《材料焊接性》實驗指導書

1、材料焊接性實驗指導書目 錄實驗一：低合金結構鋼焊接性試驗1實驗二：低合金結構鋼焊接接頭顯微組織和冷裂紋形態(tài)的觀察3實驗三：鑄鐵焊接5實驗一 低合金結構鋼焊接性試驗一、實驗目的1、初步了解低合金結構鋼焊接性試驗方法。2、掌握斜Y坡口對接裂紋試驗方法及試驗結果的一般分析方法。二、實驗原理合金結構鋼焊接時的主要問題之一是裂紋，強度級別越高的鋼，其冷裂紋傾向越大。焊接冷裂傾向的測定方法很多。常用的測定方法有：最高硬度法，斜Y坡口對接裂紋試驗法（“小鐵研式”抗裂試驗）、插銷試驗等。按照接頭的拘束類型可把抗裂試驗分成自拘束型抗裂試驗和外拘束型抗裂試驗兩大類。外拘束型抗裂試驗適用于定量評定材料的裂紋傾向，并

2、可以比較深入地進行有關理論研究工作，但這類試驗都需要專用的試驗機，其中插銷試驗法，試驗裝置簡單，應用靈活，節(jié)省試驗材料和時間，因此比較容易普及。自拘束型抗裂試驗方法很多，其中“小鐵研式”抗裂試驗是常用的抗裂性試驗之一。此法所用的試樣如圖1所示，試板用被焊材料制成，兩端各60mm范圍內(nèi)先用焊縫固定，試板之間予留間隙23mm。圖1 斜Y坡口對接裂紋試樣試板中間（80mm處）焊試驗焊縫（單道焊），焊接規(guī)范為標準規(guī)范，焊條直徑4mm，焊接電流170A，電弧電壓24V，焊速150mm/min。試驗焊縫兩端都不得與拘束焊縫相連，應各相距23mm，試驗焊縫焊后至少放置24小時，然后進行裂紋檢查。首先用放大鏡

3、目測檢查焊縫金屬表面裂紋，然后沿焊縫長度方向均勻截成六段，從同一側(cè)面檢查每一試片的斷面裂紋，計算出裂紋率。由于兩端固定，對試驗焊縫有拘束作用，其拘束程度往往比實際結構的長焊縫還要大，所以一般認為只要表面裂紋率不超過20%，在實際生產(chǎn)中就不致發(fā)生裂紋。三、實驗內(nèi)容1、了解常用的焊接性試驗方法，重點了解斜Y型坡口試驗方法及特點。2、對斜Y型坡口對接裂紋試驗的結果進行分析。四、實驗報告1、說明插銷試驗法和斜Y型坡口對接裂紋試驗方法的特點及應用。2、試分析焊接接頭冷卻速度和焊縫含氫量對冷裂紋的影響。實驗二 低合金結構鋼焊接接頭顯微組織和冷裂紋形態(tài)的觀察一、實驗目的1、了解低合金結構鋼焊接熱影響區(qū)顯微組

4、織變化規(guī)律。2、了解低合金結構鋼焊接冷裂紋的形成條件及形貌特征。二、實驗原理（一）焊接接頭熱影響區(qū)的組織特征焊接時母材熱影響區(qū)上各點距焊縫的遠近不同，所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，因此熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的。對于一般常用的低碳鋼和淬硬傾向小的低合金結構鋼如16Mn、15MnV、15MnTi等，其熱影響區(qū)根據(jù)組織上的特征，可分為熔合區(qū)（半熔化區(qū)）、過熱區(qū)、相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）、不完全重結晶區(qū)。熔合區(qū)（溫度處于液固相線之間），范圍雖然很窄，但在化學成分上和組織性能上都有較大的不均勻性，所以對焊接接頭的強度、韌性都有很大的影響。過熱區(qū)，母材被加熱到固相線以下的1100左右的溫度范圍，金屬處于過熱狀

5、態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大，冷卻后得到粗大的組織，在低碳鋼和不易淬火的低合金鋼中，常出現(xiàn)魏氏組織。相變重結晶區(qū)，母材被加熱到Ac3以上，發(fā)生了重結晶，空冷后得到均勻細小的珠光體和鐵素體，相當于熱處理時的正火組織。不完全重結晶區(qū)，溫度處于Ac1Ac3之間，只有一部分組織發(fā)生了相變重結晶，組織得到細化，另一部分未轉(zhuǎn)變成奧氏體的鐵素體仍是比較粗大的，所以該區(qū)組織粗細不均勻。對焊接淬硬傾向較大的鋼種，包括低碳調(diào)質(zhì)高強鋼（如18MnMoNb）、中碳調(diào)質(zhì)高強鋼（如30CrMnSi等），焊接熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關。如果母材焊前是退火或正火狀態(tài)，則焊后熱影響區(qū)的組織可分為完全淬火區(qū)和不完

6、全淬火區(qū)。完全淬火區(qū)，母材加熱溫度超過Ac3，由于鋼的淬火傾向大，故焊后得到淬火組織，在靠近焊縫的部位（相當于低碳鋼的過熱區(qū)），由于晶粒嚴重長大，故得粗大的馬氏體，而相當于正火區(qū)的部位，得到細小的馬氏體。根據(jù)冷卻速度和線能量的不同，還可能出現(xiàn)部分貝氏體組織。不完全淬火區(qū)，母材被加熱到Ac1Ac3之間，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝低體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在隨后快冷時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，原鐵素體保持不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體和鐵素體的組織，若含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，也可能出現(xiàn)索氏體和珠光體。如果母材在焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，則熱影響區(qū)除存在上述

7、兩個區(qū)域以外，還可能有發(fā)生不同程度回火的區(qū)域，稱為回火區(qū)，該區(qū)的加熱溫度低于Ac1，其組織性能變化的程度取決于焊前調(diào)質(zhì)狀態(tài)的回火溫度。例如，焊前調(diào)質(zhì)時的回火溫度為T1，那么母材受熱溫度低于T1的部位，其組織、性能不發(fā)生變化，而溫度高于T1的部位，組織、性能將發(fā)生變化而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。由此可見，焊接接頭熱影響區(qū)的組織和性能不僅與母材的化學成分、接頭的冷卻速度有關，同時也與焊前的熱處理狀態(tài)有關。（二）焊接接頭冷裂紋的金相形態(tài)鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點以下所產(chǎn)生的焊接裂紋，通常稱為冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在高、中碳鋼，低、中合金高強鋼的近縫區(qū)，其中，最常出現(xiàn)的是延遲裂紋，這種裂紋的形核、擴展、決定于焊接接

8、頭的拘束應力、被焊金屬的淬硬傾向及焊縫金屬中的擴散氫含量。根據(jù)延遲裂紋在焊接接頭中出現(xiàn)的部位可分為以下幾種：1、焊趾裂紋：裂紋起源于焊趾（焊縫表面與母材的交界處）具有明顯應力集中處，從表面開始，向熱影響區(qū)的深處擴展，止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣、裂紋主要沿原始奧氏體晶界發(fā)展。2、焊根裂紋：這是最常見的一種延遲裂紋。裂紋起源于第一層焊道根部應力集中最大的部位，然后向熱影響區(qū)或焊縫中延伸。究竟向何處延伸，取決于母材和焊縫的強韌程度及根部的形狀。這種裂紋主要發(fā)生在含氫量較高、予熱溫度不足的情況下。3、焊道下裂紋：經(jīng)常發(fā)生在焊道下方母材中，離熔合線不遠的粗晶區(qū)內(nèi)。裂紋一般平行熔合線發(fā)展，但也有垂直于熔合線

9、的。這是一種微小的裂紋，往往不能在焊件表面上發(fā)現(xiàn)，它不是一條連續(xù)的裂紋，而是由一條條小的顯微裂紋集合而成。這種裂紋往往在使用含氫量高的焊條、小線能量電弧焊接高強度鋼時發(fā)現(xiàn)。幾種冷裂紋的分布示意圖如圖2所示。焊道下裂紋 焊根裂紋 焊趾裂紋圖2 幾種冷裂紋的分布示意圖三、實驗內(nèi)容1、觀察分析低合金結構鋼焊接接頭各區(qū)顯微組織。2、低合金結構鋼焊接冷裂紋的金相分析(形態(tài)特征)。四、試驗報告1、比較中碳調(diào)質(zhì)鋼與低碳鋼焊接接頭各區(qū)顯微組織的差別。2、說明低合金高強度鋼延遲裂紋的形成條件及分布形態(tài)。實驗三 鑄鐵焊接一、實驗目的1、了解鑄鐵焊接存在的主要問題。2、觀察分析不同的焊接材料和焊接工藝對焊接接頭組織

10、和性能的影響。二、實驗原理鑄鐵焊接的主要問題是：（1）鑄鐵結晶及固態(tài)轉(zhuǎn)變過程對冷卻速度非常敏感，在一般電弧焊時因冷卻速度快，焊接接頭易產(chǎn)生白口和淬硬組織，焊接接頭的加工性能差；（2）灰口鑄鐵塑性差、強度低，在焊接應力作用下，焊接接頭易出現(xiàn)裂紋。解決上述問題應從二方面著手。1、改變焊縫的化學成分，即采用不同的焊接材料焊接。目的是加強焊縫的石墨化能力（如用鑄208、鑄248焊條焊接），或者改變碳在焊縫中的存在形式、避免滲碳體及淬硬組織的產(chǎn)生（如采用鎳基焊條、銅基焊條和高釩焊條的電弧冷焊）。2、減慢焊接接頭的冷卻速度，使焊縫和熱影響區(qū)不易出現(xiàn)白口和淬硬組織，還要注意采取各種措施，以降低焊接接頭的應力。球墨鑄鐵可焊性有基本與灰口鑄鐵相同的一面，但又有其自身的一些特點：（1）白口化傾向及淬硬傾向比灰口鑄鐵大；（2）由于球鐵的機械性能高，故相應對焊接接頭的機械性能要求也高。三、實驗內(nèi)容1、觀察分析鑄208、鑄248、鑄308電弧冷焊及電弧熱焊灰鑄鐵焊接接頭各區(qū)的