金相检验9-焊接件的金相检验

②母材热影响区
• 是母材上靠近熔化金属而受到焊接热作用发生组 织和性能变化的区域。
• 母材热影响区实际上是一个从液相线至环境温度 之间不同温度冷却转变所产生的连续多层的组织 区。经适当侵蚀后容易受蚀，在宏观试样上呈深 灰色区域。
③母材金属 即待焊接的材料，仍保持着母材原有
组织。
• 焊接接头低倍组织检验的内容
3、过热区（粗晶粒区）。
• 加热温度范周TKS - Tm，Tm熔点。 加热至1000℃以上直至 熔点，奥氏体晶粒剧烈长大，尤其在1300 ℃以上，晶粒十 分粗大，晶粒度均在3级以上。由于晶粒粗大出现粗大的 针状铁素体（魏氏组织）+索氏体。
4、熔合区
• 即熔合线附近焊缝金属到基体 金属的过渡部分，温度处于固 相线和液相线之间。这个地方 的金属处于局部熔化状态，晶 粒十分粗大，化学成分和组织 都极不均匀，冷却后的组织为 过热组织。这段区域很窄，金 相观察实际上很难明显区分出 来。但该区对于焊接接头的强 度、塑性都有很大影响。熔合 线附近是产生裂缝、局部脆性 破坏的发源地。
• a.焊缝组织具有联生结晶和长大的特点，常 见的焊缝组织有柱状晶、树枝状晶、等轴 晶等，同样成份的焊缝，由于结晶组织形 态不同，性能差别很大。 • b.多层焊时，由于后面的焊层对前面的焊层 进行了再加热而发生相变结晶，导致焊缝 区各部位组织形态的差异。 • c.焊接过程是连续快速冷却的过程，超过一 定的冷却速度后，会得到非平衡组织 贝氏体和马氏体。
（二）热影响区的组织特征
• 组织发生显著变化的热影响区可划分为四个区域。
1、部分相变区（不完全重结晶区）
• 加热温度范围在Ac1-Ac3之间，20钢的Ac1～Ac3相当 于750-900℃。冷却后的组织为未发生转变的铁素 体+经部分相变后的细小珠光体和铁素体。
2、相变重结晶区（细晶粒区）。
• 加热温度范围Ac3-TKs，TKs—晶粒开始急剧 粗化的温度。该区空冷后得到均匀细小的 铁素体+珠光体。相当于热处理中的正火组 织，故又称为正火区。
2、熔合区
• 焊缝与热影响区的过渡区，位于熔合线两 侧。 • 温度处于固相线和液相线之间； • 金属处于局部熔化状态，晶粒十分粗大， 化学成份和组织极不均匀, 粗大的过热组织 和粗大的淬硬组织.是焊接接头中性能最差 的区域。 • 此区域很窄，显微镜下难区分。 但危害大，常是裂缝、局部脆性破坏的发 源地。
• 可见焊接接头分为三部分：焊缝中心为焊 缝金属，靠近焊缝的是热影响区，接头两 边是未受焊接热影响的母材。
①焊缝金属 • 焊缝金属又称熔化焊缝，是由熔化金属凝 固结晶而成。
• 焊缝金属的组织：铸态柱状晶，晶粒相当 长，平行于传热方向（垂直于熔池壁方 向），在熔化金属（熔池）中部呈八字形 分布的柱状树枝晶。
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• 缺陷分析还包括：
• 对焊接接头的小试样，进行试样断口形貌、冲击、 拉伸后试样外观形态，焊道的表面状态等缺陷进 行分析。对大型焊接结构，在运行一段时间后进 行焊缝的受腐蚀和裂缝的检查等。
• 总之，通过焊接接头的外观质量检查，可以了解 焊接结构和焊接产品的全貌，产生缺陷的性质、 部位，及其与焊接结构的整体关系等情况，对评 定和控制焊接质量，以及防止重大事故发生都是 必需的。
焊缝柱状晶的粗晶组织及结构形态； 焊接熔合线；
焊道横截面的形状及焊缝边缘结合、成形等情况；
热影响区的宽度；
多层焊的焊道层次及焊接缺陷，如焊接裂缝、气 孔、夹杂；
接头的断口分析与其他检验方法（如金相、扫描 电镜等微观分析法）综合分析找出接头破断的原 因。
四、焊接接头的显微组织观察
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3. 熔池形状对柱状晶成长形态的影响
• 焊接条件不同，晶体成长的形态也不同。
• 图9-8所示是焊接速度较低时的情况： • 熔池呈椭圆形，柱状晶逐渐向焊接方向弯曲，在 凝固未达到焊缝的中心线前，很多柱状晶体已经 相遇。
• 当焊速较高时，熔池呈雨滴状，其最大的温度梯 度方向（如箭头所示）在凝固过程中几乎不变， 使柱状晶体最后相遇在焊缝的中心线上。
2、低倍检验
接头低倍检验要对接头经过解剖取样、制样（包 括低倍组织显示）后才能进行。
1)取样：与焊道垂直，焊接接头横断面。 2)侵蚀剂：硝酸水溶液，硝酸酒精，盐酸水溶液，电解，
染色等。
3)检验内容:焊缝柱状晶组织及结构，焊接熔合线，焊道
横截面的形状及焊道边缘结合、成形等情况；热影响区的 宽度；多层焊的焊道层次及焊接缺陷。
• 形状缺陷是指焊缝的表面形状与原设计的几何形 状有偏差。 • 包括：咬边、缩沟、焊缝超高、凸度过大、下塌、 焊缝型面不良、焊瘤、错边、角度偏差、下垂、 烧穿、未焊满、焊脚不对称、焊缝宽度不齐、表 面不规则、根部收缩、根部气孔、焊缝接头不良 等共18种。 • 其他缺陷包括：电弧擦伤、飞溅、钨飞溅、表面 撕裂、磨痕、凿痕、打磨过量、定位焊缺陷及层 间错位等9种。
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2、热影响区组织与性能（不易淬火钢）
焊接热影响区的组织特征：焊接结构钢根据热处理特性不 同可分为两类：淬火钢、不易淬火钢。 不易淬火钢热影响区的组织分布：主要由过热区、完全重 结晶区、不完全重结晶区及再结晶区组成。当母材为热轧 态时，热影响区中没有再结晶区。 1).过热区 ，(1100－1490℃) γ→ F粗+P粗,脆 2).相变（完全）重结晶区（正火区） ，(900－1100℃) γ→ F细+P细,韧 3).不完全重结晶区 （不完全正火区）， (750－900℃) F粗，γ→ F细+P细,（铁素体大小不一，铁素体与珠 光 体分布不均） 力学性能不均匀 4).再结晶区 ， (500－750℃) 软化区 晶粒拉长→晶粒等轴，强度↓韧性↑ 5).蓝脆区 ， (250－750℃) 热应变时效脆化 塑性↓ ，韧性↓
（五）未焊透 焊接时接头的根部未完全熔透的现象。
六、焊接接头组织与性能的关系
1、焊缝的组织与性能
随焊缝化学成分和冷却条件的变化，低合金钢焊缝中可能 形成铁素体F、珠光体P、贝氏体B及马氏体M等相变组织， 而且它们会呈现出多种形态，从而具有不同的性能。 铁素体、 铁素体+珠光体、 珠光体、 贝氏体、 马氏体 强度、硬度低→ → → → →强度、硬度高 塑性、韧性好← ← ← ← ←塑性、韧性差 晶粒度细小均匀机械性能好，反之差。 下贝氏体强度高、塑性、韧性好 ，上贝氏体塑性、韧性 差。 低碳马氏体强度高、塑性、韧性好 ，高碳马氏体体塑性、 韧性差。 魏氏体组织塑性、韧性差。
焊接件的金相检验
《金相检验》第九单元 主讲：王文科
主要内容
一、焊接热循环 二、焊接接头的组织 三、焊接接头的宏观组织观察 四、焊接接头的显微组织观察 五、焊接接头的缺陷 六、焊接接头显微组织与性能的关系
一、焊接热循环
1、焊接热循环的特点： ①加热温度高: 热处理：Ac3以上100～200℃ 近缝区1350℃以上至Tm ②加热速度快: 几秒内完成熔化与凝固以及热影响区相变 ③高温停留时间短: SMAW:20秒, SAW:30-100秒。
（二）气孔
气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴
焊缝密集气孔
（三）夹渣
残留在焊缝中的熔渣。可分为线状、孤立及其他型式三种
（四）未熔合
在焊缝金属和母材之间或焊道金属之间未完全熔化结合的部分。 可分为侧壁未熔合（图4011）、层间未熔合（图4012）、焊缝 根部未熔合(图4013)．
根部未熔合
五、焊接接头的缺陷
• 焊接接头常见的缺陷有裂纹、孔穴、夹渣、 末焊透、未熔合等。 （一）、裂纹
• 焊接裂纹是在焊接应力及其他致脆因素共同作 用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭 到破坏而形成的新界面而产生的缝隙。裂纹在焊 缝区最易产生，且危害最大。
• 根据形成裂纹的温度范围和原因可分为：
1、热裂纹
• 焊缝金属 一次组织：铸态组织，熔化状态后经形核和长大
完成结晶的高温组织形态。 二次组织：固态相变组织，室温下的显微组织。
• 熔合线热影响区：熔合区，粗晶区（过热 区），细晶区（相变重结晶区），部分相 变区 • 母材区
（一）焊缝的组织特征
1．连接长大
• 焊缝金属的晶粒和熔合线附近母材热影响区内的 晶粒是相连接的。即焊缝金属凝固时，它的晶体 是从与液态金属相接触的母材热影响区的晶粒连 接长大出来的。它们之间所以这样紧密相连是由 于熔合线附近未熔化的母材金属起着熔池模壁的 作用，起非自发晶核的作用。
1、焊接接头外观检验
• 焊接产品和焊接接头的外观质量检查通过肉眼或 放大镜对焊接接头进行的检查。 • 外观检查的内容很多，主要应检查各种焊接缺陷。 按照GB/ T 6417-1986《金属熔化焊焊缝缺陷分类 及说明》标准进行。 • 标准列出的金属熔化焊焊缝缺陷分为六大类：裂 纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺 陷及上述以外其他缺陷等。
④自然冷却，冷却速度快: 热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程 中不同阶段进行保温,焊接时,局部加热、熔池的 体积小、自然条件下冷却,冷却速度快，平均冷却 速度约为l0～100℃／s。 ⑤动态结晶： 熔池一般均随热源的移动而移动，同时焊条的 摆动，电弧的吹力，还会使熔池发生强烈的搅拌 作用。可见，是在运动状态下结晶的，因此焊缝 凝固时各处的最大温度梯度的方向不断地变化， 晶体长大的方向也随之而改变。
4、基体组织分析（母材）
• a.鉴别材料中非金属夹杂物，显微裂纹的类 型，观察其形态和分布，测量其数量和大 小。 • b.鉴别被检件显微组织的组成，各种组织的 形貌、分布和数量，对晶粒度、带状组织、 非金属夹杂物、魏氏组织等。 • c.对异种钢焊接接头，焊缝两侧的母材及热 影响区均须检验。
三、焊接接头的宏观检验
• 因此焊缝金属的晶粒总是和熔合线附近的母材晶 粘连接并保持同一晶轴。
• 如果热影响区的晶粒粗大，则焊缝中的柱状晶也 粗大。
2．形成柱状晶 • 焊缝组织的第二个特征是焊缝金属大都长 成长长的柱状晶，成长方向与散热最快的 方向一致，垂直于熔合线，向焊缝中心发 展。 • 在一般焊接条件下，焊缝不出现等轴晶， 只有在特殊条件下才形成等轴晶，例如弧 坑中的组织，或大断面焊缝中的中、上部 形成少量等轴晶。
2、焊接过程特点 ①加热温度高 ②冷却速度快 ③高温停留时间无法控制 故： 熔池凝固结晶过程远离平衡态； 焊接接头组织为非平衡组织。
二、焊接接头的组织
A：焊缝区 B: 熔合区 C: 热影响区 D：母材
1、焊缝区
• 结晶形态：联生结晶 • 结晶过程：熔合区半熔 化晶粒提供了现成的结 晶表面； • 液相依附熔合区半熔化 晶粒开始垂直底部向中 心生长，粗大的柱状晶。
热裂纹一般指在0.5Tm以上温度形成的裂纹，在钢中通常指 A3以上直至凝固温度的范围。 根据热裂纹成因，分为结晶裂纹、熔化裂纹和高温低塑性 裂纹。 热裂纹发生的部位，常见于焊缝中，有时也出现在热影响 区。 2、冷裂纹 • 因氢引起的或焊缝由于焊接冷却速度过快而产生的应力裂 纹，均称为冷裂纹。它通常是指焊接时在A3以下温度冷却 过程中或冷却以后所产生的裂纹。 • 冷裂纹可分为氢致裂纹、层状撕裂、再热裂纹或去应力裂 纹。
3、热影响区
• HAZ属于母材金 属的一部分； • 受焊接热循环的 影响，组织或性 能发生变化的区 域为焊接热影响 区。
• a.熔化区/半熔化区：此区较窄，邻接熔合线，由于严重过 热，晶粒大，化学成分不均匀严重，导致性能恶化，是焊 接接头中最薄弱的区域。 • b.过热区：此区域明显特点是晶粒最粗大，其组织形貌与 部分熔化区基本相同，是再热裂纹的敏感区。 • c.正火/重结晶区：此区域晶粒细小而均匀，是焊接接头中 组织和常温机械性能最好的区域。相当于正火。 • d.相变区/不完全重结晶区：此区位于A1～A3温度区间， 具有部分铁素体溶解到奥氏体中去的特点，冷却时奥氏体 发生分解，而原来未转变的铁素体仍保留下来，对某些低 合金钢，由于这部分奥氏体中碳和合金元素含量较高，快 速冷却后可能转变为高碳马氏体，得到马氏体和铁素体的 混合组织，这种组织性能较差。