实验指导书
《材料连接原理》
实验一 焊接接头金相分析
一、实验目的：
1、观察硝酸银的枝晶形态；
2、观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷；
3、观察典型焊接接头的纤维组织的分布及其特征，了解焊接接头的焊缝区、熔合线、热影响区及母材等各种典型结晶形态；
二、实验概述：
手工电弧焊的焊接过程如图2-1所示。当电弧在焊条与焊件之间引燃后，电弧热使焊件（与电弧接触部分）及焊条末端融化，熔化的焊件和焊条（以熔滴形式下落）形成共同的金属熔池。焊条外面的药皮受热熔化并发生分解反应，产生液态熔渣和大量气体。液态熔渣包围着熔滴，当其进入金属熔池后，因其比重小而浮在熔池表面。所产生的气体则包围在电弧和熔池周围。
图2-1 手工电弧焊过程示意图
1、焊条芯 2、焊条药皮 3、液态熔渣 4、固态渣壳
5、气体 6、金属熔滴 7、熔池 8、焊缝 9、工件
焊条因不断熔化下滴而应连续向下送进，以保持一定的电弧长度。同时，焊条还应沿焊接方向前进。当电弧离开熔池后，被熔渣覆盖的熔化金属就缓慢冷却凝固成焊缝金属，液态熔渣也凝固成固态熔壳。在电弧移达的下方，又形成新的熔池及其上的液态熔渣，以后又凝固成新的焊缝金属和渣壳。上述过程继续进行下去，只至整个焊缝被焊完为止。从而形成一条连续的焊缝金属。
在焊接过程中，由于焊接接头各部分经受了不同的热循环，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组织分析，是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。
焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。
宏观分析的主要内容为：观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。
显微分析的主要内容为：借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析焊缝的结晶形态，焊接热影响区金属的组织变化，焊接接头的微观缺陷等。
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，而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。
（一）焊缝凝固时的结晶形态
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2-2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，晶粒的成长会被竭止，这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶形态。
图2-2 焊缝金属
（二）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，16Mn、15MnTi、15MnV等低合金钢。现以20号钢为例，根据其焊接热影响区金属的组织特征，可以分为5个区域，如图2-3所示。
图2-3 低碳钢焊接接头组织变化图
1、熔合区 2、过热区 3、正火区 4、部分相变区 5、再结晶区
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合区。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（约1350～1450℃）。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、过热
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。因此，焊接钢度较大的结构时，常在过热区产生裂纹。
3、正火区（重结晶区）
该区加热温度在Ac3~1100℃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Ac3，奥氏体晶粒尚未长大，冷却后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，因此，该区是热影响区中组织和性能最好的区域。
4、部分相变区（不完全重结晶区）
焊接时，加热温度在Ac1~Ac3之间（约750～900℃）的金属区域为不完全重结晶区。当低碳钢的加热温度超过Ac1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，直到Ac3时，铁素体将全部溶解在奥氏体中。焊后冷却时，又从奥氏体中析出细小的铁素体，一直冷却到Ar1时，残余的奥氏体就转变为共析组织－珠光体。由次可看出，次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，因此，该区域金属的组织是不均匀的，晶粒大小也不一致，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。
5、母材（再结晶区）
当母材为热轧状态供应的钢材时，则该区组织仍保留原始的带状组织特征，如果焊前母材为冷轧状态供应的钢材，则在加热温度为Ac1以下的金属中还存在一个再结晶区。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晶粒在再结晶温度作用下重新排列的过程。
三、实验原理、方法和手段
（一）盐（硝酸银）枝晶形成
盐和金属均为晶体。由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。不论盐的结晶或金属的结晶都遵循形核和核的长大规律。形核又分为均匀形核和非均匀形核。通常情况下，由于外来杂质、容器或模壁等的影响，一般都是非均匀形核。晶核形成后通常均按树枝状方式长大形成树枝晶体即枝晶。
由于临界晶核的尺寸很小，晶核的大小不能用肉眼看到，在实验室只能见到正在长大的枝晶，通过直接观察透明盐类的结晶过程可了解树枝晶体的形成过程。
实验过程：在玻璃片上滴上一滴近饱和的硝酸银溶液，在硝酸银的水溶液中放入一小段细铜丝，铜将开始溶解，而银则沉淀出来，在生物显微镜下观察银的枝晶的生长过程。结晶第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体，结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的、带有方向性的柱状晶。结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中心此时也变得较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的等轴晶体。
（二）焊接接头宏观分析
将试样在砂纸上打磨至焊缝区无明显划痕，且表面光亮无其他物质粘附。用脱脂棉在焊缝处反复擦拭，观察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、夹渣等缺陷。
四、实验组织运行要求
1、实验前，先认真阅读实验指导书的内容，并明确本次实验的目的和要求。
2、观察并画出硝酸银枝晶形态示意图。
3、观察并画出焊接接头的宏观组织示意图，观察焊接缺陷形态及部位。
4、分组集中进行，每组二十人左右，由指导老师首先讲解有关实验原理和实验方法，然后学生分头实验。要求学生做课前预习并做实验记录，实验结束后撰写实验报告。
五、实验条件
1、硝酸银、砂纸、硝酸、脱脂棉等；
2、金相显微镜、生物显微镜；
3、焊接接头试样一套。
六、实验报告要求
1、简述实验目的、实验内容；
2、画出硝酸银晶体结晶过程及焊缝宏观示意图、对焊缝区各区域加以分析，并说明各区域的组织特点以及其产生的原因。
第二篇：焊接接头组织金相分析
实验一 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、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 若干
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 Co、 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Co、结晶速度（或晶粒长大速度）R和温度梯度G有关。图2为Co、R和G对结晶形态的影响。由图可见，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。
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
不易淬火钢包括低碳钢、16Mn等低合金钢。若以A3碳钢为例，根据其焊接热影响区金属的组织特征，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。
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、实验方法与步骤
（一）低碳钢焊接接头的金相分析
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，仔细辩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下表中。
低碳钢焊接接头各区域的组织及宽度
兰州理工大学学生实验报告
学院---------------------------------------
实验室-------------------------------------
课程名称----------------------------------
实验类型---------------------------------
实验名称----------------------------------
学生名称----------------------------------
学生学号----------------------------------
实验日期----------------------------------
指导教师----------------------------------
一：实验目的
二：实验装置及实验材料
三：实验原理
四、绘制焊缝和热影响各区域组织示意图
1、焊缝：
a.接近母材处 b.树枝晶 c.焊缝顶部（最后结晶区）
2、HAZ
a.熔合区 b.粗晶区 c.细晶区 d.母材
五、思考题
1、低碳钢（A3）焊接热影响区的粗晶区，会不会出现魏氏体组织？说明原因。
2、焊缝组织是否有可能全部是等轴晶？为什么？
3、焊接热影响区组织与焊前母材的状态有什么关系