材料性能析综合训报告.docx
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材料性能析综合训报告
材料性能分析
综合训练
实
验
报
告
指导老师:
姓名:
学号:
2013年12月20日
目录
1摘要3
2焊接实验3
2.1Q345(16Mn)焊接性分析及焊接方法的选择3
2.2埋弧焊焊接工艺3
2.2.1埋弧焊简介3
2.2.2埋弧焊焊接原理3
2.2.3焊前准备4
2.2.4焊接材料的选择4
2.2.5焊接参数的选择5
2.3埋弧焊焊接焊接过程6
3金相显微试样的制备6
4金相试样显微组织的观察与维氏硬度的测量9
4.1金相试样显微组织的观察过程9
4.2维氏硬度的测量过程9
5实验结果与分析10
5.1焊接接头宏观及微观组织分析10
5.1.1实验原理10
5.1.2焊接接头的宏观组织11
5.1.3焊接接头的微观组织11
5.1.4注意事项15
5.2维氏硬度的测量16
6实验总结17
7参考文献17
1摘要
对Q345钢焊接性分析并制定Q345钢板(板厚δ=16mm)的对接埋弧焊工艺,依照工艺进行埋弧焊;对Q345埋弧焊接头典型部位截取试样,进行金相显微试样的制备;观察显微组织,测量显微维氏硬度,作显微组织和力学性能分析。
2焊接实验
2.1Q345(16Mn)焊接性分析及焊接方法的选择
Q345应用最广用量最大的低合金高强度结构钢,综合性能好,低温冲击韧性,冷冲压性及切削性能均好,屈服强度≥345MPa,抗拉强度≥490Mpa。
国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量公式:
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)
(1)
由
(1)式可计算出Q345碳当量:
CE≈0.35%。
一般认为CE<0.4%的钢材在焊接中基本无淬硬倾向,冷裂敏感性小。
所以Q345拥有良好的焊接性,因此适用于多种焊接方法,本次实验选择焊接性能良好的埋弧焊。
表1Q345的化学成分
牌号
化学成分(质量分数,%)
Q345
C
Si
Mn
Nb
S
P
0.12~0.18
0.55
1.0~1.60
0.015~0.050
0.025~0.045
≤0.050
力学性能
——
/MPa
/MPa
δ/%
冲击/J
HB
——
360
500
23
193
158
2.2埋弧焊焊接工艺
2.2.1埋弧焊简介
埋弧自动焊是指电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的一种自动焊方法,是目前广泛使用的一种高效的机械化焊接方法。
广泛用于锅炉、压力容器、石油化工、船舶、桥梁、冶金及机械制造工业中。
2.2.2埋弧焊焊接原理
埋弧焊的焊接过程:
先送丝,经导电嘴与焊件轻微接触,焊剂堆敷在待焊处,引弧。
随着电弧向前移动,熔池液态金属冷却凝固形成焊缝,液态熔渣冷却而形成渣壳。
焊接时,焊机的启动、引弧、送丝、机头(或焊件)移动等过程全由焊机机械化控制。
图1埋弧焊工作示意图
2.2.3焊前准备
(1)坡口的选择与加工
此次实验所选钢板为16mm厚,采用的是单面堆焊,不开坡口。
(2)焊件的清理
焊接前,必须将焊接部位表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等清楚干净。
方法有手工清除、机械清除等。
(3)焊丝的清理和焊剂的烘干
焊接前,必须将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。
为防止氢侵入焊缝,对焊剂必须严格烘干,而且要求烘干后立即使用。
不同类型的焊剂要求烘干温度不同,这次实验所用焊剂为HJ431,查焊接材料手册知要求250℃、2h烘干。
2.2.4焊接材料的选择
埋弧焊焊剂与焊丝的匹配是获得高质量焊缝的关键,焊丝与焊剂的匹配主要依据以下两方面:
(1)被焊材料的类别及对焊接接头性能的要求
1)在焊接低碳钢和强度等级较低的低合金钢时,应按等强原则选用与母材相匹配的焊接材料;
2)在焊接低合金高强钢时,除要使焊缝与母材等强度外,还要特别注意保证焊缝的塑性和韧度;
3)在焊接耐热钢、低温钢和耐蚀钢时,除了要使焊缝与母材等强度外,还要保证焊缝具有与母材相同或相近的耐热性、耐低温性或耐蚀性;
4)焊接奥氏体或铁素体高合金钢时,主要保证焊缝与母材有相近的化学成分,使焊缝具有与母材相匹配的特殊性能,同时要满足力学性能和抗裂性能等方面的要求。
(2)满足埋弧焊工艺特点的要求
1)稀释率高在进行不开坡口的对接焊缝单道焊或双面焊,以及开坡口的对接焊缝根部焊接时,由于埋弧焊焊缝熔透深度大,母材熔化量大,焊缝稀释率高,使得焊缝成分在很大程度上取决于母材的成分,因此选用合金元素含量低于母材的焊丝焊接;
2)热输入高为了提高接头强度和韧度,在焊接厚板坡口的填充焊道时,应选用合金成分略高于母材的焊丝并配用中性焊剂焊接;
3)焊接速度快在焊速较大时,应选择适宜快速焊的焊剂。
此次选用的为HJ431高锰高硅焊剂和低碳钢焊丝H10Mn2相配合。
相应的化学成分见表2,表3。
表2H10Mn2焊丝标准化学成分(GB/T14957—1994)
牌号
化学成分(质量分数,%)
H10Mn2
C
Si
Mn
Nb
Cr
Ni
S
P
≤0.12
≤0.07
1.50~1.90
0.015~0.050
≤0.2
≤0.3
≤0.040
≤0.040
表3HJ431焊剂的化学成分
焊剂
化学成分(质量分数,%)
HJ431
SiO2
MnO
Al2O3
CaO
MgO
CaF2
FeO
S
P
40~44
34~38
4
6
5~8
3~7
1.8
0.05
0.05
2.2.5焊接参数的选择
由于空载时的焊接参数与焊接过程中的不同,以焊接过程的参数为准。
此次实验所选参数见表4。
表4埋弧焊焊接参数
工件厚度δ/cm
焊丝直径d/cm
焊接电流
I/A
焊接电压
U/V
焊接速度v/m·h-1
16
4
600
37.6
24.9
图2焊接过程的焊接参数
2.3埋弧焊焊接焊接过程
本实验所用的埋弧焊机型号为MZ-1000(A310-1000)。
具体操作步骤如下:
(1)在焊料斗内装上HJ431焊剂;
(2)在焊机上安装H10Mn2焊丝;
(3)将表面清理过并将焊件在工作台上放置好;
(4)合上电源,打开焊机开关,让焊接小车预行走,尽量使焊缝为直线;
(5)按表4设置16mm厚的Q345单面堆焊的焊接参数;
(6)将焊料斗上的闸门打开或者手动填焊剂;
(7)将小车上的按钮由手动调到自动,按下启动按钮,埋弧焊机自动进行引弧和焊接;
(8)在将要焊接结束的时候及时按下停止按钮,结束焊接。
图3Q345钢埋弧焊焊缝成形
3金相显微试样的制备
用金相显微镜来研究金属的显微组织和缺陷的方法称为显微镜分析,显微镜分析能测定金属的晶粒度大小,显示金属的显微组织特征,测定金属的镀层和化学热处理扩散层的深度,鉴定金属中非金属夹杂物和各种缺陷等。
(1)取样
用锯子在焊好的钢板上进行手工截取,宽度在2cm~3cm,为了磨制方便再将长度进行截取,但不可过短,要保留热影响区、母材,否则在后面的金相观察和分析中看不到HAZ和母材。
图4手工锯取样截面图
(2)磨光
将截取的试样在砂轮机上进行粗磨,表面尽量磨平,以尽量消除手工截取时留下的粗大磨痕。
为了后面的打硬度比较方便和准确,将两端尽量都磨平,试样有尖角的地方要磨平。
在砂轮机上进行磨平时,要一边沾水一边磨,以降低磨制面的温度。
选用金相砂纸进行精磨。
金相砂纸是磨光金相试样的重要材料,一般采用的磨料为碳化硅和氧化铝。
手工磨光试样时,砂纸应放在玻璃板上,依次用400号、800号、1000号水砂纸、02、04、06号金相砂纸磨光。
磨制试样时,每换一号砂纸,磨面磨削的方向应与前号砂纸磨制方向垂直,以便于观察磨制面上的划痕磨平情况。
每换一次砂纸的时候要注意观察磨面上是否都是朝一个方向的划痕,如果有不一致的则应该继续在磨,直到磨面的划痕都是朝着磨制方向。
(3)抛光
抛光的目的是去除磨面上的磨痕而获得光滑的镜面。
其方法有机械抛光法、电解抛光和化学抛光,此次实验采用机械抛光。
机械抛光在机械抛光机上进行。
抛光机由电动机带动水平圆盘旋转,盘上铺细帆布和绒布等。
抛光时可以在试样上涂上少许抛光液以便于抛光,抛光时试样要抓紧,但不要压力太大,一直抛到表面明亮如镜。
图5试样主视图图6试样左视图
(4)浸蚀
为了显示试样的显微组织,必须对试样表面进行腐蚀。
金相试样浸蚀的方法有化学浸蚀发、电解浸蚀法和热染法等。
本次实验采用化学浸蚀法,用的浸蚀剂为3%~4%的硝酸酒精溶液。
浸蚀主要是靠浸蚀剂对金属的溶解或电化学腐蚀过程,使金属试样表面的晶粒与晶界及各组成相之间呈现轻微的凹凸不平,在显微镜下可以清楚的观察到试样表面的显微组织及形貌。
浸蚀方法是将试样磨制面浸入浸蚀剂中,或用棉花沾上浸蚀剂擦拭试样磨制表面,浸蚀时间要适当,一般试样磨制面发暗就可以停止了。
经浸蚀后的试样用清水冲洗,然后用酒精擦净,再用吹风机吹干即可。
4金相试样显微组织的观察与维氏硬度的测量
4.1金相试样显微组织的观察过程
图7金相显微镜观察仪器
(1)仪器的开机:
接通总电源,然后向上扳动仪器上的总电源开关,指示灯亮,向上扳动白炽灯开关,指示灯亮,开启相连的电脑。
(2)装上目镜、物镜等(根据要求选择合适倍数的物镜、目镜)。
(3)打开电脑桌面快捷方式进入软件,显示图像。
(4)把试样放在载物台上(试样要经过预磨、抛光、腐蚀)。
(5)调整粗、微调旋钮进行调焦,观察电脑屏幕显示的图像,直至观察到清晰的图像为止。
(6)调整载物台位置,找到关心的视场,调整图像的亮度、对比度,进行金相分析。
(7)对图像进行采集和保存(叠加标尺)。
(8)全部完成后,取下物镜、目镜并收藏好。
(9)仪器的关机:
向下扳动白炽灯开关,指示灯灭。
向下扳动仪器上的总电源开关,指示灯灭。
电脑关机,切断总电源。
4.2维氏硬度的测量过程
采用正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样表面,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕对角线长度。
图8显微维氏硬度测量仪
试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。
维氏硬度值按
(2)式计算:
HV=常数×试验力/压痕表面积≈0.1891F/d2
(2)
式中:
HV——维氏硬度符号;
F——试验力,N;
d——压痕两对角线d1、d2的算术平均值,mm
实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。
国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020~1.400mm
维氏硬度计测量的具体过程如下:
(1)开启电脑和维氏硬度计,打开维氏硬度测量软件。
(2)转动变荷手轮,选择合适的试验力(本实验中设置为2.942N)。
在硬度计下方按键上选择合适的加载时间(本实验中设置为15s)。
(3)在菜单里设置好相关数据及试样材料。
(4)转动转盘,使40X物镜处于前方位置(此时光路系统总放大倍率为400х)。
(5)将试样放在十字试台上,转动升降手轮使试台上升,观察电脑屏幕,当试件离物镜下端1mm左右时,屏幕视场内出现明亮光斑,此时应缓慢上升试台,直至屏幕中观察到试样表面清晰成像。
(6)将压头转至前方位置,转动时应小心缓慢地进行,防止过快产生冲击。
(7)按“启动”键,此时加试验力,键盘上显示“15、14、13、……0秒倒计时,当加载时间重新跳回设定值时,表示加卸试验力结束。
(8)、将40х物镜转到前方,在屏幕中可看到压痕,稍微转动升降手轮将其调到最清楚。
(9)点击电脑屏幕右侧的“图像态”,此时图像中会出现两条红色的竖线,点击鼠标左键将其中一根竖线拖至与菱形横向压痕角相切的位置后,再点击右键将另一根竖线拖至与相对角相切的位置,此时出现确定第一条对角线测量的对话框。
确定后出现出现两条红色的横线,点击鼠标左键将其中一条横线拖至与菱形竖向压痕角相切的位置,再点击鼠标右键将另一根横线拖至与对角相切的位置。
此时出现维氏硬度测量结果。
确认测量结果。
并按照以上步骤进行其他点的测量。
(10)所有硬度点测量结束后,生成测试报告。
5实验结果与分析
5.1焊接接头宏观及微观组织分析
5.1.1实验原理
焊接是一种非常重要的成形工艺方法,有许多产品和零部件都有焊接工艺环节。
对这类产品来讲,焊接质量就决定了产品的寿命,所以在焊接工序之后进行宏观和微观组织检验是非常重要的一个环节。
焊接是局部加热的过程,焊缝及其附近的母材都经历一个加热和冷却的过程,此过程将引起焊接接头组织和性能的变化,从而影响焊接质量。
在焊接加热和冷却过程中,焊接接头各部分经受不同的热循环,主要是最高加热温度、加热速度和冷却速度不同,因而使得焊接接头各区域的组织各异。
组织的不同,将导致力学性能的变化。
所以对焊接接头进行金相分析,是对焊接接头力学性能鉴定不可缺少的环节。
焊接接头的金相分析包括宏观分析和显微分析两个方面。
5.1.2焊接接头的宏观组织
宏观分析主要内容为:
观察与分析焊缝成形、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。
焊接接头的宏观组织可分为:
1.中心为焊缝区;2.熔合区;3.靠近焊缝的是热影响区;4.两边是未受影响的母材区。
此实验的焊缝的宏观现象:
1)焊缝成形表面光滑,波纹细密美观,但表面的气孔较明显;
2)焊缝金属垂直于熔合线的方向结晶,是因为晶粒沿着最大温度梯度方向生长,形成粗大的柱状晶。
图9焊接接头宏观组织
用游标卡尺对Q345钢焊接接头的相关尺寸进行测量。
测量结果如图10所示。
图10焊接接头尺寸示意图
由图10可知,焊缝宽为18.86mm,熔深为6.94mm,余高为2.41mm。
5.1.3焊接接头的微观组织
显微分析主要内容为:
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和焊接接头的微观缺陷等。
钢材焊接后,焊接接头主要由焊缝、熔合区和热影响区组成。
其中焊缝由熔化的母材金属和填充材料金属组成,热影响区是焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
焊缝的组织取决于焊接时达到的最高温度、高温停留时间和随后的冷却速度。
由于从熔化区到母材区的变化是连续发生的,所以热影响区也没有非常明显的分界线。
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。
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、焊接板厚和接头形式等工艺因素有关。
对于Q345钢(非淬硬钢),其组织特征,可分为焊缝、熔合区、过热区、正火区和部分相变区和母材。
大致区域如图11所示。
图11组织示意图
(1)母材
显微组织细密、均匀,Q345钢母材的显微组织为均匀而细小的珠光体和铁素体,并呈带状,如图12所示。
图12母材显微组织
浸蚀剂:
4%的硝酸酒精
(2)焊缝
焊缝金属的显微组织呈柱状晶分布,晶界处为铁素体,晶内为索氏体和铁素体。
冷却时,由于向外散热,故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶,此时,先共析的铁素体沿柱状晶界析出,由于温度较高,且冷速又稍快,因此组织呈过热特征,但随后的冷却过程中,奥氏体因过冷度较大,而转变为索氏体组织。
焊缝晶粒较细,从金像照片看,存在大量树枝晶,焊缝结晶形态由合金浓度、结晶速度、温度梯度、过冷度决定,焊缝结晶为非自发形核,即开始结晶是以熔合线处半熔化状态的母材晶粒为晶核,在焊缝边缘,合金浓度较小,温度梯度大,结晶速度较快,形核后的晶粒以枝晶形式向焊缝中心生长,越到焊缝中心,温度梯度逐渐变小,合金浓度逐渐升高,过冷度逐渐下降,结晶速度逐渐减慢,到焊缝中心时可能出现平面晶,因此,从熔合线至焊缝中心,结晶形态为柱状晶→柱状晶、平面晶共存→平面晶,大多数情况下,焊缝中心不存在平面晶,即焊缝结晶形态为柱状晶→柱状晶、平面晶共存。
图13焊缝显微组织
浸蚀剂:
4%的硝酸酒精
(3)熔合区
焊缝金属和母材之间的过渡区,即半熔化去,称为熔合区。
焊接时,该区金属处于局部熔化状态,加热温度处于固相线与液相线之间。
熔合区在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性,接近母材一侧的金属组织是过热组织,塑性差。
同时又因温度梯度大,所以熔合区是很窄的,一般熔焊的情况下,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,它对强度和塑性都有很大影响。
在许多情况下,熔合区是产生裂纹、局部脆性破坏的发源地。
图14熔合区显微组织(
)
浸蚀剂:
4%的硝酸酒精
(4)焊接热影响区
1)过热区(粗晶区)
该区的加热温度范围为1100℃到固相线之间。
由于受热温度很高,使奥氏体晶粒严重长大,尤其在1300℃以上时晶粒十分粗大,冷却后得到晶粒粗大的过热组织。
此区的塑性大大降低,特别是对冲击韧度的影响尤为显著(通常降低20%~30%),硬度高。
其组织为粗大的铁素体和珠光体。
如在气焊导热条件较差时,甚至可能出现魏氏组织。
如果焊件的刚性很大,则常在此区域产生裂纹。
所以过热区与熔合区一样,都是焊接接头的薄弱环节。
过热区的显微组织如图15所示。
图15过热区显微组织
浸蚀剂:
4%的硝酸酒精
2)正火区(细晶区或相变重结晶区)
此区加热温度在
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。
由于焊接时加热速度很快,在高温下停留时间又短,再则加热温度稍高于
,奥氏体晶粒尚未长大,故该区空冷后,将获得均匀细小的铁素体和珠光体组织,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。
该区是焊接接头中综合力学性能最好的区域,该区域的组织比退火(或轧制)状态的母材组织细小。
正火区显微组织如图16所示。
图16正火区显微组织
浸蚀剂:
4%的硝酸酒精
4)部分相变区(不完全重结晶区)
焊接时,加热温度在
之间的金属区域。
由于加热时间短,同时温度处于
范围内,该区只有部分铁素体溶入奥氏体中发生了相变重结晶过程,成为晶粒细小的铁素体和珠光体。
而未溶的铁素体则晶粒长大,变成粗大的铁素体组织。
所以此区域只有部分组织发生相变重结晶,该区域金属的组织不均匀,晶粒大小不一,一部分是晶粒细小的铁素体和珠光体,另一部分是粗大的铁素体。
由于该区组织不均匀,因此力学性能也不均匀。
不完全重结晶区的显微组织如图17所示。
图17部分相变区显微组织
浸蚀剂:
4%的硝酸酒精
5.1.4注意事项
(1)严格按照金相显微镜的使用要求操作,在旋转粗调或微调手轮时动作要慢,碰到某种阻碍时应立即停止操作,报告指导老师查找原因,不得用力强行转动,否则会损坏机件。
(2)试样磨面严禁手指直接接触,倘若不小心碰到,可用酒精擦拭。
若出现划痕,应重新抛光,再浸蚀。
5.2维氏硬度的测量
采用正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样表面,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕对角线长度。
如图18所示。
图18试样表面压痕
显微硬度测试点的分布如图19所示,按照从母材到焊缝中心再到另一侧母材的顺序,依次测量硬度。
得到不同硬度数据,经过绘图如图所示。
图19焊接接头硬度分布图
此次实验采用2.942N(300gf)大小的力,保荷时间为15s。
从硬度值的测量结果可以看到热影响区的硬度值是比较大的,并且硬度值不均匀。
过热粗晶区的韧性要比焊缝和母材都低,这就是由于该区存在粗大的魏氏组织导致。
之后的相变重结晶区,因为相当于正火,获得的组织是细致均匀的,拥有较好的力学性能,韧性和强度都较高。
不完全重结晶区由于存在粗大的F,组织不均匀,所以韧性较低,并且硬度值也有起伏。
6实验总结
这次的材料性能分析综合训练中,我对Q345钢板从焊接工艺的制定到实际埋弧焊焊接操作,以及之后的显微组织、硬度分析的过程有了一个比较全面的了解和学习,尤其对埋弧焊和金相显微组织的分析有了更深的学习。
在整个过程中,我不断地发现问题、解决问题,不断地学习和感悟,从中学到很多知识,受益匪浅。
在查阅书籍的过程中,我也在不断地学习,进步。
在课堂上学习这方面的时候总是存在一些困惑,经过这次综合分析训练,在实际操作中学到了很多。
实践和理论知识的联系使我对所学的想东西有了更深层次的理解,也激发了我对这方面更大的兴趣,在这过程中我体会到很多乐趣,我会继续努力,不断的学习这方面的知识。
注意事项:
1、在埋弧焊焊接过程中要注意用电安全,操作要符合规范。
2、在进行金相显微试样的制备时,要注意砂轮机的使用安全。
3、在维氏硬度的测量过程中,在切换物镜和压头的过程中要小心谨慎,防止损坏压头和物镜。
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