使铸件产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。

因此，流动性是铸造合金重要的铸造性能之一。

二、测试方法流动性测试是将液态合金浇入专门设计的流动性试样沟道(型腔）中,以其停止流动时获得的长度作为流动性指标:也可以用试样尖端或织薄部分被充填的程度作为流动性指标。

后者旨在研究液态合金充填型腔细薄部分及棱兔的能力。

由于流动性的测定是在特定的铸型条件、浇注条件和试样沟道中进行的，所以,测定时必须稳定上述条件，才一能保证测试结果有较好的再现性和精确度.铸造合金种类繁多（铸铁、铸钢、有色合金、高温合金等等）,各种合金的物理及热物理性质千差万别;所研究问题的侧重点又不尽相同。

因此，流动性试样的类型很多，其中,绝大多数采用重力浇注方法，个别采用真空吸铸；沟道大多做成直棒形或弯曲成一定形状(如螺旋线形）。

试样铸型大多为砂型和金属型，偶尔采用石墨型。

下面介绍几种常用或结构特殊的流动性试样。

1、螺旋线形螺旋线形应用最为广泛，目前已被建议为标准方法。

螺旋线形流动性试样见图：5-４。

螺旋线形试样以采用阿基米德螺旋线和渐开线为多见．按内浇口位置又可分为内流式与外流式,内流式结构简单，造型万使,坦由子流道袖辜运新增人，局韶祖力损失随流程的增大而增大，再加上沿捏沮力损失,将使液态合金的流动条件的变化较大。

外流式的结构较复杂，但局部蛆力损失渐趋减少。

沿程阻力损失逐渐增大，结果，流动“件“变化较小，测定结果的精确度较高。

由于铸型和浇注条件在每次测试由很难保持一致，特别是浇注时压头（浇注速度、流量等）的波动对测试结果的影响很大.因此,采用这种试样取得满意结果的关键,在于稳定金属压头.目前，主要采取改进浇注系统结构，使浇注时金属压头尽可能稳定的措施来提高测试的精确度。

焊接接头的金属间化合物分析与评估焊接是一种常见的金属连接方式，通过热能将金属部件熔化并使其冷却后凝固，从而形成一个坚固的连接。

然而，焊接接头中的金属与基材之间常常会形成一种特殊的物质，即金属间化合物。

本文将对焊接接头中的金属间化合物进行分析与评估。

一、金属间化合物的形成机制焊接过程中，熔池中的金属与基材相互扩散，并发生化合反应，形成金属间化合物。

这种化合物的形成机制主要有以下几点：1. 扩散机制：焊接过程中金属离子在熔池中通过扩散聚集，与基材中的金属发生反应，形成金属间化合物。

2. 形核机制：焊接过程中，金属离子到达接头界面时，由于过饱和度高而形成过饱和团簇，然后发生核化反应，形成金属间化合物。

3. 相变机制：焊接过程中，金属由于温度变化引起相变，形成新的晶体结构以及金属间化合物。

二、金属间化合物的性质与影响焊接接头中的金属间化合物具有以下性质：1. 高硬度：金属间化合物通常具有较高的硬度，这是由于其晶格结构的特殊排列所致。

2. 脆性：金属间化合物通常具有较高的脆性，这是由于其晶格结构中存在较多的晶体缺陷所致。

3. 化学稳定性：金属间化合物通常具有较好的化学稳定性，能够抵抗腐蚀和氧化等环境因素的侵蚀。

金属间化合物对焊接接头的性能有着重要的影响：1. 强度：金属间化合物的形成可以增强焊接接头的强度，提高其抗拉强度与抗剪强度。

2. 脆性：金属间化合物的脆性特性可能导致焊接接头在受力时易发生开裂或断裂。

3. 耐腐蚀性：金属间化合物的化学稳定性能够提高焊接接头的耐腐蚀性，使其具有更长的使用寿命。

三、金属间化合物的分析方法为了准确评估焊接接头中的金属间化合物，需要采用适当的分析方法。

以下是常用的金属间化合物分析方法：1. 金相显微镜观察：通过金相显微镜观察焊接接头的横截面，可以清晰地分辨金属间化合物与母材的区别。

2. X射线衍射：利用X射线衍射技术可以得出金属间化合物的晶体结构以及其相对含量。

3. 扫描电子显微镜（SEM-EDS）：结合扫描电子显微镜和能谱分析技术，可以获得金属间化合物的形貌和元素组成。