实验一 低碳钢熔化焊焊接接头组织分析
一、实验目的
1. 观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷
2. 观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态 3. 掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 4. 测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度
二、实验概述
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1-2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，如图1-3（a）所示。
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图1-2 焊缝金属的交互结晶示意图
（a）
（b）
（c）
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（d）
（e）
（f）
图1-3 20号钢焊接接头金相组织（200×）
（a）焊缝的焊态组织；（b）熔合区的焊态组织；（c）过热区焊态组织； （d）正火区焊态组织；（e）部分相变区焊态组织；（f）焊态母材组织
（二）不易淬火钢焊接热影响区金属的组织变化
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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1-4所示。
图1-4 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，如图1-3（b）所示。
2. 过热区
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。因此，焊接钢度较大的结构时，常在过热区产生裂纹，过热区的显微组织如图1-3(c)所示。
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
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和性能最好的区域，如图1-3(d)。
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，如图1-3(e)所示。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，如图1-3(f)所示。
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。
熔合区组织：图左为焊缝，图右为母材过热区。片状与块状先共析铁素体沿过热区粗大奥氏体晶界析出，晶内有大量魏氏组织铁素体与一定量粒状贝氏体，基体为珠光体（黑色与灰暗色）
热影响区组织（正火加热区）：晶粒细化，铁素体与珠光体混合分布，略呈带状分布
热影响区组织：粗块铁素体与珠光体呈带状分布
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