焊接工艺学实验

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,焊接工艺学实验,授课教师：余进,Tel:84315776(O),13814036653,办公室：材料系,338,栋,301,室,一、焊接工艺学实验的作用和地位,二、如何上好焊接工艺学实验课？,三、焊接工艺学实验课的安排,四、焊接工艺学实验课的要求,实验绪论及准备知识,二、如何上好焊接工艺学实验课？,1,、每次实验课前要求预习（完成预习报告）,2,、实验中认真操作和记录实验数据，并进行适当数据处理（经过初步处理的实验的原始数据必须有教师签名）,3,、实验完成后要求完成实验报告,4,、按时交实验报告,实验课的安排,1,、每班根据人数分为若干组,2,、每五位同学一组,3,、实验课成绩有两部分组成：,平时表现,(40%),、实验报告,(60%),焊接工艺学实验课的要求,1,、按时到实验室,2,、上课时应注意秩序，不许大声喧哗。,3,、应注意用电安全，化学药品废弃物应放入专用瓶。实验后注意卫生保持及用品的整洁。,主要参考书,1,、中国机械工程学会焊接学会编著,.,焊接金相图谱,.,机械工业出版社,.1987.,实验一,30CrMnSiA,钢焊接接头的金相组织,观察分析,一、实验目的,(,一,),了解,30CrMnSiA,钢焊接热形响区的组织变化规律。,(,二,),熟悉焊接热影响区组织变化与硬度的关系。,二、实验内容,1,掌握,30CrMnSiA,钢的焊接特点。,2,30CrMnSiA,钢焊接接头的金相组织,观察分析,三、实验装置及实验材科,1,粗、细金相砂纸,2,玻璃平板、机械抛光机、抛光粉,3,无水乙醇、,4,硝酸酒精溶液、吹风机、脱脂棉,4,金相显微镜,四、实验原理,(,一,)30CrMnSiA,钢焊接热影响区组织变化特点,(,二,),焊接热影响区域组织与硬度的关系,(,一,)30CrMnSiA,钢焊接热影响区组织变化特点,30CrMnSiA,钢属于中碳调质钢，是淬火倾向较大的钢种。一般情况下，易淬火钢焊接接头热影响区的组织分布与毋材焊接前的热处理状态有关。如果母材焊接前是正火或退火状态，则焊后热影响区的组织仅为以下两个区域：完全淬火区,加热温度超过,Ac3,以上，焊后冷却时出现马氏体、贝氏体、珠光体组织；不完全淬火区,加热温度为,Ac1,Ac3,，焊后冷却时出现马氏体、贝氏体、铁素体组织。如果母材在焊接前处于调质状态，则焊接热影响区除存在上述两个区域以外，还可能有发生不同程度回火处理的区域，称为回火区。回火区为加热温度低于,Ac1,且冷却较慢的区域，它的组织、性能发生变化的程度，取决于焊前调质状态的回火温度。,为了估计焊接热影响区的组织招性能，最好借助于,“,模拟焊接热影响区连续冷却组织转变图,”,即,SH,CCT,图。但是，,SH,CCT,图的建立比较复杂，需要高精度的测试仪表和大量试试验工作，目前仅有少量钢种确立了,SH,CCT,图，因而只好利用一般的连续冷却组织转变图，即,CCT,曲线。对焊接热影响区的组织做粗略估计。图,1(a),为,30CrMnSiA,钢的,CCT,曲线，为了明确曲线各区域的组织及便于比较，也列出了该钢种的恒温转变曲线,(,图,1(b),。图中纵坐标表示强度，横坐标表示时间。标注,1,、,2,、,5,的五条曲线分别是不同冷却速度的曲线。利用它们与,CCT,曲线相交的位置，可以推算冷却后的组织。例如，曲线,1,为图中冷却速度最快的曲线，按曲线,1,冷却后，钢的组织为马氏体十贝氏体组织；同理按曲线,3,冷却后的组织为铁素体十贝氏体十珠光体；按曲线,5,冷却后的组织为铁素体十珠光体。以此类推，只要知道冷却曲线，就可以预知冷却后所得的组织。,根据,30CrMnSiA,钢的,CCT,曲线可以预料焊接热影响区的组织将是几种组织的混晶组织。如果焊接方法不同，则焊接后热影响区的组织也会不同。例如，采用电弧焊时，由于它的热源温度较高，能量较集中，因而出气焊的热循环曲线更陡。相应的冷却速度较快。因此，气焊焊接头的热影响区宽度远远大于电弧焊的热影响区宽度，其中尤以粗晶区差别最大。气焊接头的粗晶区为粗大的贝氏体；且主要为上贝氏体组织；电焊接头的粗晶区中则针状下贝氏体所占比例较大，同时亦有上贝氏体及马氏体。,30CrMnSiA,钢虽为中碳调质钢，但它又是珠光体类钢，因而焊接接头中加热稍超过,Ac3,转变温度的区域，当冷却速度较慢对，并不产生马氏体转变，而为组织细小且均匀的珠光体类组织。该区域与不易淬火钢中的不完全重结晶区相当，其组织为经过相变后组织细化的珠光体和铁素体，以及未发生相变，组织粗大的铁素体。,(,二,),焊接热影响区域组织与硬度的关系,焊接热影响区的组织变化会引起其性能的一系列变化。例如：母材焊前为退火状态或正火状态时，热影响区中的淬火组织使这部分金属的强度增高、塑性降低；当母材焊前为调质状态时，焊接热影响区除了会产生淬火组织时，还有因焊接过程中被重新加热超过焊前回火温度的软化区域。虽然焊接热影响区尺寸不宽，一般仅为几毫米宽，并且焊接热影响区各个区域的尺寸更窄。但热影响区各部分却因具有不同组织，从而具有不同的性能，导致焊接接头工作性能的降低。若用常规的方法，定量地测定热影响区各部分的种种性能，显然是不可能的。但焊接热模拟技术的发展，却为研究焊接热影响区各个微小区域的性能开辟了道路。一般的条件下，还可以利用硬度与强度的相应关系，用热影响区硬度的变化表示性能的变化。硬度的测定简单易行，所需设备通用性强，是金属材料焊接性的常用试验方法之一。硬度测定法除了用于一般鉴定焊接热影响区组织变化与性能的关系外，国际焊接学会还推荐，用热影响区最高硬度试验作为测定金属材料淬硬倾向的判据。,图,2,为合金钢焊接接头硬度分布的曲线，图中曲线,C,，表示母材焊前为退火状态的硬度曲线，曲线,A,、,B,表示母材焊前为淬火加低温回火及高温回火的硬度曲线。由于焊前热处理状态不同，焊接热影响区中软化区的温度范围，以及软化程度会有很大差别。回火温度越低，软化区的温度范围越大，它相对于母材的软化程度也越大。反之，焊接前回火温度越高，软化的温度区间越小，软化程度也越小。,采用不同的焊接方法，所得的焊接热影响区宽度及组织均有差异，因而硬度分布曲线也不同。焊接接头中粗晶区的硬度值略高于气焊接头相应部位的硬度。,五、实验方法及步骤,(,一,),试样的制作,(,二,),观察及测定各区域宽度,(,一,),试样的制作,1,准备合适的,30CrMnSiA,钢试样。,2,试样焊前进行退火处理,(890,保温,1,小时，随炉冷却到室温,),，消除母材中的带状组织。,3,为了防止产生焊接缺陷，待焊接试样必须去除油污及表面氧化物。；,4,将焊接试样切成,50202,5mm,的小块，用砂轮磨平端面并行光试件边缘毛刺,5,制作金相试样。试件经磨制，机械抛光及化学浸蚀,(,浸蚀剂为,4,的硝酸酒精溶液，浸蚀,35s),再冲洗，吹干。,(,二,),观察及测定各区域宽度,在显微镜下仔细观察已制各好的金相试样。首先辩认焊缝区、热影响区以及母材，然后分析及判别焊缝区，热影响区各部分和母材的各种组织：如铁素体、珠光体、索氏体、贝氏体、马氏体等，掌握它们的金相特征，分析不同区域中组织差异的原因。,从焊缝中心向一侧移动试样，记录焊接热影响区各区域的宽度。,六、实验报告要求,1,观察焊接接头的显微组织，并将各区域宽度及组织填入表中。,2,分析,30CrMnSiA,钢,(,退火状态,),焊接接头各区域的组织及硬度分布,七、实验注意事项,试样制备时同组的同学进行配合，应注意操作安全；,2.,试样磨制时需要注意平整度；,思考题,(,一,)30CrMnSiA,钢的焊接热影响淬火区，为什么不是纯马氏体组织,?,(,二,),焊缝的硬度值为什么低于淬火区的硬度值,?,(,三,),同一种易淬火钢，若焊前分别为调质状态和退火状态，焊接条件相同，试问焊后它们的热影响区组织有何异同,?,实验二,不锈钢焊接接头的显微组织观察与分析,一、实验目的,(,一,),观察与分析不锈钢焊接接头的金相组织,(,二,),了解不锈钢焊接接头显微组织特征及产生晶间腐蚀机理,二、实验内容,1,掌握,18-8,钢的焊接特点。,2,18-8,钢焊接接头的显微组织观察与分析。,三、实验装置及实验材科,1,1Crl8Ni9Ti(,或,1Crl8Ni9),钢、吹风机、各号金相砂纸,2,玻璃平板、机械抛光机、抛光粉,3,无水乙醇、丙酮、王水、,10,草酸水溶液、脱脂棉,4,金相显微镜,四、实验原理,晶间腐蚀是沿晶粒边界发生的腐蚀现象。现以,18,8,型奥氏体不锈钢中最适用的含稳定元素的,1Crl8Ni9Ti,钢为例，来讨论晶间腐蚀的问题。,1Crl8Ni9Ti,钢含,0.12C,和,0.8,Ti,，碳在室温奥氏体中的最大溶解度为,0.03,，多余的碳则通过固溶处理与钛结合形成稳定的碳化钛。由于钛对碳的固定作用，避免了在晶界形成碳化铬，从而防止了晶间腐蚀的产生。故,1Crl8Ni9Ti,钢具有抗晶间腐蚀产生的能力。,然而在焊接接头中情况有所不何，奥氏体不锈钢的焊接接头，通常可分为以下几个区域。,(,一,),焊缝金属 主要为柱状树枝晶，是单相奥氏体组织还是,十,双相组织，将取决于母材和填充金属的化学成分。,(,二,),过热区 加热超过,1200,的近缝区，晶粒有明显的长大。,(,三,),敏化区 加热峰值温度在,600,1000,的它的区城，组织无明且变化。对于不含稳定元素的,18,8,钢，可能出现晶界碳化铬的输出，产生贫铬层，有晶间腐蚀倾向。,(,四,),母材金属 对于含稳定元素的,18,8,钢，如,1Crl8Ni9Ti,钢，峰值温度超过,1200,的过热区产生,TiC,分解，合金元素钛和碳分别固溶于奥氏体中。峰值温度愈高，,TiC,分解量愈大，从而使稳定化作用大为减弱，甚至完全消失。在随后的冷却过程中，由于碳原子的体积很小，扩散能 力比铁原子强，碳原于趋于向奥氏体晶界扩散迁移，而钛原子来来不及扩散仍保留在奥氏体点阵节点上。因此，碳原子析集于晶界附近成为过饱和状态。,当上述过热区再次受到,600,一,800,中温敏化加热或长期工作于上述温度范围时，碳原子优先以很快的速度向晶界扩散。此时，铬原子的扩散速度虽比碳原子慢，但比钛原子快，且浓度也远比钛高，因而易于在晶界附近形成铬的碳化物,(,FeCr,)23C6,。温度越高，,TiC,分解后合金元素碳和铬的固溶量越多，碳化物析出量越大。上述碳化物的铬、碳舍量很高，但晶粒内部铬的扩散速度比碳的扩散速度慢。所以在形成铬的碳化物时，富集在晶界的碳，与晶粒表层一个薄层严重缺铬，铬的浓度低于临界值,12,Cr,。此时，奥氏体晶粒内和晶界碳化物由于含铬量高而带正电位，而贫铬层由于含铬量低于,12,而带负电位。如果为这种具备电化学腐蚀条件的焊接接头放入腐蚀介质中，带负电位的贫铬层就会成为被消耗的阳极而遭受腐蚀,。,这样，由于,“,高温过热,”,和,“,中温敏化,”,这两个依次进行的热作用过程，造成了含稳定化元素的,18,8,钢特殊的晶间腐蚀，这种腐蚀只发生在紧靠焊缝的过热区,3,5,个晶粒范围，在工件表面上较宽，向接头内部逐渐变窄，呈刀形，故又称,“,刀蚀,”,。,由此可见，,“,高温过热,”,和,“,中温敏化,”,是产生刀独的必要条件。对于焊接接头，,“,高温过热,”,这一条件是由焊接热作用过程自然形成的。因此只需要进行一次,“,中温敏化,”,处理，就可根据,GB1223,75,标准进行晶间腐蚀试验。,这样，由于,“,高温过热,”,和,“,中温敏化,”,这两个依次进行的热作用过程，造成了含稳定化元素的,18,8,钢特殊的晶间腐蚀，这种腐蚀只发生在紧靠焊缝的过热区,3,5,个晶粒范围，在工件表面上较宽，向接头内部逐渐变窄，呈刀形，故又称,“,刀蚀,”,。,由此可见，,“,高温过热,”,和,“,中温敏化,”,是产生刀独的必要条件。对于焊接接头，,“,高温过热,”,这一条件是由焊接热作用过程自然形成的。因此只需要进行一次,“