焊缝组织观察及分析.ppt
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焊缝组织观察及分析王运玲实验目的观察焊缝宏观组织,观察焊缝,热影响区及母材金属的显微组织;了解焊缝金相检验方法。
实验概述焊接工艺一种引用极为广泛的热加工成型工艺。
在现代船舶、石油、化工、电力、机械制造、桥梁和国防工程上,许多产品都使用焊接结构。
为了仔细分析焊缝金属组织和检查焊缝质量,除了外部检查法、机械性能试验、射线和射线透视法、电弧检查法以及水压试验等方法外,金相分析方法是一个重要的、占有突出地位的手段之一。
一般把焊缝组织划分宏观组织和微观组织,因此焊缝接头的金相检验一般也分为宏观分析和显微分析两种。
焊接接头的宏观组织可分为三个部分:
(1)中心焊缝区;
(2)靠近焊缝的热影响区(3)母材金属。
实验概述焊接接头的显微组织
(一)焊缝区的重复显微组织在显微镜下观察,焊缝凝固后的组织主要特征之一是形成柱状晶。
其生长有明显的方向性,与散热最快的方向一致,即垂直于熔合线向焊缝中心发展。
对于常用的焊接结构钢(低碳钢)从液态向固态的一次结晶形成柱状晶奥氏体,然后进一步冷至室温还要经历二次结晶过程,呈柱状晶的奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和珠光体。
由于含碳较低,由先共析体素体沿奥氏体晶界析出,把原奥氏体的柱状晶轮廓勾画出来,也称为柱状铁素体。
柱状铁素体十分粗大,其间隙中为少量珠光体,往往成魏氏组织形态。
若为多层焊接,焊缝二次结晶组织变为细小铁素体加少量珠光体。
这是由于后一层焊缝相对前一层焊缝进行加热,使其发生相变再结晶,从而柱状晶消失,形成细小的等轴晶。
合金钢二次结晶的组织,则受到合金元素和焊接条件的影响而会出现不同的组织一般焊缝中合金元素较多,淬透性较好或冷却速度加快时出现贝氏体-马氏体组织。
实验概述
(二)热影响区的显微组织受焊接过程热循环(加热和冷却)的作用焊缝附近的热影响区相当于经历了“特殊的热处理”过程一样。
焊缝及热影响区各部分由于离焊池距离不同而被加热到不同的温度,焊后冷却时又以不同的冷速冷却下来,因此使该区的组织变得复杂。
由于焊缝周围的金属导热作用,焊缝和热影响的冷却速度很快,有时可达淬火的程度。
冷却速度受材料的导热性、板厚和接头形状及钢板在焊前初始温度(包括环境温度或预热温度)等因素的影响。
钢板尺寸越大,冷却越快,钢板初始温度越高(预热),冷速越慢。
用于焊接的结构钢可分为两类:
一类是低碳钢和普通低合金钢如20钢、A3钢16Mn15MnTi等,另一类是中碳钢和调质合金钢等。
前者叫不易淬火钢,后者叫易淬火钢。
实验概述不易淬火钢的热影响区组织图8-1为焊接热影响区和铁碳相图之间的关系。
以此来分析20钢焊接热影响区的组织变化。
组织发生显著变化热影响区分为四个区域。
(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。
(3)正火区(细晶粒区)即相变重结晶区,加热温度范围AC3-Tks之间,约为900-1100,全部为奥氏体,空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织,相当于热处理中的正火组织,故又称正火区。
(4)部分相变区,即不完全重结晶区,加热温度AC1-AC3,约750-900,钢被加热奥氏体+部分铁素体区域,冷却后的组织为细小铁素体+珠光体+部分大块未变化的铁素体,晶粒大小不均匀。
实验概述图8-1焊接热影响区和铁碳相图的关系a-热影响区的组织示意图;b-铁碳相图实验概述易淬火钢的热影响区组织这类钢具有高的淬透性,易获得马氏体组织。
易淬火钢的热影响区各部分的组织划分如图8-2所示。
(1)淬火区加热到AC3以上温度(相当于不易淬火钢的过热区+正火区),焊后冷却时很容易获得淬火组织,故叫淬火区靠近焊缝处为粗大马氏体,而相当于正火区这部分组织为细小马氏体,而相当于正火区这部分组织为细小马氏体或马氏体+粒状贝氏体混合组织。
(2)不完全淬火区加热到AC1-AC3之间,铁素体几乎不变,珠光体转变为奥氏体,冷却后得到铁素体+马氏体。
如果含碳量和合金元素不高或冷却速度不大,这部分奥氏体也可能转变为索氏体或珠光体。
(3)回火区加热低于AC1温度时,焊前母材为退火状态时,组织不发生变化:
焊前母材为淬火状态时,随该区被加热的温度不同,得到不同的回火组织:
回火索氏体、回火屈氏体、回火马氏体。
焊前母材为调质状态,该区低于调质回火温度无组织变化。
实验概述图8-2易淬火钢和不易淬火钢的热影响区组织1-过热区;2-正火区;3-部分相变区;4未受影响区;5.淬火区;6.部分淬火区;7.回火区实验概述焊接接头的缺陷在焊接过程中,由于材质和焊接工艺不当等因素,焊接接头会产生各种缺陷,主要有裂纹气孔、夹渣、未焊透等。
裂缝是焊缝接头中危害最大的一种缺陷,所以这里着重分析各种裂缝的形成及特征。
裂缝按尺寸的大小可分为:
宏观裂缝和显微裂缝。
用肉眼能见到的裂缝,在一切产品中均不允许存在;显微裂缝只能在显微镜下才能看到的裂缝。
现代的焊接技术,存在250微米的焊缝是不可避免的。
这类焊缝尺寸之要小于该材料裂缝的临界尺寸,通常是允许的,但对于长期受疲劳载荷或存在应力腐蚀的场合,这类裂纹发生缓慢扩展,到临界尺寸后大致脆性破坏。
按裂纹形成温度范围有可分为热裂缝和冷裂缝。
热裂缝是指凝固温度到Ar3以前所产生裂缝。
常见裂缝区有时也出现于热影响区其特征:
(1)沿晶界开裂,故又称晶界裂缝。
在焊缝中沿一次结晶晶界,热影响区的热裂缝沿奥氏体晶界。
(2)当裂缝贯穿表面,与外界空气相通时,热裂缝表面呈氧化色彩。
冷裂缝是指焊接金属在Ac3以下温度冷却过程中和冷却以后所产生裂缝,其中最常见的是和氢有关的裂缝称为氢脆裂缝(或氢裂缝),其特征:
(1)多发生在热影响区的熔合线与过热区;
(2)冷裂纹多为穿晶裂纹,氢脆严重者为沿晶断裂;(3)显微裂纹常是断断续续的延伸;(4)不一定在焊接时就产生,常常延迟带几小时、几天、几周甚至更长时间以后发生,逐渐出现,越来越多。
这种延迟裂纹具有更大的危害性。
实验内容及步骤取一焊接接头试样:
仔细观察并画出焊接接头宏观组织,分析形成原因:
仔细观察焊接接头不同区域显微组织变化,画出各区典型组织示意图;结合自己的试样和其他同学的试样,比较不同钢种,不同焊接条件下组织的变化。
实验报告要求实验目的画出观察到的焊缝及热影响区各部分的组织示意图,并注明名称、状态、腐蚀剂、放大倍数、组织组成物。
焊缝组织讨论联系焊接过程分析焊缝组织形成特点;结合本次实验材料讨论不易淬火钢和易淬火钢特征;讨论焊接条件对焊接头组织的影响。
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